小明學習筆記 | 一文看懂礦池是幹嘛的
編者按：本文來自36氪戰略合作區塊鏈媒體 “Odaily星球日報 ”（公眾號ID：o-daily， APP下載 ）。
編者按：區塊鏈涉及到的技術很多，從網際網路底層到不明覺厲的密碼學，可是往往關注幣價者多而研究技術的人少。牛市的時候，大家為了炒幣也會努力學習，熊市的時候，反正也沒啥事，我覺得可以更加努力學習。作為一個文科生，我當然會有很多理科生看起來覺得很白痴的問題。作為一個記者，我不難找到業內懂的人用人話給我解釋，而且他們往往不會當面嫌棄我。
這是小明學習筆記第六期，如果有其他有趣問題，歡迎投稿和提問。
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回顧過往，小明學習筆記已經從周更變成月更，這一篇距離上一篇可以說是季更了。由於我現在的工作主要是編輯了，所以一般是帶著記者出去採訪和寫稿，很少自己單獨寫稿，所以學習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 的核心開發者謝銳，同時他也是 xDAG 官方挖礦軟體的設計者，年前給我科普了很多這方面的知識。
我最早了解這個行業是在2017 年採訪 ViaBTC微位元，當時楊海坡總結，礦池就像礦工的聯盟，把大家聚起來挖礦。這個確實已經是礦池非常本質而且通俗的解釋。
我們都知道，隨著比特幣而誕生的 PoW 共識機制，其挖礦的過程本質就是在做隨機數碰撞，誰猜中者這個隨機數誰就可以獲得記賬權、成為這輪的出塊人。因為是亂猜，所以單位時間內猜的次數越多，猜中的概率就越大。
隨著專業礦機等裝置出現，比特幣、萊特幣等幣種全網挖礦算力增加，大部分的礦工靠自己solo挖礦已經很難挖到幣，礦池應運而生。礦池就像一個聯盟，把這些零散的礦工甚至是礦場集合起來一起挖礦，按算力佔比給礦工收益， 這樣既可以增加挖到幣的概率、也可以穩定礦工的收入 ，同時礦池提供的技術也有利於降低挖礦效率。
礦池究竟把什麼任務給到礦工？
神魚也曾經總結，礦池其實就是在分派任務給大家算。不過，我想知道得更細節，就是礦工們究竟在算什麼？礦池又是怎麼分配任務的呢？
《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：“礦池將區塊難度分成很多難度更小的任務下發給礦工計算，礦工完成一個任務後將結果提交給礦池，叫提交一個 share。假設全網難度要求 n 的值為 100，即前 100 個位元位為 0，礦池可能會給礦工分配一個任務，要求前 30 位為 0，然後再從所有提交的任務中，尋找有沒有湊巧前 100 位為 0 的目標值。”
謝銳告訴我，理論上，礦池給礦工分配任務的方式可以有兩種：
第一種，礦池只是一個節點，打包交易的還是礦工。礦池會把任務的完整資訊給到到礦工，礦工打包交易、然後廣播。礦工知道完整資訊，但是需要填的東西比較多，簽名也是礦工籤的。
第二種礦池節點直接打包，給到礦工的是結果的中間狀態，或者說非完整資訊，礦工填完他要填的東西。塊最後的組合由礦池來做。礦工把 nounce 發給礦池，簽名是礦池。
“唯一不會變的是，你接入這個礦池的資料同步方式。”
看完上面兩種方式，顯然大部分商業運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數，下面還會解釋。
根據《精通比特幣》一書，挖礦的目標是找到一個使區塊頭雜湊值小於難度目標的 nonce。前提是選取的交易已經確定，說到這裡，我們就需要來學習一下比特幣的區塊頭結構。
在區塊頭裡面，基本上挖礦節點能改變的東西就兩個：交易和 nounce。既然挖礦的目標是讓區塊頭雜湊值小於目標，整個步驟基本上是：決定你要打包的交易並形成對應 merkle tree 根——亂猜一個 nounce —— 把 nounce 放到區塊頭裡面雜湊一下——才知道有沒有小於目標雜湊值，即大於目標難度。
So，基本上你所選的交易和 nounce，都無助於你“預知”最後的雜湊值大小（nounce 值大，區塊頭雜湊不一定就變大變小），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裡面猜更多次，這就是礦機在做的事情——把自己所有的精力都集中起來做一件事。
再說說礦機的抗 AISC 屬性
說到礦機，我問真的存在抗 ASIC 的演算法嗎？ 謝銳總體認為本質上沒有抗 ASIC，不過不同的演算法會讓製造 ASIC 礦機的成本更高。
任何 PoW 幣種都會有一套挖礦演算法/軟體，ASIC 晶片就是把這個軟體燒成電路。最早的晶片都是專用的，比如收音機的晶片只能做收音機的東西。FPGA(Field Programmable Gate Array) 則是可程式設計陣列，在矽晶片上施加電壓，一個與門就可以變成非門。這類晶片應用範圍更廣，首先上頭成本比ASIC高；而且為了做得更通用，還是有冗餘，沒有 ASIC 高效。所以現在大家會在電腦上設計、在FPGA上設計，然後燒 ASIC。如此類推，GPU 甚至 CPU 能做的計算型別就更多了。如果想知道 FPGA 具體為什麼比 CPU 和 GPU 更高效，可以參考 這篇文章 。
為什麼會有冗餘？舉個假設性的例子（不準確但有助理解），比如 5+5 ，FPGA 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星球日報採訪時說過一句話：在計算機領域，靈活性/通用和高效往往是衝突的。
