挖矿那些事儿

2025-01-15 11:35

CKB 中文

2025-01-15 11:35

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fi5pool 项目将其定位为简单的 CKB solo minning 矿池，具体表现为仅支持 CKB，仅支持 solo mining，没有分账和前端页面，同时深入 CKB 的特性，拓展自定义挖矿策略和 MEV（miner extractable value）的获取能力。有了 solo mining 解决方案后，有如下好处：

矿工可以获得全部挖矿奖励：没有第三方抽成。
自主性更强：矿工可以完全控制自己的挖矿策略。
隐私保护：无需公开个人信息，确保高度的隐私安全。
去中心化：有助于提升整个区块链网络的安全性和分散度。

目前 fi5pool 项目开发已经接近尾声，正在进行测试，后续会开源出来：

https://github.com/fi5box

以下内容来自 fi5pool 团队的 David，原文链接：

https://talk.nervos.org/t/topic/8598

BTC 挖矿篇

什么是挖矿?

BTC 节点通过网络收集未打包的交易，产生出 candidate block（候选区块），其 header 包含如下字段：

Version 表示当前使用的 BTC 协议的版本
Previous Block Hash 前一个区块的 hash 值
Merkleroot 打包到当前区块的交易组装的 merkle tree 的 root hash
Difficulty target 当前 BTC 网络的难度值，简单说就是要成为合法的区块，区块哈希前面要有多少个 0
Timestamp 时间戳
Nonce 32bit 的随机值，矿工可以通过搜寻合适的 Nonce 值，让区块哈希满足前面的 Difficulty target

挖矿就是通过调整区块中的内容，主要是 Nonce 值，产生出一个符合当前网络难度的合法区块。

挖矿的目的

对于 BTC 网络来说：挖矿是产生合法区块的唯一途径，保持 BTC 网络安全持续地运转下去。

对于矿工个人来说：挖矿可以获得 BTC 奖励。

挖矿历史和演进

挖矿经历了 CPU → GPU → FPGA → ASIC 等演进阶段。

BTC 自身就带有挖矿程序，但是只支持 CPU 挖矿，所以最开始是 CPU 挖矿阶段。

很快大家就发现 GPU 在挖矿上比 CPU 效率高的多，于是果断抛弃官方的挖矿程序，开发了基于 GPU 的专用挖矿软件（比如 cgminer）。

通过 FPGA 过渡之后，最终进入了 ASIC（专用芯片）阶段。

参与挖矿的两种方式

Solo mining 和加入矿池。

Solo mining，顾名思义，就是矿工独自挖矿。只要自己运行一个 BTC 节点，运行挖矿软件就可以了（现在比较难了，后面再展开）。

但是挖矿是个完全随机的过程，波动比较大。其大致遵循泊松分布，即使矿工的算力达到平均每天能挖到一个块，在具体的某天，也有高达 37% 的概率挖不到块。这对于每天都要吃饭和交电费的矿工来说风险太大了。

然后矿池模式就诞生了。矿池是将一批矿工的算力聚集到一起挖矿，然后将挖矿收益根据每个矿工的贡献比例进行分配。类似于多人合伙买彩票，中奖之后按出资比例分配奖金。

这样可以降低收益的波动，矿工每天可以有比较稳定的收益，降低了风险。矿池模式很快成为挖矿的主流。

但是矿池模式也是有问题的。从前面的分析可知，矿池聚集的算力越多，收益波动越小。因此矿工会倾向于加入算力更大的矿池，导致矿池的头部效应，全网算力很快就集中到了几个头部的矿池。这导致了网络的中心化和潜在的 51% 攻击的风险。

矿池运营方只会运行一个全节点和一个矿池服务端。矿工的挖矿设备依然自己管理，通过网络与矿池交互，从矿池那里获取任务，然后只负责尝试计算区块哈希，然后向矿池上报任务完成情况。

