Stratum V2 – mining protocol

技术描述

阶层Stratum V2协议中让挖矿设备终端进行仅头段挖矿，做到了对矿池服务器CPU的减负。梅克尔根（Merkle Root）总是由上游节点提供，完全不需要挖矿设备终端处理。换句话说，挖矿设备终端不再需要对创币（Coinbase）进行任何更改，让矿工的计算变得更简单。而且它还有一个好处，它也让矿池服务器端的工作验证（即CPU负载）变得更轻松。

动机和影响

作为矿池运营商，很明显我们的主要动机之一就是要减少服务器的CPU负载，这样能减少我们的项目成本。但是，任何矿池都可以（并应该）利用这个好处，所以从总体上讲，更重要的动机则是要提高整个挖矿网络的效率。

技术描述

矿池向矿工发送包含一些预定义数据，以及矿工要处理的一些可变数据的区块来向矿工分配工作。在阶层Stratum V1协议中，预定义数据包括上一区块哈希值（即最近开出有效区块的哈希值，prevhash）和当前区块中要包含的交易集的梅克尔根（Merkle Root）。但是，这两个数据缺一不可，一旦发现并开始在网络传播一个新区块（出现新的上一区块哈希值），分发新工作时会产生大量（又缓慢）的数据传输。在阶层Stratum V2协议中，可以将上一区块哈希值（Prevhash）和其他的区块预定义数据分开发送，这样就可以在有新的上一区块哈希值前发送区块数据。因此，一旦开出有效区块，新的上一区块哈希值消息就可以自行发送，而且得益于消息数据更简短，传输速度也会快得多。这使得矿工能比在使用阶层Stratum V1协议时更快开始新工作。

动机和影响

在开始对下一区块挖矿时，矿工要等的每一毫秒都是机会（也是金钱）的损失。通过将上一区块哈希值（Prevhash）的消息与阶层Stratum V2协议中的其他工作分配消息分开，能够节省价值千金的每一毫秒。

技术描述

协议具有精确定义的固定消息框架（Fixed Message Framing），这意味着通过V2协议传输的消息，就无法像对V1协议里的消息一样，能够进行不同的解释。具体的消息框架结构在比特币改进提案草案（BIP）的“框架（Framing）”部分可以查看。

动机和影响

最初的阶层（Stratum）协议使用JSON格式，它的消息负载大小与实际传输消息之间的比率很差。而阶层Stratum V2协议采用二进制，则能带来更好的数据效率，且节省的带宽可以用来进行更频繁的提交，从而进一步减少算力差异。

技术描述

阶层Stratum V2协议使用一种“带关联数据的认证加密（ADAD, authenticated encryption with associated data）”方案解决客户端和服务器端之间发生的所有通信的安全性问题。这既保证了传输密文（即加密文本）的加密性和完整性，又同时保证了未加密的相关数据的完整性。

动机和影响

阶层Stratum V1协议容易受到三种中间人攻击：侦听矿池与矿工之间的所有通信；窃取ISP运行日志中的元数据；以及算力劫持。这些攻击都可以在不容易被检测到的情况下偷偷地进行，造成对付它们更加地棘手。阶层Stratum V2协议使用带关联数据的认证加密 (AEAD)，因此黑客无法用份额提交数据（Share Submission Data）识别出具体的矿工，在保护矿工隐私的同时，也让他们免受算力劫持。

技术描述

消除挖矿中的空区块与工作分配延迟部分非常相似，消除它的动机可以归结为将上一区块哈希值（Prevhash）信息从其他的区块头数据分离开。在阶层Stratum V1协议中有一种激励机制，它要求矿池尽快发送包含新的上一区块哈希值（Prevhash）的空区块，因为这些消息比包含完整区块的消息更快地能到达。而在阶层Stratum V2协议中，通过分离这两种消息，矿池可以在发送新的上一区块哈希值（Prevhash）信息前，就给矿工发送完整区块。 换句话说，矿工可以在前一个区块被确认前，就可以准备开始挖矿新的（完整）区块，而唯一需要的是新的上一区块哈希值（Prevhash）信息。由于无论是矿池发送了空区块还是完整区块，上一区块哈希值（Prevhash）消息的大小都依然相同（即都需要同样时间到达），因此就不再会激励矿工浪费时间去挖空块。

动机和影响

只要激励矿工去挖空区块的这个机制一直存在，就不可能让矿工能找到实际有效的解，就解决不了空区块不被网络的其余部分接受的问题。在阶层Stratum V2协议中，挖空区块和挖完整区块相比，挖空区块没有任何的优势，有效地消除了对空区块的挖矿。

技术描述

矿工终端的工作选择作为阶层Stratum V2协议的可选组件，与挖矿主协议分开。实际上，它由三个子协议实现：工作协商协议，工作分配协议和模板分配协议。

工作”谈判“协议的名字，顾名思义，工作选择的确是矿工和矿池之间的协商过程。矿工提出区块模板，然后让矿池决定是要接受还是拒绝它。一旦协商模板被接受，任何数量的甚至几十万个挖矿设备，就都可以使用其结果。为什么它要和主要挖矿协议分开，是因为这样可以让矿池，能够在不同于主要挖矿协议的独立基础设施上能结束连接，这样做对实际份额（Share）提交的效率不造成任何影响。

