从 Coinbase 到 Share：比特币工作构造与 Nonce 校验

摘要：ASIC 并不理解 Stratum JSON，它需要固定格式的 SHA-256 工作。本文分析 components/stratum/mining.c，解释 Coinbase、Merkle Root、区块头、难度和版本滚动如何串成一条可验证的数据链。

关键词：Bitcoin、Coinbase、Merkle Root、SHA-256、Nonce、矿池难度

1. 一份 mining.notify 缺少什么

矿池通知通常提供 prevhash、coinbase1、coinbase2、Merkle 树分支、version、nBits 和 nTime。Coinbase 中间故意留出：

coinbase1 + extranonce1 + extranonce2 + coinbase2

extranonce1 由矿池在订阅时分配，用来区分连接；extranonce2 由设备递增，用来从一条通知产生大量互不相同的 Merkle Root。这解决了单个 Nonce 空间很快被高速 ASIC 耗尽的问题。

2. Coinbase 与 Merkle Root

calculate_coinbase_tx_hash() 把十六进制字段解码后执行双 SHA-256。随后 calculate_merkle_root_hash() 逐层与矿池提供的 Merkle 树兄弟节点组合：

root0 = SHA256d(coinbase)
root1 = SHA256d(root0 || branch0)
root2 = SHA256d(root1 || branch1)
...

这里最容易出错的是字节序。Bitcoin 在协议显示、内部哈希和 ASIC 字段之间混合使用大端展示与小端序列化。仓库中的 reverse_32bit_words()、reverse_endianness_per_word() 不是重复工具，而是在不同硬件接口边界做变换。

任何字节序改动都应使用已知区块向量测试，而不能只看矿池是否偶尔接受 Share。components/stratum/test/test_mining.c 已覆盖 Coinbase、Merkle Root、BM job 和 Nonce 校验，是重构这部分代码时最重要的安全网。

3. 构造 ASIC 作业

construct_bm_job() 将通知和 Merkle Root 转为 bm_job。除区块头字段外，还包含矿池难度、job id、extranonce2、版本 mask 等软件元数据。硬件 job id 只有 7 位空间，因此软件维护 128 个活动槽位。

ASIC 扫描一个 job 的理论周期由下式估算：

t = 2^32 / (frequency * small_core_count * asic_count)

代码据此控制下发节奏。如果下发太慢，ASIC 空转；太快则复用 job id，尚未返回的 Nonce 可能对应已释放对象。

4. Nonce 为什么必须在 ESP32 再验一次

ASIC 返回 nonce、job_id 和 rolled_version。test_nonce_value() 用这些字段重建 80 字节区块头，再双 SHA-256，最后把 256 位结果转换成难度。

只有当：

nonce_diff >= pool_diff

才发送 mining.submit。这一步既过滤硬件错误，也区分“达到芯片内部筛选难度”和“达到矿池 Share 难度”。如果达到全网难度，设备还会更新 block found 状态，但最终是否成为有效区块仍以网络接受为准。

5. 难度计算中的精度问题

代码部分路径使用 double 表示难度，系统状态又把网络难度保存为 uint64_t。对普通 Share 足够，但在极高难度和最佳难度统计中要注意：IEEE-754 double 只有 53 位整数精度。

如果目标是精确展示而非仅比较阈值，可以保留 256 位 target，比较时使用定长大整数；展示时再转换成科学计数法。这样“计算正确性”和“UI 可读性”不会绑在同一数据类型上。

6. 改进建议

首先，把字节序写进类型或函数名，例如 hash_internal_le、header_wire，减少“再 reverse 一次试试”的调试方式。其次，对矿池输入建立严格长度上限，并对 extranonce2_len 做栈数组尺寸保护。最后，为 job id 复用增加 generation counter；仅验证 7 位 id，无法区分相隔一轮的同号作业。

挖矿工作构造的专业性不在代码行数，而在每一步都能用确定向量复现。矿池接受 Share 是最终结果，但单元测试、字节序约定和对象生命周期才是长期可维护的基础。