此模式下，矿工并不运行节点，挖矿收益是直接进入矿池的账户，然后矿池收取一定比例的手续费后，根据各个矿工的贡献度进行收益分配。

矿池统计矿工贡献度的方式叫 share。前面提到过，只有区块哈希前面的 0 足够多，才是一个合法的区块，才会有挖矿奖励。share 就是一个不够格的区块，其哈希前面的 0 不够多。矿池通过统计矿工提交的 share 数量来评判其贡献度。类似于我们日常的每日工作汇报，不一定要完成工作之后才去向领导汇报，每天都汇报一下工作进展（完成了一个步骤或者其中一个小任务），这样领导知道你每天都在干活，才会给你记工。

结算模式也有不同的方式，参见：

https://f2pool.zendesk.com/hc/zh-tw/articles/360061042332- 收益結算模式 -PPS-PPLNS-FPPS-PPS

矿机与矿池之间的网络通信逐渐形成了一套矿池协议（这个等下再展开），先回过头来说 solo mining。因为矿池模式是挖矿的主流，因此在 ASIC 时代，矿机厂商直接就在矿机的固件里集成了挖矿协议。

更具体来说矿机的固件其实就是一个挖矿软件，从比特大陆很早之前开源的固件代码来看，其实就是 cgminer。对挖矿协议的支持也在 cgminer 代码里面：

https://github.com/bitmaintech/Antminer_firmware/blob/master/sources/meta-antminer/recipes-bitmianer/cgminer/cgminer-1.0/cgminer-3.12.0_bak/util.c

因此矿工买到 ASIC 矿机之后，只要开机之后设置一下连接矿池的配置，马上就可以开始参与挖矿。反而自己挖矿变得困难了，因为矿机默认就是连矿池的，而不能连自己运行的节点了。

当然方法也是有的，就是自己跑一个矿池服务端，相当于一个私有化部署的矿池。但是因为矿池和矿机涉及巨大的经济利益，一般都是不开源的，网上也很少有相关的技术资料。BTC 原来有一个开源的 BTCPool，但是已经废弃，很多年没有更新了。现在有一个 public pool 可以用，算是给 solo ming 保留了一丝火种：

https://github.com/benjamin-wilson/public-pool

矿池协议演进

Getwork

BTC 节点最早为挖矿提供了一个 Getwork 的 RPC 接口，但是这个接口并不是返回 candidate block（候选块）的完整区块头，而是会将区块头预处理成一段 data，矿工拿到之后只是不停的尝试不同的 Nonce 值并计算哈希。

前面讲过，一个区块是否有效看的是整个区块头的哈希前面是否有足够的 0，所以调整区块头的任何一个值都可以。但是 Getwrok 模式下，矿工只能修改 Nonce 值，而无法修改区块头的其他内容，而 BTC 的 Nonce 字段只有 32 位。

当矿工的算力达到 4.3 Ghash/s 的时候，1 秒就可以遍历所有可能的 Nonce。剩下的时间就只能干等着节点给新的任务。如果矿池连接了多个矿工，就更惨了，多个矿工的任务完全是重复的，严重浪费了算力。

GBT（Getblocktemplate）

BTC 节点提供了新的 RPC 接口——Getblocktemplate——返回更多的区块信息，让矿工可以调整的东西更多（比如 timestamp 和 coinbase 交易中的无关内容），从而增加了矿工的搜索空间。

大名鼎鼎的 Stratum (V1) 协议

Stratum 与 GBT 方案差不多时间提出，但是 Stratum 协议是由首个 BTC 矿池运营商提出的，他们明显更懂挖矿，而且在吸收了 GBT 方案的基础上进行了一些改进，因此最终成为了挖矿的事实标准。

现在只要说起挖矿协议，默认指的就是 Stratum (V1) 协议。

Stratum (V1) 协议非常的简单，直接基于 TCP 连接，内容是以换行隔开的，一行一个 json 字符串。非常简单易懂，且易于调试，速度快，资源占用小。

最主要的是针对矿池模式进行了很多优化。比如它引入了 extranonce 的概念。前面我们提到过，一个矿池可以接入很多矿工。如果矿池给所有矿工下发同样的任务，让他们随机寻找 Nonce，那多个矿工之间可能就会重复搜寻，浪费算力。extranonce 就像 hash 分桶一样，给每个矿工分配了一个不同的前缀值，这样不同的矿工就在不同的桶里搜索，避免了重复劳动。

