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Stratum挖矿协议

本文介绍Stratum挖矿协议，当前最主流的加密货币挖矿协议。

什么是Stratum挖矿协议？​

Stratum挖矿协议是一种用于加密货币挖矿的协议，旨在优化矿工与矿池之间的通信。该协议由Slush Pool在2012年引入，取代了早期的HTTP挖矿协议，解决了效率和扩展性的问题。

在Stratum协议出现之前，加密货币挖矿主要使用RPC挖矿协议，例如getwork, getblocktemplate等。这种协议在早期的比特币挖矿中非常常见，但随着挖矿难度和矿工数量的增加，RPC协议暴露出了一些显著的缺点。

RPC(或HTTP)协议挖矿的方式与缺陷​

挖矿流程​

  1. 连接矿池：

    • 矿工通过RPC连接矿池的服务器，通常使用标准的RPC POST请求来获取挖矿任务。

  2. 任务请求：

    • 矿工发送包含钱包地址和其他相关信息的请求，向矿池索要挖矿任务。
    • 矿池返回一个包含区块头、目标难度等信息的任务。

  3. 计算哈希：

    • 矿工开始使用给定的数据进行哈希计算，试图找到符合目标难度的哈希值。

  4. 提交结果：

    • 当矿工找到有效的哈希值时，使用RPC POST请求将结果提交给矿池。
    • 矿池验证结果，如果有效，则将其纳入区块链。

  5. 循环任务：

    • 由于RPC协议是无状态的，矿工在每次任务完成后需要重新建立连接请求新任务。

RPC协议的缺点​

  1. 连接开销高：

    • RPC协议是无状态的，每次获取任务和提交结果都需要重新建立连接，这增加了网络开销和延迟。
    • 频繁的连接建立和关闭操作，导致矿工和矿池服务器的资源浪费。

  2. 实时性差：

    • RPC协议无法实时推送新任务，矿工可能会因为任务更新不及时而进行无效计算。
    • 矿工在获取新任务的过程中可能会浪费计算资源，降低挖矿效率。

  3. 延迟问题：

    • 由于每次任务请求和结果提交都需要重新建立连接，网络延迟会显著影响挖矿效率。
    • 矿工在高延迟网络环境下，可能会错失有效任务，导致收益减少。

  4. 扩展性差：

    • RPC协议设计用于网页浏览，初衷并非高频次的任务请求和结果提交，难以适应大规模矿工的高并发需求。
    • 随着矿工数量增加，矿池服务器的负载会显著增加，导致性能瓶颈。
    • 随着区块数量增大，生成一次工作任务所需要耗费的网络带宽和计算资源也会增加。

  5. 容错性低：

    • RPC协议缺乏对连接中断的容错处理，矿工在网络波动时容易丢失任务或结果，影响挖矿的稳定性。
    • 矿池和矿工之间的通信容易受到网络故障和攻击的影响。

Stratum协议细节​

Stratum协议通过优化矿工与矿池之间的通信，解决了RPC协议的缺点，提高了挖矿效率和稳定性。它采用长连接方式，使用JSON-RPC格式进行通信，实现了实时任务更新、容错性强和扩展性好等优点。

  1. 连接建立：

    • 矿工通过TCP连接矿池的Stratum服务器，并使用JSON-RPC格式进行通信。
    • 连接成功后，矿工向矿池发送“mining.subscribe”请求，以订阅任务。

  2. 任务分配：

    • 矿池接收到订阅请求后，发送“mining.notify”消息，包含挖矿任务的详细信息，如区块头、目标难度等。
    • 矿工收到任务后，开始进行哈希计算，寻找符合目标难度的解。

  3. 提交结果：

    • 当矿工找到符合条件的哈希值时，向矿池发送“mining.submit”消息，提交计算结果。
    • 矿池验证结果，如果符合要求，则将其纳入区块链。

  4. 任务更新：

    • 矿池会周期性地发送新的任务给矿工，确保矿工始终在最新任务上进行计算。
    • 通过“mining.notify”消息，矿池可以动态调整任务参数，提升挖矿效率。

协议优势​

  1. 高效通信：

    • Stratum协议采用长连接方式，减少了HTTP协议中频繁建立和关闭连接的开销。
    • 使用轻量级的JSON-RPC格式，使得消息传输更加高效。

  2. 实时任务更新：

    • 矿池能够实时向矿工推送新任务，确保矿工始终在最新的区块数据上进行计算，避免无效工作。
    • 动态调整难度参数，提高挖矿效率和公平性。

  3. 容错性强：

    • Stratum协议支持多次尝试提交结果，容错性强，确保矿工的工作不会因为偶尔的网络波动而丢失。
    • 支持冗余服务器，矿工可以在主服务器故障时自动切换到备用服务器，保证挖矿不中断。

