在区块链的世界里，挖矿是保障网络安全、确认交易并生成新区块的核心机制，提到挖矿，很多人会立刻想到比特币（Bitcoin）和其基于SHA-256算法的PoW（工作量证明）机制，作为智能合约平台的巨头，以太坊在早期也采用了PoW共识，其底层挖矿算法与比特币有显著不同，本文将深入探讨以太坊的挖矿原理，并重点解析其C语言实现的核心源码，揭示“矿工”们是如何通过计算来争夺记账权的。

以太坊挖矿的核心：Ethash算法

与比特币的SHA-256不同，以太坊在PoW阶段采用的是Ethash算法,Ethash的设计目标有两个：

  1. ASIC抵抗：希望算法能被普通消费级的GPU高效执行，而不是被专门设计的ASIC芯片垄断,从而实现去中心化。
  2. 内存硬度：算法的计算过程需要访问大量的内存数据，这使得攻击者无法通过简单地增加计算单元（如GPU核心数）来线性提升算力,因为内存带宽成为了瓶颈。

Ethash算法主要由两个部分组成：

  • DAG（有向无环图，Directed Acyclic Graph）：一个巨大的、预先计算好的数据集，随着以太坊网络的进展（每个 epoch，约4-5万个区块）而增长,挖矿节点需要将整个DAG加载到内存中。
  • Cache（缓存）：一个较小的数据集，同样随epoch增长，但规模远小于DAG，它用于快速生成DAG的“种子”。

挖矿过程本质上就是不断调整一个叫做nonce的值，然后通过一个哈希函数，将区块头、nonce和DAG中的一小块数据结合起来,计算出一个满足特定难度条件的哈希值。

C语言源码核心模块解析

以太坊的官方客户端（如Go语言的Geth和Python语言的Py-EVM）虽然不直接用C语言编写，但其核心的ethash库提供了C语言的实现，这是其他语言客户端进行挖矿计算的基础,我们可以通过分析这些C源码来理解挖矿的内部运作。

以下是对以太坊ethash C库中关键模块的解析：

DAG与Cache的生成

在开始挖矿前，节点必须为当前epoch生成或加载DAG和Cache,这是最耗时也最消耗内存的步骤。

// 伪代码：ethash_get_cache 和 ethash_get_dag 的核心逻辑
// (实际源码位于 ethash/internal/ethash 或类似路径下的文件中)
void ethash_get_cache(ethash_cache_t* cache, uint64_t block_number) {
    // 1. 根据区块号确定epoch
    uint64_t epoch = block_number / EPOCH_LENGTH;
    // 2. 计算该epoch的“种子”，这是一个伪随机数
    uint8_t seed[32];
    // ... 通过epoch计算seed的算法 ...
    // 3. 使用Merkle-Damgård构造的哈希函数（如Keccak-256）迭代生成cache数据
    // cache的大小是固定的，例如当前是几MB
    for (uint32_t i = 0; i < cache_size; i  ) {
        // 每个节点的计算都依赖于前一个节点和seed
        if (i == 0) {
            hash = Keccak256(seed, sizeof(seed));
        } else {
            hash = Keccak256(hash, sizeof(hash));
        }
        // 将计算结果存入cache数组
        cache[i] = hash;
    }
}
void ethash_get_dag(ethash_dag_t* dag, const ethash_cache_t* cache, uint64_t block_number) {
    // 1. 同样先确定epoch和seed
    uint64_t epoch = block_number / EPOCH_LENGTH;
    uint8_t seed[32];
    // ... 通过epoch计算seed的算法 ...
    // 2. DAG的大小远大于cache，并且与epoch相关
    uint64_t dag_size = calculate_dag_size(epoch);
    // 3. DAG的每个元素由cache中的特定元素和索引混合生成
    for (uint64_t i = 0; i < dag_size; i  ) {
        // 从DAG的索引i计算它在cache中的“父节点”索引
        uint32_t cache_nodes = DAG_PARENTS_NUM; // 256
        uint32_t parent_indices[cache_nodes];
        // ... 一个复杂的算法，基于i和seed生成cache_nodes个索引 ...
        // 这个算法确保了DAG的生成是伪随机的，但又具有确定性
        // 从cache中取出这些“父节点”数据
        uint32_t* parents = (uint32_t*)malloc(cache_nodes * sizeof(uint32_t));
        for (int j = 0; j < cache_nodes; j  ) {
            parents[j] = cache[parent_indices[j]];
        }
        // 将这些数据和i本身混合，生成DAG的当前元素
        dag[i] = mix(parents, cache_nodes, i);
        free(parents);
    }
}