更详细的协议内容大家可以看参考资料或者实际的交互例子：

https://www.jianshu.com/p/7bfe925f3d0a

当然这个协议也有一些缺点：

安全风险：因为是明文协议，很容易被攻击。
隐私：矿工的信息完全暴露给矿池，没有任何隐私可言。
鉴权不完善：非常简单的用户名密码机制，而且还明文传输，容易遭受中间人攻击。
带宽消耗大：json 格式的消息不够有效。
中心化风险：到目前为止的三个演进阶段，都是为了解决搜索空间，或者挖矿效率的问题，对于中心化风险没有任何改善，矿工完全就是机器上的齿轮，所有的权力都被矿池掌控。

Stratum (V2) 协议

Stratum (V2) 改进了 V1 的很多缺点：

消息换成了二进制格式，更加紧凑，带宽消耗大大减少。
完善了鉴权和加密，使用公私钥方案，更加安全。
解决了中心化风险。通过复杂的架构，让矿工可以提交自己的区块，包括自己的 coinbase，也就是收益可以直接到矿工账户上。实现了 solo 和矿池两种模式的无缝切换。
效率提升。矿池给矿机下发的各项信息，其变动的周期其实差别很大。比如 Previous Block Hash，这个在一个出块周期内都不会变。而 transaction 相关的信息，一旦有新的交易打包进来，就会变化，变化更频繁。V1 协议是每次都全量下发，对变动不频繁的有些浪费，对变动频繁的则不够及时。V2 把任务内容进一步拆分，可以以不同的频率下发不同信息，更有效率，更及时。而且如果当前区块被本矿池挖到，那么直接把当前区块的哈希作为 Previous Block Hash 下发，就可以在下一个块有一些先发优势。

V2 协议对 BTC 节点的 RPC 也提出了新要求（需要修改 BTC 节点）。它提出了一个新的概念，templateProvider。不同于原来那些 get 方法，是在 BTC 节点中新增加一个服务，采用 push 的方式主动推送，可以更及时的通知交易池重组，同步区块等信息。参见：

https://github.com/bitcoin/bitcoin/commit/72b8f59b15453b7723cc22b0d002819ac62ac088

但是它至今还很少有落地实现。虽然官方做了参考实现，并且提供了兼容和升级方案，但是跟历史上很多升级换代的技术一样，因为老的技术太成熟，生态太庞大了，新的技术很难冒头。

目前绝大部分矿机的固件和商业矿池都还是 V1 协议。只有 Braiins OS 提供了部分 BTC 矿机的 V2 固件，他们家的 Braiins Pool 支持 V2 协议。

矿机与矿池

这两个对于挖矿来说很重要的东西，在区块链生态里面显得非常神秘。区块链生态其他部分各种开源，宣讲，有点进展恨不得满世界宣传，相比之下矿机和矿池是闷声发大财的代表。

因为相互之间有博弈关系，所以大家都非常小心翼翼，好像不太想暴露太多技术细节，但是又相互依赖，需要尽量兼容。矿机要兼容尽量多的矿池，矿池也要兼容尽量多的矿机。

Stratum (V1) 协议其实没有特别明确的标准文档，但是大家通过这种相互摸索，逐渐形成了一种类似行业默契的事实标准。

这种默契是 Stratum (V2) 很难打破的。所以估计在之后很长一段时间，Stratum (V1) 协议的地位都很难被动摇。

CKB 挖矿篇

其他 PoW 链在挖矿方面都跟 BTC 高度相似，CKB 也不例外，所以本篇只讲 CKB 与 BTC 有差异的点。

Block header 结构上，单论挖矿相关的字段，CKB 与 BTC 最大的区别是 Nonce 大小为 128bit。

挖矿历史和演进方面，CKB 同样经历了 CPU → GPU → FPGA → ASIC 等演进阶段，目前都是 ASIC 矿机。

CKB 在发展到 ASIC 矿机阶段之后，同 BTC 一样，矿机固件直接内置挖矿协议，只能连接矿池。

Solo mining 方面，目前 CKB 没有现成的解决方案。之前有一个 grants 项目，但是已经很久没更新了：

https://talk.nervos.org/t/insight-automated-stratum-v2-mining-pool-for-nervos/4870