“ASIC 最強的就是平行計算 ，FPGA稍微差一點。其實本質上沒有抗ASIC，只能讓它反推的每一步更難，比如要求把東西放在記憶體裡算，比如需要算方差，需要把每個資料都放進記憶體，GPU 到 FPGA 到 ASIC，（ASIC）需要的視訊記憶體晶片可能是 GPU 的 100 倍。（要不要研發某個幣種的 AISIC 礦機）只看成本和收益。”通俗來說，可以理解為研發一臺挖以太坊的 ASIC 礦機比研發比特幣 ASIC 礦機更難，而且同樣時間下研發出來的晶片，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，效果划不來。
類似的分析也可在公開資料看到，比如耳朵財經的這段話：
“Ethereum使用了Ethash演算法，前身為Dagger演算法（Vitailk發明），其目的是為了抵制ASIC礦機。如何抵制ASIC礦機呢？通過將挖礦和記憶體頻寬相捆綁，即降低其他硬體的運算優勢，從而達到挖礦裝置平等這一理念。
Ethash演算法沒有阻擋ASIC礦機的出現，只是拖延了出現的時間。
繫結記憶體頻寬意味著可以通過提高記憶體頻寬速度來提高算力，或者在相同記憶體頻寬速度下降低功耗，只不過目前記憶體頻寬價格過高以及ETH價格過低，從成本上考慮，ASIC礦機相較GPU來得不夠划算。
Litecoin使用的是密碼學家兼程式設計師Colin Percival於2009年發表的論文Stronger Key Derivation via Sequential Memory-hard Functions上所發明的scrypt演算法。原理和Ethash較為相似，都是提高挖礦時記憶體的使用成本，延緩ASIC礦機的出現。
2014年，Zeusminer研發出了專門針對scrypt演算法的ASIC礦機。這也說明通過繫結某一硬體（如記憶體）從而抬高挖取的使用成本是沒有辦法完全杜絕ASIC礦機。”
現在大部分號稱抗 ASIC 的挖礦演算法，都是將記憶體和計算捆綁。
以太中文網 還整理了一下不同 PoW 演算法部署 ASIC 之後挖礦效率增長倍數：
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
最後簡單提下礦池的收益分配模式，其實這個已經有很多文章解釋過。礦池的分配模式大類有兩種：
第一種是實際出塊情況分幣：時間週期內，礦池挖到多少塊，就按照算力比例分配所得挖礦收益（一般不包括手續費）。
這種方式的時間週期一般按挖出塊的時間為止，即兩次挖到塊的時間之內的算力分佈比例分配收益；也可以每天結算，如果你所在的礦池爆了好幾個塊，當天的收益就很高，如果礦池一天都沒有挖到什麼塊，那麼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：時間週期內（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，相比上一種穩定。
借用這篇文章裡的一個例子 ：假如在某 10 分鐘，你為某礦池提供了 1 T 算力，當時該礦池算力共為 100 T，全網算力 1000 T，比特幣網路平均每 10 分鐘出一個塊，出塊獎勵為 12.5 個 BTC，礦池佔全網總算力的十分之一，礦池收益期望值為 1.25 個 BTC，你的算力佔礦池算力的百分之一，無論礦池是否挖到區塊，你的收益都是理論收益 1.25 BTC。這種稱為 PPS(Pay Per Share)。由於 PPS 模式下，礦池承擔風險，所以費用的比率會更高。
行文至此礦池的基本知識科普得差不多了。突然想起最近（我是在年前採訪的……）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麼要挖空塊，得到的回答是省時間：“挖空塊的好處，不用同步資料，也不用下載，而且上傳更快，（不過短時間內）出塊太多會提升難度。”
想知道得更詳細，可以參考 《科普入門 | 空塊是什麼？為什麼礦工要挖空塊？ 》 這篇文章：
“挖空塊技術唯一的優勢就在於，因為空塊只有一條資訊，空塊礦工省去了‘打包’大量資訊的時間。這使得空塊礦工挖完這個區塊，直接就可以開始下一個區塊的挖礦。
如果是大礦場甚至礦池級別的硬體，這一操作說起來只是節省了幾秒鐘的時間，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誇張啊。
一般情況下，礦池是不喜歡挖到空塊的。畢竟節省那點時間，也值不到收益的 6%~8% 啊。
最後就是區塊鏈網路維護的問題了，如果大量的區塊變成空塊的話，需要傳遞的資訊流通不了，也會造成區塊鏈網路的大堵塞，堵塞帶來的區塊鏈網路效能下降是有可能降低數字貨幣價格的。
目前以太坊的空塊率變高，可能是和即將到來的挖礦收益降低有關的，想著趁一個區塊還獎勵三個以太坊趕緊多挖點屯著。”
我是Odaily星球日報編輯盧曉明，探索真實區塊鏈，爆料、交流請加lohiuming，煩請備註姓名、單位、職務和事由。
之前第一期學習的是虛擬機器（ 《小明學習筆記 | 一文看懂區塊鏈跨鏈機制》 ），第二期是跨鏈（ 《小明學習筆記 | 一文看懂區塊鏈虛擬機器》 ），第三期 《小明學習筆記 | 一文看懂網際網路TCP/IP協議》 ，第四期是《 小明學習筆記 | 一文看懂可驗證隨機函式VRF 》，第五期是《 小明學習筆記 | 看不懂 BCH 算力大戰怎麼才結束？點這裡 》
參考文章：
FPGA與CPU、GPU、ASIC的區別，FPGA在雲端計算中的應用方案