技术详解ASICBoost专利门及比特币打包挖矿原理

前言：近期“ASICBoost专利门”事件轰动整个币圈，并且影响比特币的未来。整个专利技术涉及比特币打包挖矿的低层，可能较少有人能弄懂。本文在参考大量文献后，尝试以通俗易懂的方式，介绍整个挖矿技术知识。任何支持判断要基于技术进行客观判断，会比基于一些人的主观言论判断要靠谱很多。

第一篇、哈希算法HASH

　　哈希算法，又称为散列函数，是将任意长度的二进制值映射为较短的固定长度的二进制值，这个小的二进制值称为哈希值。

　　为了方便理解，大家可以想一下较熟悉的WinRAR压缩软件，无轮是只有一个原始文件，还是好几个原始文件，都可以压缩成一个RAR文件。当任何一个原始文件有任何变动时，重新压缩生成的这个RAR文件就会发生变动，而不再是之前的文件。

而哈希算法有点类似，但其处理的对象不是文件，而是字串。将任意长度原始字串“压缩”成一个字串即Hash字串。原始字串任何一点点微小的变化都会引起Hash的变化。与RAR的不同之处是，通过Hash结果是不可以“解压”还原成原始字串的。

哈希算法有很多很多种，典型的哈希算法有MD2、MD4、MD5 、 SHA-1、SHA-2、SHA-256、SHA-512、SHA-3、RIPEMD-160和SCRYPT算法（莱特币和狗狗币使用）等等。在比特币中大量采用的是SHA256算法，仅仅在从公钥生成币地址时还另外用过RIPEMD160算法，其它地方用到Hash时一般就是用SHA256算法。其特点如下图所示将任何字串转变生成256位随机的0或1。

第二篇、矿机挖矿的底层

　　其实矿机的底层到底在做什么是较好理解的，就是不断地改变原始数据，来不断地求算SHA256算法下的Hash值，当满足一定条件时成功。 

２.１满足什么样的条件时成功？

看近期的区块461,228的块哈希值实例。

000000000000000001f682adc333ebb751e63b204c8f8aa7b595e11394d5a154

前17个都是零，另外后面的数也要小于一定的数，那么才满足条件。而这些哈希值结果是随机的，能做的这么规律，只能是不断地更换原文内容不断地进行尝试，在大量的随机结果中来筛选满足难度条件的。难度并非固定的，根据全网算力挖块的情况，每挖出来2016个区块（约两周时间2016/6/24=14）就调整一次难度。若挖完2016区块所用的时间短于两周，那就提高难度；而若长于两周，那就降低难度。

２.２原始数据是些什么数据？

并非对整个区块内容取Hash值，而是仅仅只对80字节大小的区块头，进行SHA256算法。这80字节具体分为六个部分。

1)版本号Version：4字节，进行投票时变

按目前的BIP9升级规范，版本号是用于投票区块自己支持的分叉升级方案，如若支持SW可版本号为0×20000002具体可看下面这个文章：

9.6Bite酱一比特币区块版本号知识及升级规范BIP9

2)前区块Hash：32字节，有新区块时变

这是将区块串成区块链的关键，表示这个区块是在哪个区块的基础之上进行挖矿而挖到的。当比特全网出现合法的新区块后，要及时替换上新区块的Hash，否则就算挖出来也可能被孤立。

3)交易树根MerkleRoot：32字节，交易变时变

本应该是所有交易都进行Hash的，但是计算量太大，于是将所有交易用Merkle Root Hash的方法，将所有交易Hash合并成一个32字节的Hash数据。它能代表所有交易，任何交易的任何细小变动都会引起MerkleRoot的变动。这个后面还有更多讨论和图。

4)时间戳TimeStamp：4字节，当前时间微变

最好写当前时间，但不是很严格，允许有一定的时间偏差，但不能偏差太大，偏差太大会被区块孤立的。因为不严格，有时下个区块比它的上个区块的时间戳时间还早，这是有可能的，但真实的诞生时间当然是先有上个区块，才会有下个区块。

5)当前难度值Bits：4字节，每两周左右变一次

由全网算力决定，每2016个区块重新调整，调整算法固定，就是说在调整时，大家都可以根据历史数据自己计算出来，而不是由谁指定。怎么用四个字节表示难度呢？有点类似于天文数字的科学计数法，第一个字节V1代表右移的位数，用剩下三字节V3表示具体的有效数据。

F(nBits)=V3 * 2^(8*(V1-3) )

6)随机数Nonce：4字节，随时可变

这个是给矿工挖矿时自己调整用的，以便能找到合适的值让区块头的Hash结果能满足难度需求。这个参数估计中本聪有点失误，设计小了，仅仅4字节，CPU挖矿时代够用，但显卡GPU时代，就有点不够用了，几秒的时间就能全部的Nonce都全试了一次了。不过可以微调上面的时间戳TimeStamp，调一次就可以再挖几秒，勉强够用。然而进入专业矿机矿池时代，Nonce就远远不够用了，由于各字段一般都有较明确有固定含义不能轻易动，于是转向32字节的交易树根MerkleRoot。

