挖矿的演进是硬件的演进过程，同时也是软件的演进过程，尤其是软硬件对接协议的改进过程，本文重点通过与挖矿有关的几个核心协议解析其中的逻辑设计和技术实现。
Setgenerate协议接口代表了CPU挖矿时代。
中本聪在论文里描述了“1CPU1Vote”的理想数字民主理念，在最初版本客户端就附带了挖矿功能，客户端挖矿非常简单，当然，需要同步数据结束才可以挖矿。现在有很多算力很低的山寨币还是直接使用客户端挖矿，有两种方式可以启动挖矿：
如果使用经典QT客户端，点击“帮助”菜单，打开“调试窗口”，在“控制台”输入如下命令：setgeneratetrue2，然后回车，客户端就开始挖矿，后面的数字代表挖矿线程数，如果想关闭挖矿，在控制台使用如下命令：setgeneratefalse，可以使用getmininginfo命令查看挖矿情况。
节点挖矿过程也非常简单：
构造区块，初始化区块头各个字段，计算Hash并验证区块，不合格则nNonce自增，再计算并验证，如此往复。在CPU挖矿时代，nNonce提供的4字节搜索空间完全够用（4字节即4G种可能，单核CPU运算SHA256D算力一般是2M左右），其实nNonce只遍历完两个字节就返回去重构块。
getwork协议代表了GPU挖矿时代，需求主要源于挖矿程序与节点客户端分离，区块链数据与挖矿部件分离。
使用客户端节点直接挖矿，需要同步完整区块链，数据和程序紧密结合，也就是说，如果有多台电脑进行挖矿，需要每台电脑都单独同步一份区块链数据。这其实没有必要，对于矿工来说，最少只需要一个完整节点就可以。而以此同时，GPU挖矿时代的到来，也需要一个协议与客户端节点交互。
getwork核心设计思路是：
由节点客户端构造区块，然后将区块头数据交给外部挖矿程序，挖矿程序遍历nNonce进行挖矿，验证合格后交付回给节点客户端，节点客户端验证合格后广播到全网。
如前所述，区块头共80个字节，由于没有区块链数据和待确认交易池，nVersion，hashPrevBlock，nBits和hashMerkleRoot这4个字段共72个字节必须由节点客户端提供。挖矿程序主要是递增遍历nNonce，必要时候可以微调nTime字段。
节点提供RPC接口getwork，该接口有一个可选参数，如果不带参数，就是申请挖矿数据，如果带一个参数，就是提交挖到的块数据。
不带参数调用getwork，返回数据如下：
Data字段
Target字段
即当前区块难度目标值，采用小头字节序，需要翻转才能使用。
其实对于外部挖矿程序来说，有data和target这两个字段就可以正常挖矿了，不过getwork协议充分考虑各种情况，尽量帮助外部挖矿程序做力所能及的事，提供了两个额外字段，data字段返回完整补全数据也是出于此理念。
Midstate字段
如上所述，SHA256对输入数据分片处理，矿工拿到data数据后，第一个分片（头64字节）是固定不变的，midstate就是第一个分片的计算结果，节点帮忙计算出来了。
因此，在midstate字段辅助下，外部挖矿程序甚至只需要44字节数据就可以正常挖矿：32字节midstate+第一个切片余下的12（76-64）字节数据。
Hash2字段
比特币挖矿每次都需要连续执行两次SHA256，第一次执行结果32字节，需要再补充32字节数据凑足64字节作为第二次执行SHA256的输入。hash2就是补全数据，同理，hash2也是固定不变的。
外部挖矿程序挖到合格区块后再次调用getwork接口将修改过的data字段提交给节点客户端。节点客户端要求返回的数据也必须是128字节。
每次有外部无参调用一次getwork时，节点客户端构造一个新区块，在返回数据前，都要把新区块完整保存在内存，并用hashMerkleRoot作为唯一标识符，节点使用一个Map来存放所有构造的区块，当下一个块已经被其他人挖到时，立即清空Map。
getwork收到一个参数后，首先从参数提取hashMerkleRoot，在Map中找出之前保存的区块，接着从参数中提取nNonce和nTime填充到区块的对应字段，就可以验证区块了，如果难度符合要求，说明挖到了一个块，节点将其广播到全网。
