挖矿是作算法运算的过程，从计算机和代码的角度来说，是反复执行Hash函数并检测执行结果的具体过程。与讨论算法一样，挖矿也是在采用POW共识机制前提下讨论。大家已经非常清楚挖矿是由最开始的CPU挖矿，过度到GPU挖矿，最终演化到当前的ASIC(专业矿机)挖矿时代，本篇解析其中的逻辑设计和技术实现。
挖矿的演进是硬件的演进过程，同时也是软件的演进过程，尤其是软硬件对接协议的改进过程，因此本文直接将与挖矿有关的几个核心协议作为小标题，一步步深入讨论。
在复查文章时我发现“矿工”一词用的比较模糊，这种情况在英文文献也差不多，日常交流中一般指拥有挖矿机器的人，本篇着眼于区块链，挖矿的程序或者机器都统称矿工(Miner)。
MINING
本小节讨论挖矿原理，首先解析比特币区块头(Blockheader)结构，我们说挖矿本质是执行Hash函数的过程，而Hash函数是一个单输入单输出函数，输入数据就是这个区块头。比特币区块头共6个字段：
int32_t nVersion; //版本号，4字节
uint256 hashPrevBlock; //前一个区块的区块头hash值，32字节
uint256 hashMerkleRoot; //包含进本区块的所有交易构造的Merkle树根，32字节
uint32_t nTime; //Unix时间戳，4字节
uint32_t nBits; //记录本区块难度，4字节
uint32_t nNonce; //随机数，4字节
如上，比特币每一次挖矿就是对这80个字节连续进行两次SHA256运算(SHA256D)，运算结果是固定的32字节(二进制256位)。
以上6个字段情况又各不相同，
nVersion，区块版本号，只有在升级时候才会改变。
hashPrevBlock，由前一个区块决定。
nBits，由全网决定，每2016个区块重新调整，调整算法固定。
因此以上3个字段可以理解为是固定的，对于每个矿工来说都一样。矿工可以自由调整的地方是剩下的3个字段，
nNonce，提供2^32种可能取值
nTime，其实本字段能提供的值空间非常有限，因为合理的区块时间有一个范围，这个范围是根据前一个区块时间来定，比前一个区块时间太早或者太超前都会被其他节点拒绝。值得一提的是，后一个区块的区块时间略早于前一个区块时间，这是允许的。一般来说，矿工会直接使用机器当前时间戳。
hashMerkleRoot，理论上提供2^256种可能，本字段的变化来自于对包含进区块的交易进行增删，或改变顺序，或者修改Coinbase交易的输入字段。
根据Hash函数特性，这3个字段中哪怕其中任意1个位的变化，都会导致Hash运行结果巨大变化。在CPU挖矿时代，搜索空间主要由nNonce提供，进入矿机时代，nNonce提供的4个字节已经远远不够，搜索空间转向hashMerkleRoot。
比特币挖矿的逻辑过程如下：
1. 打包交易，检索待确认交易内存池，选择包含进区块的交易。矿工可以任意选择，甚至可以不选择(挖空块)，因为每一个区块有容量限制(当前是1M)，所以矿工也不能无限选择。对于矿工来说，最合理的策略是首先根据手续费对待确认交易集进行排序，然后由高到低尽量纳入最多的交易。
2. 构造Coinbase，确定了包含进区块的交易集后，就可以统计本区块手续费总额，结合产出规则，矿工可以计算自己本区块的收益。
3. 构造hashMerkleRoot，对所有交易构造Merkle数。
4. 填充其他字段，获得完整区块头。
5. Hash运算，对区块头进行SHA256D运算。
6. 验证结果，如果符合难度，则广播到全网，挖下一个块;不符合难度则根据一定策略改变以上某个字段后再进行Hash运算并验证。
合格的区块条件如下：
SHA256D(Blockherder) < F(nBits)
其中，SHA256D(Blockherder)就是挖矿结果，F(nBits)是难度对应的目标值，两者都是256位，都当成大整数处理，直接对比大小以判断是否符合难度要求。
为了节约区块链存储空间，将256位的目标值通过一定变换无损压缩保存在32位的nBits字段里。具体变换方法为拆分利用nBits的4个字节，第1个字节代表右移的位数，用V1表示，后3个字节记录值，用V3表示，则有：
此外难度有最低限制，也就是说 有个最大值，比特币最低难度取值nBits=0x1d00ffff，对应的最大目标值为：0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000