结算模式方面，CKB 的矿池基本上都是 PPLNS，即矿工需要承担较大的收益波动风险。因为 CKB 难度调整比较频繁，相比之下收益波动更大。比特币网络每产生 2016 个区块（大约两周）调整一下难度，但是 CKB 大约每隔 4 小时调整一次挖矿难度。

矿池协议方面，CKB 节点提供了 GBT（Getblocktemplate）的 RPC 接口，返回完整的 candidate block（候选区块），并且允许挖矿软件任意调整区块的内容，给的自由度很大。

矿池协议方面跟 BTC 一样，现在都是 Stratum (V1) 协议，但是 CKB 相比之下要简单很多。因为 CKB 的 Nonce 大小为 128bit，单单改变 Nonce，搜寻空间就足够大，不存在 BTC 在 Getwork 时期的问题，也就不需要矿工去调整区块头的其他字段。

比如 BTC 中 extranonce 是 coinbase 交易中的字段，但是在 CKB 中直接就是 Nonce 的前缀，更加简单明了。

因此，CKB 的矿池协议实际上只是 Stratum (V1) 的子集，很多方法和字段都不用。是套着 Stratum (V1) 壳子，但实际运行跟 Getwork 差不多。

矿机和矿池交互的实际例子：

矿机发起 auth{"id":0,"method":"mining.authorize","params":["ckb1qyqznmjpc30dw337h20l9ukkmlrfkhycgtes0p7lll.bob","X"]}矿池返回{"id":0,"result":true,"error":null}
矿机 subscribe{"id":0,"method":"mining.subscribe","params":["ckbminer-v1.0.0",null]}矿池返回{"id":0,"result":[null,"665da3e8",12],"error":null}
矿池向矿机下发难度设置{"id":null,"method":"mining.set_target","params":["000010c6f7000000000000000000000000000000000000000000000000000000"]}
矿池向矿机下发 job{"id":null,"method":"mining.notify","params":["a8be81b7","65634bac6f4d59fdc355008824b45e8e0ecdc0879e00dfbbc4989099a5beb674",2156,"d2f7dc7dcffdcc03a129783d12332b0b02d0453604290f41869ff41bf9c95cef",true]}
矿机向矿池提交 share{"id":0,"method":"mining.submit","params":["ckb1qyqznmjpc30dw337h20l9ukkmlrfkhycgtes0p7lll.bob","a8be81b7","000000000000000000967385"]}矿池给矿机回复，确认 share 有效{"id":0,"result":true,"error":null}

Stratum (V2) 相关

其他 PoW 链的挖矿和矿池软件都是 BTC 修改而来的，所以 BTC 没有迁移到 Stratum V2 之前，其他的链几乎不可能迁移。

不过 CKB 有一个跟 Stratum v2 中 templateProvider 概念类似的机制，节点可以通过 notify 主动通知矿池有新的候选块。虽然没有 templateProvider 那么细化，但是相比于 pull 的方式已经方便很多

fi5pool 项目简介

我们团队专注于发展 Nervos 生态，涵盖挖矿、DePIN 硬件、实物销售等多个领域。

挖矿业务原来都是连接大矿池的，后来想 solo mining，搜寻一圈后发现没有现成的解决方案。抱着自用加为社区做贡献的想法，开启了 fi5pool 项目。

一开始我们只找到开源的 btcpool 项目，该项目已经废弃很多年了。但是之前的 grants 项目为其增加了对 CKB 的支持，只不过支持的是非常老的 CKB 版本。

我们先尝试了对其进行修复，经过一些修改之后，勉强能跑起来，但是有非常多的报错，稳定性也比较差，如果要完全修复并长期维护还需要非常大的工作量。

然后我们开始静下心来梳理自己的目标。我们并不想做一个完善的商业矿池，需要的工作量很大，而且竞争非常激烈；也不想做一个多币矿池（btcpool 支持很多种币），能填补 CKB 社区在这方面的空白就好。