第三篇、矿工与矿池的互动

　　若在很早期完全矿工自己独立挖矿即可，然而随着挖矿难度的提升个人矿工已经无法与矿池模式竞争。看看下图近期７天的区块情况。绝大多的区块，都是由矿池挖出来的。矿池与矿工之间有明确的分工合作。

３.１矿池为矿工提供的挖矿服务

收集比特交易是矿池上完成的，矿池需要运行全节点，而矿工却不需要。如下图蓝线指示，矿池会由待打包的交易生成那些黑点，然后时常发给矿工。另外构造一个基本coinbase交易，也发给矿工。理论上矿池给矿工的coinbase交易内容能维持较长时间不变动。但SW隔离严证实施后，每当有交易顺序或交易内容调整时，都需要变动coinbase。还有就是矿池要提供除了MerklerRoot和Nonce之外的区块头数据。

３.２矿工为矿池提供的算力贡献

矿工收到从矿池发过来的信息后，第一步是计算红点，完善coinbase交易一般是加个随机数即可完善好，然后对coinbase交易进行SHA256的Hash计算。第二步是计算绿点，将coinbase的结果，再依次和下图中的黑点逐一合并得出上一层的Hash，最终得到最上面的交易树根MerklerRoot。第三步是计算区块头Hash，有了MerklerRoot后，结合矿池提供的区块头数据，再加个随机变动的Nonce就可以形成完整区块头，用其计算Hash。当Nonce完全遍历一遍和足够变动时间戳后，正常一般是回到第一步更换一个随机数来重新完善coinbase交易，进而第二步中MerklerRoot值最终将不一样。而ASICBoost可能是调换交易顺序而更新MerklerRoot。第四步是提交成功的Share计算结果，并非要满足全网的难度般，只要满足矿池设的挖矿难度就可以提交了，一般提交给矿池自己的矿工ID和任务ID，coinbase的随机数和区块头的时间戳TimeStamp及随机数Nonce。矿池在收到后及时进行验证，若满足则记一份功劳贡献，同时看看是否满足全网的难度要求，若满足则广播发布出去，从而挖到新块，且按记录的功劳Share数量分配给各矿工应有的币量。

更多详细内容见：9.8Bite酱比特币【矿池】的历史、职能和意义　和　《区块链核心技术演进之路 – 挖矿演进》

第四篇、专利ASICBoost优化

　　若您看到这里了还能继续较清晰，说明您智商很高呀，但并非矿业智慧的终结，还有更加聪明的人设计了ASICBoost专利，理论可提升30％，但是需要硬件和软件，尤其矿机和矿池的默契配合。

具体专利细节还不很清楚。但感谢@拿铁大 的微博，已经给了较好的内容描述。本文引用其中的一部分来进行说明。

　　根据目前了解，简单说，其就是利用了SHA256算法的内部计算规则，先64字节一组，然后再4个字节一个组。而ASICBoost专利，应该就是用交换交易位置的方式，不必修改coinbase，来快速得到很多相同的末尾4字节的MerklerRoot，从而硬件可加速优化计算区块头两次SHA256的哈希值，即SHA256( SHA256( BlockHeader ))的速度。

　　在计算这个区块头的SHA256时，我们需要先用固定的填充位补齐为128字节，之后SHA256会64字节一组去处理，可以简单认为是 F ( F（SHA256规范的初始值，前半部分）, 后半部分）。F又需要对这64字节先按4字节一组拆分，进行64轮计算。结合上图，我们不难发现，Merkle Root的前28个字节和后4个字节被分开了，在修改Nonce过程中，前半部分是不变的，而后半部分的前12个字节也是不变的。因此目前几乎所有的芯片都已经做了这两个优化，即前半部分的处理结果（getwork中的midstate）和后半部分的前3轮结果（midstate3）。这样的优化效果是 (61/64+1)/3 = 65.1%，提升了34.9%

Merkle Root在图上显得很尴尬，如果中本聪设计的时候Version变成第三个字段该多好（就是说把Version放在MerkleRoot的后面）。这样后半段的前4个字节就固定了，如果我们对于时间戳要求不那么高，前12个字节可以完全固定下来了。对于芯片来说可以节省更多的计算，也可以去掉对应的一些电路。ASICBoost将这个脑洞往实践推了一步：我们去构建一组后4个字节相同的Merkle Root。

这样问题就变成能不能高效找到后缀一样的Merkle Root？效率提升有多大？ASICBoost的白皮书提到有很高效的方法，并且给出了一张表：

　　ASICBoost白皮书的Merkle Root碰撞数量对效率影响ASICBoost白皮书的Merkle Root碰撞数量对效率影响。（表格的意思是若找到五个相同后4字节的Merkle Root那么效率能提升20%）

