編者按：區(qū)塊鏈涉及到的技術(shù)很多，從互聯(lián)網(wǎng)底層到不明覺厲的密碼學(xué)，可是往往關(guān)注幣價者多而研究技術(shù)的人少。牛市的時候，大家為了炒幣也會努力學(xué)習(xí)，熊市的時候，反正也沒啥事，我覺得可以更加努力學(xué)習(xí)。作為一個文科生，我當(dāng)然會有很多理科生看起來覺得很白癡的問題。作為一個記者，我不難找到業(yè)內(nèi)懂的人用人話給我解釋，而且他們往往不會當(dāng)面嫌棄我。
這是小明學(xué)習(xí)筆記第六期，如果有其他有趣問題，歡迎投稿和提問。
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回顧過往，小明學(xué)習(xí)筆記已經(jīng)從周更變成月更，這一篇距離上一篇可以說是季更了。由于我現(xiàn)在的工作主要是編輯了，所以一般是帶著記者出去采訪和寫稿，很少自己單獨(dú)寫稿，所以學(xué)習(xí)筆記的更新估計也是綿綿無絕期。
這期要分享的是礦池，首先要感謝 xDAG 的核心開發(fā)者謝銳，同時他也是 xDAG 官方挖礦軟件的設(shè)計者，年前給我科普了很多這方面的知識。
我最早了解這個行業(yè)是在 2017 年采訪 ViaBTC微比特，當(dāng)時楊海坡總結(jié)，礦池就像礦工的聯(lián)盟，把大家聚起來挖礦。這個確實已經(jīng)是礦池非常本質(zhì)而且通俗的解釋。
我們都知道，隨著比特幣而誕生的 PoW 共識機(jī)制，其挖礦的過程本質(zhì)就是在做隨機(jī)數(shù)碰撞，誰猜中者這個隨機(jī)數(shù)誰就可以獲得記賬權(quán)、成為這輪的出塊人。因為是亂猜，所以單位時間內(nèi)猜的次數(shù)越多，猜中的概率就越大。
隨著專業(yè)礦機(jī)等設(shè)備出現(xiàn)，比特幣、萊特幣等幣種全網(wǎng)挖礦算力增加，大部分的礦工靠自己SOLo挖礦已經(jīng)很難挖到幣，礦池應(yīng)運(yùn)而生。礦池就像一個聯(lián)盟，把這些零散的礦工甚至是礦場集合起來一起挖礦，按算力占比給礦工收益，這樣既可以增加挖到幣的概率、也可以穩(wěn)定礦工的收入，同時礦池提供的技術(shù)也有利于降低挖礦效率。
礦池究竟把什么任務(wù)給到礦工？
神魚也曾經(jīng)總結(jié)，礦池其實就是在分派任務(wù)給大家算。不過，我想知道得更細(xì)節(jié)，就是礦工們究竟在算什么？礦池又是怎么分配任務(wù)的呢？
《淺談礦池和礦場（礦池篇）》這篇文章舉了個例子說明挖礦的過程：“礦池將區(qū)塊難度分成很多難度更小的任務(wù)下發(fā)給礦工計算，礦工完成一個任務(wù)后將結(jié)果提交給礦池，叫提交一個 share。假設(shè)全網(wǎng)難度要求 n 的值為 100，即前 100 個比特位為 0，礦池可能會給礦工分配一個任務(wù)，要求前 30 位為 0，然后再從所有提交的任務(wù)中，尋找有沒有湊巧前 100 位為 0 的目標(biāo)值。”
謝銳告訴我，理論上，礦池給礦工分配任務(wù)的方式可以有兩種：
第一種，礦池只是一個節(jié)點，打包交易的還是礦工。礦池會把任務(wù)的完整信息給到到礦工，礦工打包交易、然后廣播。礦工知道完整信息，但是需要填的東西比較多，簽名也是礦工簽的。
第二種礦池節(jié)點直接打包，給到礦工的是結(jié)果的中間狀態(tài)，或者說非完整信息，礦工填完他要填的東西。塊最后的組合由礦池來做。礦工把 nounce 發(fā)給礦池，簽名是礦池。
“唯一不會變的是，你接入這個礦池的數(shù)據(jù)同步方式。”
看完上面兩種方式，顯然大部分商業(yè)運(yùn)營礦池會選擇第二種，挖礦收益的分配就是按照簽名。如果我既是礦工也是礦池主，兩種沒有區(qū)別，大可選擇第一種。