  4. 扩展性好：

    • Stratum协议设计简洁，易于扩展，可以支持多种加密货币和不同的挖矿算法。
    • 矿池可以根据需求开发定制化的Stratum服务器，以适应不同的矿工和硬件配置。

  5. 易于分割任务：

    • Stratum协议将挖矿任务分割为多个小任务，矿工可以并行处理这些小任务，提高挖矿效率。矿工无需提交一整个区块所需要的工作量证明，而是可以分别提交每个小任务的工作量证明。这样可以让低算力的矿工也有机会获得挖矿奖励。
    • 通过Merkle树的性质，挖矿所需的数据量是对数级别的，而非线性级别的，降低了带宽和负载。

  6. 支持AsicBoost：

    • Stratum协议支持AsicBoost技术，通过扩展协议和消息类型，为矿工提供更高效的挖矿方式。
    • 矿池可以通过Stratum协议向矿工发送AsicBoost相关的配置信息，实现更高效的哈希计算。

Stratum交互例​

以下是一个简单的Stratum挖矿协议交互示例，包括矿机订阅、认证、任务推送和提交结果等过程。

以下所有报文均使用\n做为行结束符。

矿机订阅：

{"id": 1, "method": "mining.subscribe", "params": []}

服务器回应：

{"id": 1, "result": [ [ ["mining.set_difficulty", "b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52"], ["mining.notify", "ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f"]], "08000002", 4], "error": null}

如果没有收到该回应，则可能原因有：

  1. 连接的不是Stratum服务器。
  2. Stratum服务器工作状态异常。
  3. 请求报文的行结束符不为\n，在粘贴多行文本到终端时可能发生这种现象，此时请单行粘贴并手动按回车。

订阅成功后，矿机进行矿工名认证

{"params": ["把它替换为你真实的矿工名", "password"], "id": 2, "method": "mining.authorize"}

服务器回应：

{"error": null, "id": 2, "result": true}

若回应不为true，则 result 字段包含错误信息。 若没有收到任何回应，可能的原因有：

  1. Stratum Server状态异常。
  2. 行结束符问题。
  3. 订阅和认证相隔太久，服务器放弃认证矿机。

认证成功后，Stratum Server会主动推送挖矿难度和挖矿任务等信息，如下：

（难度）

{"id": null, "method": "mining.set_difficulty", "params": [16384]}

（任务）

{"params": ["0", "4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000", "01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008", "072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000", [], "00000002", "1c2ac4af", "504e86b9", false], "id": null, "method": "mining.notify"}

如果没有收到难度推送，则说明Stratum Server工作不正常。 如果没有收到任务推送，则说明Stratum Server可能此时没有可推送给你的任务。对于BTCPool，可能是它没有从Kafka中读取到可用的任务，这可能是因为jobmaker没有产生对应的任务，或者kafka状态异常。当然，也有可能是Stratum Server状态异常。

当矿机挖到一个符合矿池设定难度的share之后，它会进行share提交：

{"params": ["slush.miner1", "0", "00000001", "504e86ed", "b2957c02"], "id": 4, "method": "mining.submit"}

服务器回应：

{"error": null, "id": 4, "result": true}

若result不为true，则会包含拒绝该share的理由。

请注意，不是每个submit都会挖到区块。对于一个正常的矿池来说，矿机提交的大部分submit都是挖不到区块的，但是偶尔个别的submit达到了全网难度要求，因此能够挖到区块。

当矿机挖到区块时，矿机的提交动作和平常不会有什么不同。但是，矿机和矿池均可对share难度和job中的bits/target进行比较来发现它挖到了一个符合全网难度的share。

对于联合挖矿也是如此，检查share难度是否满足job中联合挖矿币种的难度。若正在联合挖多个币种，只需检查是否满足最低难度。

需要注意的是，联合挖矿的币种可能比正在挖掘的比特币难度高，或者难度低。

若比特币难度高，则挖到比特币区块则必然挖到联合挖矿币种区块，而反过来则不一定。

若联合挖矿币种难度高（比如BCH联合挖掘域名币），则在挖到比特币时不一定能挖到联合挖矿币种，但反过来则是一定能挖到。

总结​

Stratum挖矿协议通过优化矿工与矿池之间的通信，提高了挖矿效率和系统的稳定性。它的高效通信、实时任务更新、强大的容错性和良好的扩展性，使得它成为目前加密货币挖矿的主流协议。随着技术的发展，Stratum协议也在不断演进，进一步提升挖矿的效率和安全性。