比特币矿池的协议stratum

转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/23558268 getblocktemplate协议诞生于2012年中叶，此时矿池已经出现。矿池采用getblocktemplate协议与节点客户端交互，采用stratum协议与矿工交互，这是最典型的矿池搭建模式。

与getwork相比，getblocktemplate协议最大的不同点是：getblocktemplate协议让矿工自行构造区块。如此一来，节点和挖矿完全分离。对于getwork来说，区块链是黑暗的，getwork对区块链一无所知，他只知道修改data字段的4个字节。对于getblocktemplate来说，整个区块链是透明的，getblocktemplate掌握区块链上与挖矿有关的所有信息，包括待确认交易池，getblocktemplate可以自己选择包含进区块的交易。

挖矿有两种方式，一种叫SOLO挖矿，另一种是去矿池挖矿。前文所述的在节点客户端直接启动CPU挖矿，以及依靠getwork+cgminer驱动显卡直接连接节点客户端挖矿，都是SOLO挖矿，SOLO好比自己独资买彩票，不轻易中奖，中奖则收益全部归自己所有。去矿池挖矿好比合买彩票，大家一起出钱，能买一堆彩票，中奖后按出资比率分配收益。理论上，矿机可以借助getblocktemplate协议链接节点客户端SOLO挖矿，但其实早已没有矿工会那么做，在写这篇文章时，比特币全网算力1600P+，而当前最先进的矿机算力10T左右，如此算来，单台矿机SOLO挖到一个块的概率不到16万分之一，矿工（人）投入真金白银购买矿机、交付电费，不会做风险那么高的投资，显然投入矿池抱团挖矿以降低风险，获得稳定收益更加适合。因此矿池的出现是必然，也不可消除，无论是否破坏系统的去中心化原则。

矿池的核心工作是给矿工分配任务，统计工作量并分发收益。矿池将区块难度分成很多难度更小的任务下发给矿工计算，矿工完成一个任务后将工作量提交给矿池，叫提交一个share。假如全网区块难度要求Hash运算结果的前70个比特位都是0，那么矿池给矿工分配的任务可能只要求前30位是0（根据矿工算力调节），矿工完成指定难度任务后上交share，矿池再检测在满足前30位为0的基础上，看看是否碰巧前70位都是0。

矿池会根据每个矿工的算力情况分配不同难度的任务，矿池是如何判断矿工算力大小以分配合适的任务难度呢？调节思路和比特币区块难度一样，矿池需要借助矿工的share率，矿池希望给每个矿工分配的任务都足够让矿工运算一定时间，比如说1秒，如果矿工在一秒之内完成了几次任务，说明矿池当前给到的难度低了，需要调高，反之。如此下来，经过一段时间调节，矿池能给矿工分配合理难度，并计算出矿工的算力。

矿池通过getblocktemplate协议与网络节点交互，以获得区块链的最新信息，通过stratum协议与矿工交互。此外，为了让之前用getwork协议挖矿的软件也可以连接到矿池挖矿，矿池一般也支持getwork协议，通过阶层挖矿代理机制实现（Stratum mining proxy）。须知在矿池刚出现时，显卡挖矿还是主力，getwork用起来非常方便，另外早期的FPGA矿机有些是用getwork实现的，stratum与矿池采用TCP方式通信，数据使用JSON封装格式。

先来说一下getblocktemplate遗留下来的几个问题：

矿工驱动：在getblocktemplate协议里，依然是由矿工主动通过HTTP方式调用RPC接口向节点申请挖矿数据，这就意味着，网络最新区块的变动无法及时告知矿工，造成算力损失。

数据负载：如上所述，如今正常的一次getblocktemplate调用节点都会反馈回1.5M左右的数据，其中主要数据是交易列表，矿工与矿池需频繁交互数据，显然不能每次分配工作都要给矿工附带那么多信息。再者巨大的内存需求将大大影响矿机性能，增加成本。

Stratum协议彻底解决了以上问题。

Stratum协议采用主动分配任务的方式，也就是说，矿池任何时候都可以给矿工指派新任务，对于矿工来说，如果收到矿池指派的新任务，应立即无条件转向新任务；矿工也可以主动跟矿池申请新任务。

现在最核心的问题是如何让矿工获得更大的搜索空间，如果参照getwork协议，仅仅给矿工可以改变nNonce和nTime字段，则交互的数据量很少，但这点搜索空间肯定是不够的。想增加搜索空间，只能在hashMerkleroot下功夫，如果让矿工自己构造coinbase，那么搜索空间的问题将迎刃而解，但代价是必要要把区块包含的所有交易都交给矿工，矿工才能构造交易列表的Merkleroot，这对于矿工来说压力更大，对于矿池带宽要求也更高。