因此挖矿可以形象的类比抛硬币，好比有256枚硬币，给定编号1,2,3…256，每进行一次Hash运算，就像抛一次硬币，256枚硬币同时抛出，落地后要求编号前n的所有硬币全部正面向上。
SETGENERATE
Setgenerate协议接口代表了CPU挖矿时代。
中本聪在论文里描述了“1 CPU 1 Vote”的理想数字民主理念，在最初版本客户端就附带了挖矿功能，客户端挖矿非常简单，当然，需要同步数据结束才可以挖矿。现在有很多算力很低的山寨币还是直接使用客户端挖矿，有两种方式可以启动挖矿：
1) 在配置文件设置gen=1，然后启动客户端，节点将自行启动挖矿。
2) 客户端启动后，利用RPC接口setgenerate控制挖矿。
如果使用经典QT客户端，点击“帮助”菜单，打开“调试窗口”，在“控制台”输入如下命令：setgenerate true 2，然后回车，客户端就开始挖矿，后面的数字代表挖矿线程数，如果想关闭挖矿，在控制台使用如下命令：setgenerate false，可以使用getmininginfo命令查看挖矿情况。
节点挖矿过程也非常简单：
构造区块，初始化区块头各个字段，计算Hash并验证区块，不合格则nNonce自增，再计算并验证，如此往复。在CPU挖矿时代，nNonce提供的4字节搜索空间完全够用(4字节即4G种可能，单核CPU运算SHA256D算力一般是2M左右)，其实nNonce只遍历完两个字节就返回去重构块。
GETWORK
getwork协议代表了GPU挖矿时代，需求主要源于挖矿程序与节点客户端分离，区块链数据与挖矿部件分离。
使用客户端节点直接挖矿，需要同步完整区块链，数据和程序紧密结合，也就是说，如果有多台电脑进行挖矿，需要每台电脑都单独同步一份区块链数据。这其实没有必要，对于矿工来说，最少只需要一个完整节点就可以。而以此同时，GPU挖矿时代的到来，也需要一个协议与客户端节点交互。
getwork核心设计思路是：
由节点客户端构造区块，然后将区块头数据交给外部挖矿程序，挖矿程序遍历nNonce进行挖矿，验证合格后交付回给节点客户端，节点客户端验证合格后广播到全网。
如前所述，区块头共80个字节，由于没有区块链数据和待确认交易池，nVersion，hashPrevBlock，nBits和hashMerkleRoot这4个字段共72个字节必须由节点客户端提供。挖矿程序主要是递增遍历nNonce，必要时候可以微调nTime字段。
对于显卡GPU来说，其实不用担心nNonce的4字节搜索空间不足，而且挖矿程序从节点客户端那里拿到一份数据后，不应该埋头工作太久，不然很有可能这个块已经被其他人挖到，继续挖只能做无用功，对于比特币来说，虽然设计为每10分钟一个区块，良好的策略也应该在秒级内重新向节点申请新的挖矿数据。对于显卡来说，运行SHA256D算力一般介于200M~1G，nNonce提供4G搜索空间，也就是说再好的显卡也能支撑4秒左右，调整一次nTime，又可以再挖4秒，这个时间绰绰有余。
节点提供RPC接口getwork，该接口有一个可选参数，如果不带参数，就是申请挖矿数据，如果带一个参数，就是提交挖到的块数据。
不带参数调用getwork，返回数据如下：
{
“midstate” : “9226a024e0b77f61d49fd5ffdf828c6b5c4330c61ea2778c606a8e49d4ad8bd6”,
“data” :”00000002e9337bac28ee28a949d2140f9fb0a0ab740acfd739d7bcf67ca31c2301db858ad2ca54d92c8c1cded715922c4df2b07d9f10fa1a6cf3db7e949b320615761ed4581c76f21b12d87500000000000000800000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000080020000”,
“hash1“:”00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000008000000000000000000000000000000000000000000000000000010000”,
“target” : “00000000000000000000000000000000000000000000000075d8120000000000”
}
Data字段