最终，fi5pool 的目标定为简单的 CKB solo minning 矿池：

仅支持 CKB
仅支持 solo mining，没有分账和前端页面
深入 CKB 的特性，拓展自定义挖矿策略和 MEV（miner extractable value）的获取能力

这个目标可以减少项目复杂度，并避免与现有的商业化矿池竞争，使项目更加聚焦和易于长期维持。

代码非常精简，易于维护。
单个可行性文件，且没有持久化状态。
占用资源非常少，可以部署在 mini 主机上。

CKB 社区有了简单的 solo mining 解决方案后，有如下好处：

矿工可以获得全部挖矿奖励：没有第三方抽成。
自主性更强：矿工可以完全控制自己的挖矿策略。
隐私保护：无需公开个人信息，确保高度的隐私安全。
去中心化：有助于提升整个区块链网络的安全性和分散度。

目前 fi5pool 项目开发已经接近尾声，正在进行测试，后续会开源出来，敬请大家关注我们的 GitHub：

https://github.com/fi5box

目前已经开源出一个挖矿统计工具，可以统计全网的出块，算力，以及各个矿工的信息，比如：

$ ckb-miner-stat history -d 20250104show history info for date: 2025-01-04shape: (8, 6)┌───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┬───────┬───────────────┬─────────────┬───────────┬────────────────┐│ Miner                                                                                             ┆ Count ┆ User_Reward   ┆ Total_Count ┆ Percent   ┆ User_Hash_Rate ││ ---                                                                                               ┆ ---   ┆ ---           ┆ ---         ┆ ---       ┆ ---            ││ str                                                                                               ┆ u32   ┆ f64           ┆ u32         ┆ f64       ┆ f64            │╞═══════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════════╪═══════╪═══════════════╪═════════════╪═══════════╪════════════════╡│ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsqv8cuf7vzh62m9gwyv59lzha9nx6ar5d9qqkp5em ┆ 41    ┆ 25961.235496  ┆ 9600        ┆ 0.427083  ┆ 1.9077e12      ││ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsqt3vn6g67jm7g5czehcmqdcr6jwjz8pdtg59p03h ┆ 125   ┆ 78593.945498  ┆ 9600        ┆ 1.302083  ┆ 5.8163e12      ││ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsqvzz8cmjw9pqlx48d3s9nr49fhu89jk8rgycece5 ┆ 149   ┆ 93822.130516  ┆ 9600        ┆ 1.552083  ┆ 6.9330e12      ││ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsq0dn8gg6ag6uvkl0lr0xpyt0n99dsal47sm7mzyj ┆ 801   ┆ 505831.745397 ┆ 9600        ┆ 8.34375   ┆ 3.7271e13      ││ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsq22xdj8q4jdql98qkdhnqzgrsk4nqyavdcratvu9 ┆ 813   ┆ 514374.496015 ┆ 9600        ┆ 8.46875   ┆ 3.7829e13      ││ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsq0259kv0x5jez6h0l5qr52k64weapapgyscsnmhn ┆ 1249  ┆ 790547.790185 ┆ 9600        ┆ 13.010417 ┆ 5.8116e13      ││ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsqvgqh40v2g5ps3rann79tvw9gq6ewrft7gp909qk ┆ 2390  ┆ 1.5094e6      ┆ 9600        ┆ 24.895833 ┆ 1.1121e14      ││ ckb1qzda0cr08m85hc8jlnfp3zer7xulejywt49kt2rr0vthywaa50xwsq0tpsqq08mkay9ewrfrdwlcghv62qw704s93hhsj ┆ 4032  ┆ 2.5470e6      ┆ 9600        ┆ 42.0      ┆ 1.8761e14      │└───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┴───────┴───────────────┴─────────────┴───────────┴────────────────┘

这个工具可以和 fi5pool 配套使用，因为 fi5pool 没有前端页面，矿工可以通过这个统计工具查看自己的出块，收益，占比和有效算力。

[hold 住]

END

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