这里问题的本质是一个32位的哈希碰撞，根据“生日悖论”，找到一组碰撞需要的尝试次数其实并不多，我们只需要77000次就有50%概率找到两个后缀相同的Merkle Root。当然对于一台矿机来说，仅仅2个是远远不够的，如果是矿场的话应该需要配备专门的硬件去产生足够的任务。尝试新的Merkle Root通常有两种方法：

方法一：修改Coinbase交易。这个方法似乎最简单而且隐蔽，但是白皮书认为不够高效；

方法二：交换任意交易的顺序。白皮书只举例了方法2，其他方法并未给出。注意无论是1和2，新的Merkle Root并不需要从下而上全部计算。

第五篇、与隔离验证SW关系

隔离验证SW：Segregated Witness是将签名隔离出来放后面，实现约1.7MB的链上软扩容效果。另外LN闪电网络，侧链技术等很多币技术都在等待SW的激活。为何ASICBoost专利的获利方会阻碍SW呢？

５.１ASICBoost专利，需要交换交易的顺序

以便能快速产生大量的Merkle Root，并且从中选择出较多的最后４字节相同的Merkle Root，然后发给矿工。这个主要是在矿池的工作，因此仅仅有支持ASICBoost的矿机，若没有矿池配合是不行的。另外矿机收到这些最后４字节相同的Merkle Root需要矿机硬件配合，能进行特殊的硬件存储优化。因此仅仅只有支持ASICBoost的矿池，没有ASICBoost的矿机也不行。并且我觉得并不会在区块链上留下太明细的使用ASICBoost的痕迹，除了交易顺序有点乱，而本来就不整齐，另外有可能空块率，比其它矿池要高点，因为只有coinbase交易时，寻找最后４字节相同的Merkle Root会更快些。

５.２ASICBoost专利，在SW隔离验证实施后效率降低

因为将无法再轻易交换任意交易的顺序。因为SW将会有个Witness Merkle Root要写入coinbase交易的OP_return输出。也就是说，交换交易顺序，之前是不影响coinbase，而SW隔离验证实施后，交换交易顺序，那么Witness Merkle Root可能就要跟随变化，进而coinbase变化。最终将还不如直接按上面方法一直接修改coinbase来找最后４字节相同的Merkle Root更方便些。因此SW隔离验证实施，并不能完全阻止ASICBoost专利的实施，但是会降低其效率，进而减少ASICBoost专利实施人的利益。

另外近期最新的提出来的EXTBLK延展区块方案，之所以几乎立刻被其接纳支持。在于EXTBLK延展区块虽然也是写入coinbase交易的OP_return输出。但是EXTBLK中的交易与主链交易较独立，交换主链的交易的顺序，应该是不会影响EXTBLK Merkle Root的。

为自己的利益而反对某种方案，可表示理解，但是应该实话实说，而不是用其它的理由（说SW代码太复杂改动较多不安全，却不支持LTC先SW来帮测试代码），也不能去支持对立的不靠谱的版本（BU那么差短期内数个Bug，且EC涌现共识更复杂却去强力支持，只因为BU不影响ASICBoost）。

呼吁ASICBoost持有者，要多多为整个币圈着想。不能为了一时利益而损坏整个币圈的利益，还有百余个币应用在等待着SW激活呢。并且并不是ASICBoost专利完全失效，仅仅是效率降低而已，通过调节coinbase中的随机数是可以继续使用ASICBoost专利的。以后会变成两步，先是一步是矿池运行的Merkle Root矿机，计算大量后4字节相同的Merkle Root。然后一步是后缀同Merkle Root数据给支持ASICBoost专利的比特矿机。

专利技术内容公开后，也就没有必要偷偷摸摸了。整个矿业可以集体进入下一个阶段。各大矿池未来不再仅仅只是拼网速和分配手续费比例，更加拼矿池的Merkle Root矿机能力。

相关文章：9.9Bite酱一呼吁【SW合成分叉】详解比特币隔离验证

继续引用《ASICBoost是什么？》

　　那么说到现在，这事和隔离见证有什么关系？隔离见证引入了”witness tx id”，交易在原有ID之外有了另一个新的ID，即用新的交易序列化格式（不包含签名部分）得到的交易哈希。相应的，我们也有了一个新的Witness Merkle Tree，以及Witness Merkle Root。由于软分叉实现，我们不能替换现有的Merkle Root，而是在Coinbase交易中增加一个OP_Return的输出，写入这个“WMR”。而这也导致对任何交易或者交易顺序的改动，我们都要从下而上重新计算“WMR”，大大降低了伐木效率。

好啊，知道你们为什么要阻止隔离见证了，原来就是要偷着用ASICBoost啊，你们不仅会阻止隔离见证，还会阻止一切比特币的进步。

打住吧。。。。

可以使用ASICBoost+反对隔离见证 不等于 为了ASICBoost反对隔离见证。

你看到了两个事物同时存在，就觉得其中一个事物是另一个的起因。你的错误在于，同时存在的两个事物未必有因果关系。

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