共128字节(80区块头字节 + 48补全字节)，因为SHA256将输入数据切分成固定长度的分片处理，每个切片64字节，输入总长度必须是64字节的整数倍，输入长度一般不符合要求，则根据一定规则在元数据末端补全数据。其实对于挖矿来说，补全数据是固定不变的，这里没必要提供，外部挖矿软件可以自行补齐。甚至连nNonce字段都不需要提供，data最少只需要提供前面的76字节就够了。nTime字段也是必不可少的，外部挖矿程序需要参照节点提供的区块时间来调节nTime。
Target字段
即当前区块难度目标值，采用小头字节序，需要翻转才能使用。
其实对于外部挖矿程序来说，有data 和 target这两个字段就可以正常挖矿了，不过getwork协议充分考虑各种情况，尽量帮助外部挖矿程序做力所能及的事，提供了两个额外字段，data字段返回完整补全数据也是出于此理念。
Midstate字段
如上所述，SHA256对输入数据分片处理，矿工拿到data数据后，第一个分片(头64字节)是固定不变的，midstate就是第一个分片的计算结果，节点帮忙计算出来了。
因此，在midstate字段辅助下，外部挖矿程序甚至只需要44字节数据就可以正常挖矿：32字节midstate + 第一个切片余下的12(76-64)字节数据。
Hash1字段
比特币挖矿每次都需要连续执行两次SHA256，第一次执行结果32字节，需要再补充32字节数据凑足64字节作为第二次执行SHA256的输入。hash1就是补全数据，同理，hash1也是固定不变的。
外部挖矿程序挖到合格区块后再次调用getwork接口将修改过的data字段提交给节点客户端。节点客户端要求返回的数据也必须是128字节。
每次有外部无参调用一次getwork时，节点客户端构造一个新区块，在返回数据前，都要把新区块完整保存在内存，并用hashMerkleRoot作为唯一标识符，节点使用一个Map来存放所有构造的区块，当下一个块已经被其他人挖到时，立即清空Map。
getwork收到一个参数后，首先从参数提取hashMerkleRoot，在Map中找出之前保存的区块，接着从参数中提取nNonce和nTime填充到区块的对应字段，就可以验证区块了，如果难度符合要求，说明挖到了一个块，节点将其广播到全网。
getwork协议是最早版本挖矿协议，实现了节点和挖矿分离，经典的GPU挖矿驱动cgminer和sgminer，以及cpuminer都是使用getwork协议进行挖矿。getwork + cgminer一直是非常经典的配合，曾经很多新算法推出时，都快速被移植到cgminer。即便现在，除了BTC和LTC，其他众多竞争币都还在使用getwork协议进行挖矿。矿机出现之后，挖矿速度得到极大提高，当前比特币矿机算力已经达到10T/秒级别。而getwork只给外部挖矿程序提供32字节共4G的搜索空间，如果继续使用getwork协议，矿机需要频繁调用RPC接口，这显然不可行。如今BTC和LTC节点都已经禁用getwork协议，转向更新更高效的getblocktemplate协议。
GETBLOCKTEMPLATE
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。
getblocktemplate 在被开发出来后并非一成不变，在随后发行的各个版本客户端都有所升级改动，主要是增添一些字段，不过核心理念和核心字段不变。目前比特币客户端返回数据如下，考虑到篇幅限制，交易字段(transactions)只保留了一笔交易数据，其实根据当前实际情况，待确认交易池实时有上万笔交易，目前区块基本都是塞满的(1M容量限制)，加上额外信息，因此每次调用getblocktemplate基本都有1.5M左右返回数据，相对于getwork的几百个字节而言，不可同日而语。
来简单分析一下其中几个核心字段，
Version，Previousblockhash，Bits这三个字段分别指区块版本号，前一个区块Hash，难度，矿工可以直接将数值填充区块头对应字段。
Transactions，交易集合，不但给了每一笔交易的16进制数据，同时给了hash，交易费等信息。
Coinbaseaux，如果有想要写入区块链的信息，放在这个字段，类似中本聪的创世块宣言。
Coinbasevalue，挖下一个块的最大收益值，包括发行新币和交易手续费，如果矿工包含Transactions字段的所有交易，可以直接使用该值作为coinbase输出。
Target，区块难度目标值。
Mintime，指下一个区块时间戳最小值，Curtime指当前时间，这两个时间作为矿工调节nTime字段参考。
Height，下一个区块难度，目前协议规定要将这个值写入coinbase的指定位置。