getwork协议是最早版本挖矿协议，实现了节点和挖矿分离，经典的GPU挖矿驱动cgminer和sgminer，以及cpuminer都是使用getwork协议进行挖矿。getwork+cgminer一直是非常经典的配合，曾经很多新算法推出时，都快速被移植到cgminer。即便现在，除了BTC和LTC，其他众多竞争币都还在使用getwork协议进行挖矿。矿机出现之后，挖矿速度得到极大提高，当前比特币矿机算力已经达到10T/秒级别。而getwork只给外部挖矿程序提供32字节共4G的搜索空间，如果继续使用getwork协议，矿机需要频繁调用RPC接口，这显然不可行。如今BTC和LTC节点都已经禁用getwork协议，转向更新更高效的getblocktemplate协议。
getblocktemplate协议诞生于2012年中叶，此时矿池已经出现。矿池采用getblocktemplate协议与节点客户端交互，采用stratum协议与矿工交互，这是最典型的矿池搭建模式。
与getwork相比，**getblocktemplate协议最大的不同点是：getblocktemplate协议让矿工自行构造区块。**如此一来，节点和挖矿完全分离。对于getwork来说，区块链是黑暗的，getwork对区块链一无所知，他只知道修改data字段的4个字节。对于getblocktemplate来说，整个区块链是透明的，getblocktemplate掌握区块链上与挖矿有关的所有信息，包括待确认交易池，getblocktemplate可以自己选择包含进区块的交易。
getblocktemplate在被开发出来后并非一成不变，在随后发行的各个版本客户端都有所升级改动，主要是增添一些字段，不过核心理念和核心字段不变。目前比特币客户端返回数据如下，考虑到篇幅限制，交易字段（transactions）只保留了一笔交易数据，其实根据当前实际情况，待确认交易池实时有上万笔交易，目前区块基本都是塞满的（1M容量限制），加上额外信息，因此每次调用getblocktemplate基本都有1.5M左右返回数据，相对于getwork的几百个字节而言，不可同日而语。
来简单分析一下其中几个核心字段，Version，Previousblockhash，Bits这三个字段分别指区块版本号，前一个区块Hash，难度，矿工可以直接将数值填充区块头对应字段。
Transactions，交易集合，不但给了每一笔交易的16进制数据，同时给了hash，交易费等信息。Coinbaseaux，如果有想要写入区块链的信息，放在这个字段，类似中本聪的创世块宣言。
Coinbasevalue，挖下一个块的最大收益值，包括发行新币和交易手续费，如果矿工包含Transactions字段的所有交易，可以直接使用该值作为coinbase输出。
**Target**，区块难度目标值。
Height，下一个区块难度，目前协议规定要将这个值写入coinbase的指定位置。
矿工拿到这些数据之后，挖矿步骤如下：
**需要注意的是：**与上文提到的GPU采用getwork挖矿一样，虽然getblocktemplate给矿工提供了巨大搜索空间，但矿工不应对一份请求数据挖矿太久，而应循环适时向节点索要最新区块和最新交易信息，以提高挖矿收益。
**挖矿有两种方式，一种叫SOLO挖矿，另一种是去矿池挖矿。**前文所述的在节点客户端直接启动CPU挖矿，以及依靠getwork+cgminer驱动显卡直接连接节点客户端挖矿，都是SOLO挖矿，SOLO好比自己独资买彩票，不轻易中奖，中奖则收益全部归自己所有。去矿池挖矿好比合买彩票，大家一起出钱，能买一堆彩票，中奖后按出资比率分配收益。
矿池的核心工作是给矿工分配任务，统计工作量并分发收益。矿池将区块难度分成很多难度更小的任务下发给矿工计算，矿工完成一个任务后将工作量提交给矿池，叫提交一个share。假如全网区块难度要求Hash运算结果的前70个比特位都是0，那么矿池给矿工分配的任务可能只要求前30位是0（根据矿工算力调节），矿工完成指定难度任务后上交share，矿池再检测在满足前30位为0的基础上，看看是否碰巧前70位都是0。