核心要点：

  • 确定性：对于同一个epoch，所有节点生成的DAG和Cache是完全相同的,这是全网共识的基础。
  • 内存消耗：ethash_get_dag函数会分配巨大的内存（目前从数GB到数十GB），这正是“内存硬度”的体现。

挖矿哈希计算

当区块头准备好后，矿工开始执行挖矿循环，这个过程就是不断地改变nonce,直到找到一个满足条件的哈希值。

// 伪代码：ethash_hash 的核心逻辑
// (实际源码位于 ethash/internal/ethash 或类似路径下的文件中)
bool ethash_hash(ethash_return_value_t* ret,
                 const ethash_params_t* params,
                 const block_header_t* header,
                 const uint64_t nonce) {
    // 1. 准备“混合哈希”（mix hash）的初始数据
    // 这包括区块头、nonce和当前epoch的cache
    uint8_t mix_hash_data[...];
    memcpy(mix_hash_data, header, sizeof(block_header_t));
    memcpy(mix_hash_data   sizeof(block_header_t), &nonce, sizeof(nonce));
    // ... 加入cache的数据 ...
    // 2. 计算初始的“混合哈希”
    uint8_t mix_hash[32];
    Keccak256(mix_hash_data, sizeof(mix_hash_data), mix_hash);
    // 3. 使用mix_hash和DAG进行“重混合”（recalculation）
    // 这是计算量最大的部分，需要多次访问DAG
    uint32_t dag_nodes = MIX_NODES_NUM; // 256
    for (uint32_t i = 0; i < dag_nodes; i  ) {
        // 根据mix_hash和i计算要访问的DAG元素的索引
        uint64_t dag_index = fnv(i ^ mix_hash[i % 32], mix_hash[(i   1) % 32]) % dag_size;
        // 从DAG中读取数据
        uint32_t dag_node = dag[dag_index];
        // 将DAG数据与当前mix_hash进行混合
        fnv_hash(mix_hash, &dag_node, sizeof(dag_node));
    }
    // 4. 计算最终的“结果哈希”（result hash）
    // 这是对区块头、nonce和最终的mix_hash进行哈希
    uint8_t result_hash_data[...];
    memcpy(result_hash_data, header, sizeof(block_header_t));
    memcpy(result_hash_data   sizeof(block_header_t), &nonce, sizeof(nonce));
    memcpy(result_hash_data   sizeof(block_header_t)   sizeof(nonce), mix_hash, 32);
    Keccak256(result_hash_data, sizeof(result_hash_data), ret->hash);
    // 5. 将计算出的mix_hash存入返回值
    memcpy(ret->mix_hash, mix_hash, 32);
    // 6. 检查哈希值是否满足难度条件
    // 难度目标是一个巨大的数，哈希值必须小于这个数
    return (ethash_get_difficulty(ret->hash, ret->mix_hash) >= params->difficulty);
}

核心要点：

  • 双哈希机制：Ethash计算了两个哈希值：result_hash（用于验证难度）和mix_hash（包含在区块头中，用于验证DAG访问的正确性）。
  • 循环访问DAG：在重混合阶段，代码会循环数百次，每次都根据当前状态和DAG中的一个元素进行计算，这确保了内存带宽被充分利用,使得单纯增加计算核心而不增加内存的ASIC设备效率低下。
  • FNV哈希：在源码中，你会频繁看到一种叫做FNV-1a的哈希函数,它被用于快速地将整数和DAG数据混合。

实际应用与挑战