矿工拿到这些数据之后，挖矿步骤如下：
1. 构建coinbase交易，涉及到字段包括Coinbaseaux，Coinbasevalue，Transactions，Height等，当然最重要的是要指定一个收益地址。
2. 构建hashMerkleRoot，将coinbase放在transactions字段包含的交易列表之前，然后对相邻交易两两进行SHA256D运算，最终可以构造交易的Merkle树。由于coinbase有很多字节可供矿工随意发挥，此外交易列表也可随意调换顺序或者增删，因而hashMerkleRoot值空间几乎可以认为是无限的。其实getblocktemplate协议设计的主要目标就是让矿工获得这个巨大的搜索空间。
3. 构建区块头，利用Version，Previousblockhash，Bits以及Curtime分别填充区块头对应字段，nNonce字段可默认置0。
4. 挖矿，矿工可在由nNonce，nTime，hashMerkleRoot提供的搜索空间里设计自己的挖矿策略。
5. 上交数据，当矿工挖到一个块后当立即使用submitblock接口将区块完整数据提交给节点客户端，由节点客户端验证并广播。
需要注意的是，与上文提到的GPU采用getwork挖矿一样，虽然getblocktemplate给矿工提供了巨大搜索空间，但矿工不应对一份请求数据挖矿太久，而应循环适时向节点索要最新区块和最新交易信息，以提高挖矿收益。
POOL
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。
矿池一直都是一个矛盾的存在，毫无疑问，矿池是中心化的，如上图所示，全网算力集中在几个矿池手里，网络虽然几千个节点同时在线，但只有矿池链接的几个点击拥有投票权，其他节点都只能行使监督权。矿池再一次将矿工至于“黑暗”之中，矿工对于区块链再次变得一无所知，他们只知道完成矿池分配的任务。
关于矿池，还有一个小插曲，在矿池刚出现时，反对声特别强烈，很多人悲观的认为矿池最终会导致算力集中，危及系统安全，甚至置比特币于死地。于是有人设计并实现了P2P矿池，力图将“抱团挖矿”去中心化，代码也都是开源的，但由于效率远不如中心化的矿池没能吸引太多算力，所谓理想很丰满，现实很骨感。
推荐几个比较成熟的开源矿池项目，有兴趣的读者可自行研究：
u PHP-MPOS，早期非常经典的矿池，很稳定，被使用最多，尤其山寨币矿池，后端使用Stratum Ming协议，源码地址https://github.com/MPOS/php-mpos
u node-open-mining-portal，支持多币种挖矿，源码地址https://github.com/zone117x/node-open-mining-portal
u Powerpool，支持混合挖矿，源码地址https://github.com/sigwo/powerpool
运行一个矿池需要考虑的问题很多，比如为了得到最及时的全网信息，矿池一般对接几个网络节点，而且最好分布在地球的几大洲。另外提高出块率，降低孤块率，降低空块率等都是矿池的核心技术问题，本文不能一一展开讨论，接下来只详细讨论一个问题，即矿池与矿工的具体配合工作方式——stratum协议。
STRATUM
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
{“id”: 1, “method”: “mining.subscribe”, “params”: []}n //申请链接
{“id”: 1, “result”: [ [ ["mining.set_difficulty", "b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52"], ["mining.notify", "ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f"]], “08000002″, 4], “error”: null}n //返回数据
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：
u b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52：给矿工指定初始难度，
u ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f：订阅号ID
u 08000002：学名Extranonce1 ，用于构造coinbase交易