矿池一直都是一个矛盾的存在，毫无疑问，矿池是中心化的，如上图所示，全网算力集中在几个矿池手里，网络虽然几千个节点同时在线，但只有矿池链接的几个点击拥有投票权，其他节点都只能行使监督权。矿池再一次将矿工至于“黑暗”之中，矿工对于区块链再次变得一无所知，他们只知道完成矿池分配的任务。
关于矿池，还有一个小插曲，在矿池刚出现时，反对声特别强烈，很多人悲观的认为矿池最终会导致算力集中，危及系统安全，甚至置比特币于死地。于是有人设计并实现了P2P矿池，力图将“抱团挖矿”去中心化，代码也都是开源的，但由于效率远不如中心化的矿池没能吸引太多算力，所谓理想很丰满，现实很骨感。
推荐几个比较成熟的开源矿池项目，有兴趣的读者可自行研究：
运行一个矿池需要考虑的问题很多，比如为了得到最及时的全网信息，矿池一般对接几个网络节点，而且最好分布在地球的几大洲。另外提高出块率，降低孤块率，降低空块率等都是矿池的核心技术问题，本文不能一一展开讨论，接下来只详细讨论一个问题，即矿池与矿工的具体配合工作方式——stratum协议。
矿池通过getblocktemplate协议与网络节点交互，以获得区块链的最新信息，通过stratum协议与矿工交互。此外，为了让之前用getwork协议挖矿的软件也可以连接到矿池挖矿，矿池一般也支持getwork协议，通过阶层挖矿代理机制实现（Stratumminingproxy）。须知在矿池刚出现时，显卡挖矿还是主力，getwork用起来非常方便，另外早期的FPGA矿机有些是用getwork实现的，stratum与矿池采用TCP方式通信，数据使用JSON封装格式。
先来说一下getblocktemplate遗留下来的几个问题：
Stratum协议彻底解决了以上问题。
Stratum协议采用主动分配任务的方式，也就是说，矿池任何时候都可以给矿工指派新任务，对于矿工来说，如果收到矿池指派的新任务，应立即无条件转向新任务；矿工也可以主动跟矿池申请新任务。
现在最核心的问题是如何让矿工获得更大的搜索空间，如果参照getwork协议，仅仅给矿工可以改变nNonce和nTime字段，则交互的数据量很少，但这点搜索空间肯定是不够的。想增加搜索空间，只能在hashMerkleroot下功夫，如果让矿工自己构造coinbase，那么搜索空间的问题将迎刃而解，但代价是必要要把区块包含的所有交易都交给矿工，矿工才能构造交易列表的Merkleroot，这对于矿工来说压力更大，对于矿池带宽要求也更高。
Stratum协议巧妙解决了这个问题，成功实现既可以给矿工增加足够的搜索空间，又只需要交互很少的数据量，这也是Stratum协议最具创新的地方。
再来回顾一下区块头的6个字段80字节，这个很关键，nVersion，nBits，hashPrevBlock这3个字段是固定的，nNonce，nTime这两个字段是矿工现在就可以改变的。增加搜索空间只能从hashMerkleroot下手，这个绕不过去。Stratum协议让矿工自己构造coinbase交易，coinbase的scriptSig字段有很多字节可以让矿工自由填充，而coinbase的改动意味着hashMerkleroot的改变。从coinbase构造hashMerkleroot无需全部交易，如上图所示，假如区块将包含13笔交易，矿池先对这13笔交易进行处理，最后只要把图中的4个黑点（Hash值）交付给矿工，同时将构造coinbase需要的信息交付给矿工，矿工就可以自己构造hashMerkleroot（图中的绿点都是矿工自行计算获得，两两合并Hash时，规定下一个黑点代表的hash值总是放在右边）。按照这种方式，假如区块包含N笔交易，矿池可以浓缩成log2(N)个hash值交付给矿工，这大大降低了矿池和矿工交互的数据量。
Stratum协议严格规定了矿工和矿池交互的接口数据结构和交互逻辑，具体如下：
1.矿工订阅任务
启动挖矿机器，使用mining.subscribe方法链接矿池