Stratum协议巧妙解决了这个问题，成功实现既可以给矿工增加足够的搜索空间，又只需要交互很少的数据量，这也是Stratum协议最具创新的地方。

再来回顾一下区块头的6个字段80字节，这个很关键，nVersion，nBits，hashPrevBlock这3个字段是固定的，nNonce，nTime这两个字段是矿工现在就可以改变的。增加搜索空间只能从hashMerkleroot下手，这个绕不过去。Stratum协议让矿工自己构造coinbase交易，coinbase的scriptSig字段有很多字节可以让矿工自由填充，而coinbase的改动意味着hashMerkleroot的改变。从coinbase构造hashMerkleroot无需全部交易，

如上图所示，假如区块将包含13笔交易，矿池先对这13笔交易进行处理，最后只要把图中的4个黑点（Hash值）交付给矿工，同时将构造coinbase需要的信息交付给矿工，矿工就可以自己构造hashMerkleroot（图中的绿点都是矿工自行计算获得，两两合并Hash时，规定下一个黑点代表的hash值总是放在右边）

。按照这种方式，假如区块包含N笔交易，矿池可以浓缩成log2(N)个hash值交付给矿工，这大大降低了矿池和矿工交互的数据量。

Stratum协议严格规定了矿工和矿池交互的接口数据结构和交互逻辑，具体如下：

1. 矿工订阅任务

启动挖矿机器，使用mining.subscribe方法链接矿池

返回数据很重要，矿工需本地记录，在整个挖矿过程中都用到，其中：

b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52：给矿工指定初始难度，

ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f：订阅号ID

08000002：学名Extranonce1 ，用于构造coinbase交易

4：学名Extranonce2_size ，即Extranonce2的长度，这里指定4个字节

Extranonce1，和 Extranonce2对于挖矿很重要，增加的搜索空间就在这里，现在，我们至少有了8个字节的搜索空间，即nNonce的4个字节，以及 Extranonce2的4个字节。

2. 矿池授权

在矿池注册一个账号 ，添加矿工，矿池允许每个账号任意添加矿工数，并取不同名字以区分。矿工使用mining.authorize方法申请授权，只有被矿池授权的矿工才能收到矿池指派任务。

3. 矿池分配任务

以上每个字段信息都是必不可少，其中：

bf：任务号ID，每一次任务都有唯一标识符

4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000：前一个区块hash值，hashPrevBlock

01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008：学名coinb1 ，构造coinbase的第一部分序列数据

072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000：学名coinb2 ，构造coinbase的第二部分序列数据，

["76cffd68bba7ea661512b68ec6414438191b08aaeaec23608de26ac87820cbd02016","e5a796c0b88fe695949a3e7b0b7b1948a327b2f28c5dbe8f36f0a18f96b2ffef2016"]:学名merkle_branch，交易列表的压缩表示方式，即上图的黑点

00000002：区块版本号，nVersion

1c2ac4af：区块难度nBits

504e86b9：当前时间戳，nTime

有了以上信息，再加上之前拿到的Extranonce1 和Extranonce2_size，就可以挖矿了。

4. 挖矿

1) 构造coinbase交易

用到的信息包括Coinb1, Extranonce1, Extranonce2_size 以及Coinb2，构造很简单：

为啥可以这样，因为矿池帮矿工做了很多工作，矿池已经构建了coinbase交易，系列化后在指定位置分割成coinb1和coinb2，coinb1和coinb2包含指定信息，比如coinb1包含区块高度，coinb2包含了矿工的收益地址和收益额等信息，但是这些信息对于矿工来说无关紧要，矿工挖矿的地方只是Extranonce2 的4个字节。另外Extranonce1是矿池写入区块的指定信息，一般来说，每个矿池会写入自己矿池的信息，比如矿池名字或者域名，我们就是根据这个信息统计每个矿池在全网的算力比重。

2) 构建Merkleroot

利用coinbase和merkle_branch，按照上图方式构造hashMerkleroot字段。

3) 构建区块头

填充余下的5个字段，现在，矿池可以在nNonce和Extranonce2 里搜索进行挖矿，如果嫌搜索空间还不够，只要增加Extranonce2_size为多几个字节就可轻而易举解决。

5. 矿工提交工作量

当矿工找到一个符合难度的shares时，提交给矿池，提交的信息量很少，都是必不可少的字段：

slush.miner1：矿工名字，矿池用以识别谁提交的工作量

bf：任务号ID，矿池在分配任务之前，构造了Coinbase等信息，用这个任务号唯一标识

00000001：Extranonce2

504e86ed：nTime字段

b2957c02：nNonce字段

矿池拿到以上5个字段后，首先根据任务号ID找出之前分配任务前存储的信息（主要是构建的coinbase交易以及包含的交易列表等），然后重构区块，再验证shares难度，对于符合难度要求的shares，再检测是否符合全网难度。

6. 矿池给矿工调节难度

矿池记录每个矿工的难度，并根据shares率不断调节以指定合适难度。矿池可以随时通过mining.set_difficulty方法给矿工发消息另其改变难度。

如上，Stratum协议核心理念基本解析清楚，在getblocktemplate协议和Stratum协议的配合下，矿池终于可以大声的对矿工说，让算力来的更猛烈些吧。