u 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。
{“params”: ["slush.miner1", "password"], “id”: 2, “method”: “mining.authorize”}n
{“error”: null, “id”: 2, “result”: true}n
3. 矿池分配任务
{“params”: ["bf", "4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000",
"01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008",
"072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000", ["76cffd68bba7ea661512b68ec6414438191b08aaeaec23608de26ac87820cbd02016","e5a796c0b88fe695949a3e7b0b7b1948a327b2f28c5dbe8f36f0a18f96b2ffef2016"],
“00000002”, “1c2ac4af”, “504e86b9”, false], “id”: null, “method”: “mining.notify”}
以上每个字段信息都是必不可少，其中：
u bf：任务号ID，每一次任务都有唯一标识符
u 4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000：前一个区块hash值，hashPrevBlock
u 01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008：学名coinb1 ，构造coinbase的第一部分序列数据
u 072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000：学名coinb2 ，构造coinbase的第二部分序列数据，
u ["76cffd68bba7ea661512b68ec6414438191b08aaeaec23608de26ac87820cbd02016","e5a796c0b88fe695949a3e7b0b7b1948a327b2f28c5dbe8f36f0a18f96b2ffef2016"]:学名merkle_branch，交易列表的压缩表示方式，即上图的黑点
u 00000002：区块版本号，nVersion
u 1c2ac4af：区块难度nBits
u 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：
Coinbase=Coinb1 + Extranonce1 + Extranonce2 + Coinb2
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：
{“params”: ["slush.miner1", "bf", "00000001", "504e86ed", "b2957c02"], “id”: 4, “method”: “mining.submit”}
{“error”: null, “id”: 4, “result”: true}
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。
{ “id”: null, “method”: “mining.set_difficulty”, “params”: [2]}
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。
AUXPOW
在挖矿的发展历史上，还出现了一个天马行空的事情，即混合挖矿(Merge Mining)。域名币(Namecoin)最先使用混合挖矿模式，挂靠在比特币链条上，矿工挖比特币时，可以同时挖域名币，后来狗狗币(Dogecoin)也支持混合挖矿，挂靠在莱特币(Litecoin)链条上。混合挖矿使用Auxiliary Proof-of-Work (AuxPOW)协议实现，虽然混合挖矿不怎么流行，但是协议设计的很精巧，最初看到协议时我不禁感叹社区的力量之伟大，这种都能想出来。