看到上面說的 nounce 值，你大概會有點懵逼，這其實就是我們常說的 PoW 過程中要碰撞的那個隨機(jī)數(shù)，下面還會解釋。
根據(jù)《精通比特幣》一書，挖礦的目標(biāo)是找到一個使區(qū)塊頭哈希值小于難度目標(biāo)的 nonce。前提是選取的交易已經(jīng)確定，說到這里，我們就需要來學(xué)習(xí)一下比特幣的區(qū)塊頭結(jié)構(gòu)。
表格來自《精通比特幣》
在區(qū)塊頭里面，基本上挖礦節(jié)點能改變的東西就兩個：交易和 nounce。既然挖礦的目標(biāo)是讓區(qū)塊頭哈希值小于目標(biāo)，整個步驟基本上是：決定你要打包的交易并形成對應(yīng) merkle tree 根——亂猜一個 nounce —— 把 nounce 放到區(qū)塊頭里面哈希一下——才知道有沒有小于目標(biāo)哈希值，即大于目標(biāo)難度。
So，基本上你所選的交易和 nounce，都無助于你“預(yù)知”最后的哈希值大小（nounce 值大，區(qū)塊頭哈希不一定就變大變小），你每一步都只能亂猜。別人一次可能就猜中了，你猜了幾萬次都還沒有中，你唯一能做的就是比別人在同一時間里面猜更多次，這就是礦機(jī)在做的事情——把自己所有的精力都集中起來做一件事。
再說說礦機(jī)的抗 AISC 屬性
說到礦機(jī)，我問真的存在抗 ASIC 的算法嗎？ 謝銳總體認(rèn)為本質(zhì)上沒有抗 ASIC，不過不同的算法會讓制造 ASIC 礦機(jī)的成本更高。
任何 PoW 幣種都會有一套挖礦算法/軟件，ASIC 芯片就是把這個軟件燒成電路。最早的芯片都是專用的，比如收音機(jī)的芯片只能做收音機(jī)的東西。FPGA(Field Programmable Gate Array) 則是可編程陣列，在硅芯片上施加電壓，一個與門就可以變成非門。這類芯片應(yīng)用范圍更廣，首先上頭成本比ASIC高；而且為了做得更通用，還是有冗余，沒有 ASIC 高效。所以現(xiàn)在大家會在電腦上設(shè)計、在FPGA上設(shè)計，然后燒 ASIC。如此類推，GPU 甚至 CPU 能做的計算類型就更多了。如果想知道 FPGA 具體為什么比 CPU 和 GPU 更高效，可以參考這篇文章。
為什么會有冗余？舉個假設(shè)性的例子（不準(zhǔn)確但有助理解），比如 5 5 ，F(xiàn)PGA 可能沒有 5 這個概念，就要變成 1 1 1 1 1，ASIC就可以直接算 5 5。這讓我想起王嘉平接受 Odaily星球日報采訪時說過一句話：在計算機(jī)領(lǐng)域，靈活性/通用和高效往往是沖突的。
“ASIC 最強(qiáng)的就是并行計算 ，F(xiàn)PGA稍微差一點。其實本質(zhì)上沒有抗ASIC，只能讓它反推的每一步更難，比如要求把東西放在內(nèi)存里算，比如需要算方差，需要把每個數(shù)據(jù)都放進(jìn)內(nèi)存，GPU 到 FPGA 到 ASIC，（ASIC）需要的顯存芯片可能是 GPU 的 100 倍。（要不要研發(fā)某個幣種的 AISIC 礦機(jī)）只看成本和收益。”通俗來說，可以理解為研發(fā)一臺挖以太坊的 ASIC 礦機(jī)比研發(fā)比特幣 ASIC 礦機(jī)更難，而且同樣時間下研發(fā)出來的芯片，對比起普通 CPU/GPU 效果提升不明顯。比特幣可能是提升了成千上萬倍，以太可能提升了幾倍到幾十倍，效果劃不來。
類似的分析也可在公開資料看到，比如耳朵財經(jīng)的這段話：
“Ethereum使用了Ethash算法，前身為Dagger算法（Vitailk發(fā)明），其目的是為了抵制ASIC礦機(jī)。如何抵制ASIC礦機(jī)呢？通過將挖礦和內(nèi)存帶寬相捆綁，即降低其他硬件的運(yùn)算優(yōu)勢，從而達(dá)到挖礦設(shè)備平等這一理念。