返回数据很重要，矿工需本地记录，在整个挖矿过程中都用到，其中：b4b6693b72a50c7116db18d6497cac52：给矿工指定初始难度，ae6812eb4cd7735a302a8a9dd95cf71f：订阅号ID08000002：学名Extranonce1，用于构造coinbase交易4：学名Extranonce2_size，即Extranonce2的长度，这里指定4个字节Extranonce1，和Extranonce2对于挖矿很重要，增加的搜索空间就在这里，现在，我们至少有了8个字节的搜索空间，即nNonce的4个字节，以及Extranonce2的4个字节。
3.矿池分配任务
以上每个字段信息都是必不可少，其中：bf：任务号ID，每一次任务都有唯一标识符
前一个区块hash值，hashPrevBlock：
4d16b6f85af6e2198f44ae2a6de67f78487ae5611b77c6c0440b921e00000000：
学名coinb1，构造coinbase的第一部分序列数据：
01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff20020862062f503253482f04b8864e5008
学名coinb2，构造coinbase的第二部分序列数据：
072f736c7573682f000000000100f2052a010000001976a914d23fcdf86f7e756a64a7a9688ef9903327048ed988ac00000000
学名merkle_branch，交易列表的压缩表示方式，即上图的黑点：
["76cffd68bba7ea661512b68ec6414438191b08aaeaec23608de26ac87820cbd02016","e5a796c0b88fe695949a3e7b0b7b1948a327b2f28c5dbe8f36f0a18f96b2ffef2016"]
4.挖矿
构造coinbase交易
用到的信息包括Coinb1,Extranonce1,Extranonce2_size以及Coinb2，构造很简单：
Coinbase=Coinb1+Extranonce1+Extranonce2+Coinb2
为啥可以这样，因为矿池帮矿工做了很多工作，矿池已经构建了coinbase交易，系列化后在指定位置分割成coinb1和coinb2，coinb1和coinb2包含指定信息，比如coinb1包含区块高度，coinb2包含了矿工的收益地址和收益额等信息，但是这些信息对于矿工来说无关紧要，矿工挖矿的地方只是Extranonce2的4个字节。另外Extranonce1是矿池写入区块的指定信息，一般来说，每个矿池会写入自己矿池的信息，比如矿池名字或者域名，我们就是根据这个信息统计每个矿池在全网的算力比重。
构建Merkleroot
利用coinbase和merkle_branch，按照上图方式构造hashMerkleroot字段。
构建区块头
填充余下的5个字段，现在，矿池可以在nNonce和Extranonce2里搜索进行挖矿，如果嫌搜索空间还不够，只要增加Extranonce2_size为多几个字节就可轻而易举解决。
5.矿工提交工作量当矿工找到一个符合难度的shares时，提交给矿池，提交的信息量很少，都是必不可少的字段：
slush.miner1：矿工名字，矿池用以识别谁提交的工作量bf：任务号ID，矿池在分配任务之前，构造了Coinbase等信息，用这个任务号唯一标识00000001：
Extranonce2504e86ed：nTime字段b2957c02：nNonce字段
矿池拿到以上5个字段后，首先根据任务号ID找出之前分配任务前存储的信息（主要是构建的coinbase交易以及包含的交易列表等），然后重构区块，再验证shares难度，对于符合难度要求的shares，再检测是否符合全网难度。
6.矿池给矿工调节难度
矿池记录每个矿工的难度，并根据shares率不断调节以指定合适难度。矿池可以随时通过mining.set_difficulty方法给矿工发消息另其改变难度。
如上，Stratum协议核心理念基本解析清楚，在getblocktemplate协议和Stratum协议的配合下，矿池终于可以大声的对矿工说，让算力来的更猛烈些吧。