以域名币的混合挖矿举例，比特币作为父链(Parent Blockchain)，域名币作为辅链(Auxiliary Blockchain)，AuxPOW协议的实现无需改动父链(比特币当然不会为了域名币做任何改动)，但辅链需要做针对性设计，比如狗狗币改为支持混合挖矿时就进行了硬分叉。
AuxPOW的实现得益于比特币Coinbase的输入字段，中本聪当初不知有意无意，在此处只规定了长度限制，留了一片未定义区域。这片区域后来对比特币的发展产生深远影响，很多升级和优化都盯上这片区域，比如上文讲的Stratum协议。中本聪类似的有意无意情况还有很多，比如交易的nSequence字段，也是因为没有明确定义，被黑客盯上引发的“延展性”问题成了“门头沟”倒闭的替罪羊。再比如说nNonce，如果一开始定义的字节大一些，你比方说32字节，挖矿的演进就不需要以上讨论的那么多协议。
AuxPOW协议核心理念不同的地方在于：
对于经典的POW区块，规定只有难度符合要求才算一个合格的区块，AuxPOW协议对区块难度没有要求，但附加两个条件：
1. 辅链区块的hash值必须内置于父链区块的Coinbase里。
2. 该父链区块的难度必须符合辅链的难度要求。
将辅链区块的hash值内置于父链的Coinbase，其实是利用父链作存在证明。这样就可以实现间接依靠父链的算力来维护辅链安全。一般来说，父链的算力比辅链大，因而满足父链难度要求的区块一定同时满足辅链难度要求，反之则不成立。这样一来，很多本来在父链达不到难度要求的区块，却达到辅链难度要求，矿工g=广播到辅链网络，在辅链获得收益，何乐而不为。
AuxPOW协议对两条链都有一些数据结构方面的规定，对于父链，要求必须在区块的coinbase的scriptSig字段中插入如下格式的44字节数据：
对于辅链，对原区块结构改动比较大，在nNonce字段和txn_count之间插入了5个字段，这种区块取名AuxPOW区块。
混合挖矿要求父链和辅链的算法一致，是否支持混合挖矿是矿池的决定，矿工不知道是否在混合挖矿。矿池如果支持混合挖矿，需要对接所有辅链的节点。
将辅链区块hash值内置在父链的Coinbase，意味着矿工在构造父链Coinbase之前，必先构造辅链的AuxPOW 区块并计算hash值。如果只挖一条辅链，情况较为简单，如果同时挖多条辅链，则先对所有辅链在挖区块构造Merkleroot。矿池可以将特定的44字节信息内置于上文Stratum协议中提到的Coinb1中，交给矿工挖矿。对矿工返回的shares重构父链区块和所有辅链区块，并检测难度，如果符合辅链难度要求，则将整个AuxPOW区块广播到辅链。
辅链节点验证AuxPOW区块逻辑过程如下：
1. 依靠父链区块头(parent_block)和区块Hash值(block_hash，本字段其实没必要，因为节点可以自行计算)，验证父链区块头是否符合辅链难度要求。
2. 依靠Coinbase交易(coinbase_txn)、其所在的分支(coinbase_branch)以及父链区块头(parent_block)，验证Coinbase交易是否真的被包含在父链区块中。
3. 依靠辅链分支(blockchain_branch)，以及Coinbase中放Hash值的地方(aux_block_hash)，验证辅链区块Hash是否内置于父链区块的Coinbase交易中。
通过以上3点验证，则视为合格的辅链区块。
CONCLUSION
中本聪最初设计比特币时希望所有节点都采用CPU挖矿，一般认为只有这样才能充分保证区块链的去中心化特征，比特币在CPU时代安全度过了萌芽阶段。getwork和cgminer将挖矿带入GPU时代，国内显卡曾经一度脱销，全网算力迅速提升了一个档次，CPU挖矿惨遭淘汰。随着越来越多人参与挖矿，全网算力不断上升，催生了抱团挖矿(矿池)。然而GPU时代的繁荣历史也没能持续多久就被getblocktemplate，stratum以及矿机带入了ASIC时代。
getwork实现了数据与挖矿分离，getblocktemplate给外部挖矿程序提供了最大自由度，彻底解决了外部挖矿程序与节点交互的可扩展性问题(scalability problems)，主要用于矿池与网络节点对接。stratum不但解决了搜索空间不足的问题，同时也解决了矿池与矿机交互数据量大的问题。getblocktemplate和stratum这两个协议使大型矿池，大规模矿场，大算力矿机成为可能，从此挖矿产业进入一个全新阶段，此后挖矿的演进主要集中于几个方向：矿池的设计优化与稳定运行，矿场的科学部署，以及矿机工艺升级，提升算力，降低功耗等。
作者：周邺飞-币创网技术副总裁、区块链技术专家、DACA区块链协会讲师。