Ethash算法沒有阻擋ASIC礦機(jī)的出現(xiàn)，只是拖延了出現(xiàn)的時間。
綁定內(nèi)存帶寬意味著可以通過提高內(nèi)存帶寬速度來提高算力，或者在相同內(nèi)存帶寬速度下降低功耗，只不過目前內(nèi)存帶寬價格過高以及ETH價格過低，從成本上考慮，ASIC礦機(jī)相較GPU來得不夠劃算。
Litecoin使用的是密碼學(xué)家兼程序員Colin Percival于2009年發(fā)表的論文Stronger Key Derivation via Sequential Memory-hard Functions上所發(fā)明的scrypt算法。原理和Ethash較為相似，都是提高挖礦時內(nèi)存的使用成本，延緩ASIC礦機(jī)的出現(xiàn)。
2014年，Zeusminer研發(fā)出了專門針對scrypt算法的ASIC礦機(jī)。這也說明通過綁定某一硬件（如內(nèi)存）從而抬高挖取的使用成本是沒有辦法完全杜絕ASIC礦機(jī)。”
現(xiàn)在大部分號稱抗 ASIC 的挖礦算法，都是將內(nèi)存和計算捆綁。
以太中文網(wǎng)還整理了一下不同 PoW 算法部署 ASIC 之后挖礦效率增長倍數(shù)：
SHA256 約1000倍
Scrypt和NeoScrypt 約1000倍
X11和X16R 約1000倍
Equihash 約100倍
Cuckoo Cycle 約100倍
CryptoNight 約50倍
Ethash 約2倍
礦池的收益分配模式
最后簡單提下礦池的收益分配模式，其實這個已經(jīng)有很多文章解釋過。礦池的分配模式大類有兩種：
第一種是實際出塊情況分幣：時間周期內(nèi)，礦池挖到多少塊，就按照算力比例分配所得挖礦收益。
這種方式的時間周期一般按挖出塊的時間為止，即兩次挖到塊的時間之內(nèi)的算力分布比例分配收益；也可以每天結(jié)算，如果你所在的礦池爆了好幾個塊，當(dāng)天的收益就很高，如果礦池一天都沒有挖到什么塊，那么所有人今天都沒有收益。這稱為 PPLNS（Pay Per Last N Shares）。
第二種即按理論值分幣：時間周期內(nèi)（一般是一天），理論上礦池能得到多少收益，按照算力比例給礦工分錢，相比上一種穩(wěn)定。
借用這篇文章里的一個例子：假如在某 10 分鐘，你為某礦池提供了 1 T 算力，當(dāng)時該礦池算力共為 100 T，全網(wǎng)算力 1000 T，比特幣網(wǎng)絡(luò)平均每 10 分鐘出一個塊，出塊獎勵為 12.5 個 BTC，礦池占全網(wǎng)總算力的十分之一，礦池收益期望值為 1.25 個 BTC，你的算力占礦池算力的百分之一，無論礦池是否挖到區(qū)塊，你的收益都是理論收益 1.25 BTC。這種稱為 PPS(Pay Per Share)。由于 PPS 模式下，礦池承擔(dān)風(fēng)險，所以費(fèi)用的比率會更高。
行文至此礦池的基本知識科普得差不多了。突然想起最近（我是在年前采訪的……）看文章看到以太坊的空塊率多了很多，我又順便問了一下礦池為什么要挖空塊，得到的回答是省時間：“挖空塊的好處，不用同步數(shù)據(jù)，也不用下載，而且上傳更快，（不過短時間內(nèi)）出塊太多會提升難度。”
想知道得更詳細(xì)，可以參考《科普入門 | 空塊是什么？為什么礦工要挖空塊？ 》這篇文章：
“挖空塊技術(shù)唯一的優(yōu)勢就在于，因為空塊只有一條信息，空塊礦工省去了‘打包’大量信息的時間。這使得空塊礦工挖完這個區(qū)塊，直接就可以開始下一個區(qū)塊的挖礦。
如果是大礦場甚至礦池級別的硬件，這一操作說起來只是節(jié)省了幾秒鐘的時間，不過大礦池幾秒鐘時間的算力，秒秒鐘幾百萬上下真是一點也不夸張啊。
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