在挖矿的发展历史上，还出现了一个天马行空的事情，即混合挖矿（MergeMining）。域名币（Namecoin）最先使用混合挖矿模式，挂靠在比特币链条上，矿工挖比特币时，可以同时挖域名币，后来狗狗币（Dogecoin）也支持混合挖矿，挂靠在莱特币（Litecoin）链条上。混合挖矿使用AuxiliaryProof-of-Work（AuxPOW）协议实现，虽然混合挖矿不怎么流行，但是协议设计的很精巧，最初看到协议时我不禁感叹社区的力量之伟大，这种都能想出来。
以域名币的混合挖矿举例，比特币作为父链（ParentBlockchain)，域名币作为辅链（AuxiliaryBlockchain），AuxPOW协议的实现无需改动父链（比特币当然不会为了域名币做任何改动），但辅链需要做针对性设计，比如狗狗币改为支持混合挖矿时就进行了硬分叉。
AuxPOW的实现得益于比特币Coinbase的输入字段，中本聪当初不知有意无意，在此处只规定了长度限制，留了一片未定义区域。这片区域后来对比特币的发展产生深远影响，很多升级和优化都盯上这片区域，比如上文讲的Stratum协议。中本聪类似的有意无意情况还有很多，比如交易的nSequence字段，也是因为没有明确定义，被黑客盯上引发的“延展性”问题成了“门头沟”倒闭的替罪羊。再比如说nNonce，如果一开始定义的字节大一些，你比方说32字节，挖矿的演进就不需要以上讨论的那么多协议。
AuxPOW协议核心理念不同的地方在于：
对于经典的POW区块，规定只有难度符合要求才算一个合格的区块，AuxPOW协议对区块难度没有要求，但附加两个条件：
将辅链区块的hash值内置于父链的Coinbase，其实是利用父链作存在证明。这样就可以实现间接依靠父链的算力来维护辅链安全。一般来说，父链的算力比辅链大，因而满足父链难度要求的区块一定同时满足辅链难度要求，反之则不成立。这样一来，很多本来在父链达不到难度要求的区块，却达到辅链难度要求，矿工g=广播到辅链网络，在辅链获得收益，何乐而不为。
AuxPOW协议对两条链都有一些数据结构方面的规定，对于父链，要求必须在区块的coinbase的scriptSig字段中插入如下格式的44字节数据：
对于辅链，对原区块结构改动比较大，在nNonce字段和txn_count之间插入了5个字段，这种区块取名AuxPOW区块。
**混合挖矿要求父链和辅链的算法一致，是否支持混合挖矿是矿池的决定，矿工不知道是否在混合挖矿。**矿池如果支持混合挖矿，需要对接所有辅链的节点。
将辅链区块hash值内置在父链的Coinbase，意味着矿工在构造父链Coinbase之前，必先构造辅链的AuxPOW区块并计算hash值。如果只挖一条辅链，情况较为简单，如果同时挖多条辅链，则先对所有辅链在挖区块构造Merkleroot。矿池可以将特定的44字节信息内置于上文Stratum协议中提到的Coinb1中，交给矿工挖矿。对矿工返回的shares重构父链区块和所有辅链区块，并检测难度，如果符合辅链难度要求，则将整个AuxPOW区块广播到辅链。
辅链节点验证AuxPOW区块逻辑过程如下：
通过以上3点验证，则视为合格的辅链区块。
中本聪最初设计比特币时希望所有节点都采用CPU挖矿，一般认为只有这样才能充分保证区块链的去中心化特征，比特币在CPU时代安全度过了萌芽阶段。getwork和cgminer将挖矿带入GPU时代，国内显卡曾经一度脱销，全网算力迅速提升了一个档次，CPU挖矿惨遭淘汰。随着越来越多人参与挖矿，全网算力不断上升，催生了抱团挖矿（矿池）。然而GPU时代的繁荣历史也没能持续多久就被getblocktemplate，stratum以及矿机带入了ASIC时代。
getwork实现了数据与挖矿分离，getblocktemplate给外部挖矿程序提供了最大自由度，彻底解决了外部挖矿程序与节点交互的可扩展性问题（scalabilityproblems），主要用于矿池与网络节点对接。stratum不但解决了搜索空间不足的问题，同时也解决了矿池与矿机交互数据量大的问题。getblocktemplate和stratum这两个协议使大型矿池，大规模矿场，大算力矿机成为可能，从此挖矿产业进入一个全新阶段，此后挖矿的演进主要集中于几个方向：矿池的设计优化与稳定运行，矿场的科学部署，以及矿机工艺升级，提升算力，降低功耗等。