动机和影响

允许矿工选择自己的交易集，这让一些权力从矿池下放到矿工，从而也增加了比特币的抗审查性。这个概念最初由Matt Corallo在BetterHash协议中提出，我们认为将它纳入阶层Stratum V2协议中非常重要，这对比特币的去中心化很有意义。

技术描述

阶层Stratum V2协议为矿工引入了使用不能操作创币交易（Coinbase Transaction）的标准信道挖矿的选项。换句话说，挖矿设备终端不会处理任何额外随机数（ExtraNonce）或梅克尔路径（Merkle Path），我们称之为仅头段挖矿（Head Only Mining）。在特定区块时间（nTime）进行仅头段挖矿的矿机的搜索域的大小为 2^（随机数位元NONCE_BITS + 版本轮询位元VERSION_ROLLING_BITS）= ~280Th，随机数位元的值为32，版本轮询位元的值为16，这就是在区块时间轮询（nTime Rolling）前保证的搜索域大小。打开特定标准信道的客户端（矿机）拥有整个分配的搜索域，也可以按需将其进一步分割（例如在多个算力板和单个芯片之间）。

动机和影响

阶层Stratum V1协议在2012年底就进行了对矿池挖矿的支持性拓展，远早于无数的大型矿场开始用无数台ASIC机器挖矿之前。考虑现在大型矿场的数量和大小，挖矿工作能够通过在大部分情况下，通过尽量支持简单的挖矿模式进行简化，这也能同时显著减少网络流量。

技术描述

尽管可能不切实际，但从理论上将，在往上游节点的单个物理连接中（例如TCP）最多可以有232个（约43亿个）开放通道。 这些通道都各自独立，并拥有不同的通道ID，这意味着许多设备可以同时从同一连接，接收不同的工作分配，从而节省基础设施成本。同时，这些通道可能都共享一些信息以提高效率，例如在广播新的上一区块哈希值（Prevhash）时。

动机和影响

每多一条物理连接，复杂性就越高，挖矿作业中基础设施的项目成本也越高。开启复用机制，就能在单个连接中，可以将许多不同的信息传递给多个不同的参与者，让管理更简单高效。

技术描述

在阶层Stratum V1协议中，当矿工与矿池（客户端→服务器端）建立连接时，他们发送挖矿授权（mining.authorize）消息。一旦授权申请成功，矿工会接着发送挖矿订阅（mining.subscribe）消息，表明他们希望开始（或恢复）矿池所分配的工作任务。换句话说，矿工需要明确地向矿池要求工作分配。而在阶层Stratum V2协议中，如果矿工开启了与矿池的信道，则默认表示他们希望从矿池接收工作分配。

动机和影响

挖矿订阅（即mining.subscribe）消息，是现在效率低下的老挖矿协议中的一部分。显式（确认）挖矿订阅在阶层Stratum V1协议的使用中，只会生产不必要的数据传输。默认工作订阅可提高协议的相对效率。

技术描述

为扩大矿工的搜索域，每个比特币区块头都包含一个可以自由使用位元的版本字段，这个过程被称为版本轮询（Version Rolling）。鉴于目前现代ASIC矿机的算力，32位随机数（Nonce）字段在100毫秒内就能用完。每当发生这种情况，矿机控制板必须向每个芯片分配新的工作，消耗大量的带宽和CPU负载。轮询版本位元能大大降低需要分配新工作的频率，这已经是一种常见的技术（见BIP320）。鉴于它的普遍使用，我们决定将版本轮询作为阶层Stratum V2协议的原生部分，而不是像V1协议那样需要扩展。

动机和影响

版本轮询（Version Rolling）的使用已非常普遍。我们只是把它从阶层Stratum V1协议的扩展变为阶层Stratum V2协议的原生组件。从外看，最终的结果是一样的。

技术描述

赋予矿工零时后端切换（即在挖矿时切换上游服务器，或连接到多个上游服务器）的能力，意味着可以高效地实现更复杂的用例（例如在比特币BTC和比特币现金BCH之间切换挖矿）。虽然这可以在V1协议里，通过订阅额外随机数（ExtraNonce）拓展来实现，但是矿机固件一般不支持这样做。我们将其做成V2协议的原生功能，矿工在标准信道上就能同时接受多个来源的工作，还不会遇到只从一个地方接受工作效率低下的问题。

动机和影响

用零延迟的后端切换，让所需的物理基础设施能更有效地实施更精细的挖矿设置。

技术描述

对阶层Stratum V2协议来说，复用机制的特殊优势之一，在于一个物理的连接可以用于传输多个（种）工作的数据。这样可以降低复杂性和成本。例如，建立一个TCP连接需要进行三次握手，这其中要传输三个数据包，就会消耗一些资源。而当有成百上千这样的连接，每天都在开关，成本就会增加。通过单个连接发送多个工作，能降低连接所需要的开关频率，减少所需的连接总数。

动机和影响

根据之前的复用机制部分所述，允许在单个连接上传输多个工作数据的主要动机，就是要降低物理基础设施的复杂性和项目成本。