какие математические задачи решает майнинг
Блокчейн за семь шагов: как работает майнинг и как обрабатываются транзакции
Когда-нибудь задумывались, как работает майнинг в блокчейне, или как транзакции подтверждаются и добавляются в блокчейн? И я тоже. Но из-за того, что мне так и не попалось чёткое и доступное пошаговое объяснение этого процесса, я решил написать его сам. Итак, представляю вам результат моего исследования на тему, как обрабатываются транзакции в блокчейне. И всего за семь шагов.
Шаг 1: Пользователь, намереваясь переслать кому-то другому некую сумму в криптовалюте или токен, подтверждает транзакцию в своём приложении-кошельке.
Шаг 2: Транзакция затем транслируется приложением кошелька в сеть соответствующего блокчейна. Там она попадает в «пул неподтверждённых транзакций», где и будет находится до тех пор, пока её не подберёт какой-нибудь майнер (тот, кто занимается майнингом). Такой пул представляет собой скопление неподтверждённых транзакций, ожидающих обработки. Чаще всего неподтверждённые транзакции собираются не в одном гигантском пуле, а в небольших разделённых локальных пулах.
Шаг 3: Майнеры, находящиеся в сети (иногда называемые узлами или нодами, но это не совсем то же самое, что и майнеры!), выбирают транзакции из пулов и собирают из них новый «блок». Блок, по сути, это набор транзакций (на этот момент времени всё ещё неподтверждённых транзакций), плюс дополнительные метаданные. Каждый майнер собирает свой собственный блок транзакций. Одни и те же транзакции могут быть добавлены разными майнерами в свои блоки.
Пример: Рассмотрим двух майнеров, майнера А и майнера Б. Оба этих майнера могут решить включить некую транзакцию Х в свои блоки. В каждом блокчейне установлены свои ограничения максимального размера блока. В Биткойн-блокчейне максимальный размер блока составляет 1 мегабайт (Мб) данных. Прежде чем добавить транзакцию в блок, майнеру необходимо проверить отвечает ли транзакция требованиям к исполнению, в соответствии с историей транзакций в блокчейне. Если на балансе кошелька отправителя находится достаточно средств согласно существующей истории транзакций блокчейна, транзакция считается действительной и может быть добавлена в блок. Если владелец биткойнов захочет ускорить процесс обработки своей транзакции, он может предложить более высокую награду за майнинг. В этом случае, как правило, майнеры присвоят более высокий приоритет этой транзакции по сравнению с другими, в связи с возможностью получить большее вознаграждение за процесс майнинга.
Шаг 4: Выбирая транзакции и добавляя их в свой блок, майнеры тем самым создают блок транзакций. Для того, чтобы блок в последующем мог быть добавлен в блокчейн (что означает, что все узлы в блокчейне зарегистрируют транзакции, находящиеся в этом блоке), в первую очередь блоку необходима подпись, также называемая «доказательством выполнения работы» (англ. Proof-of-work или PoW). Эта подпись создаётся путём решения очень сложной математической задачи, которая является уникальной для каждого блока транзакций. Разным блокам соответствуют разные математические задачи, так что каждый майнер будет работать над решением своей задачи, уникальной для сформированного им блока. Все задачи одинаково трудны для решения. При решении такой математической проблемы затрачиваются большие вычислительные мощности (а, соответственно, и большое количество электроэнергии). Вы можете сравнить это с выполнением вычислений на калькуляторе, только в данном случае всё гораздо сложнее и делается на персональном компьютере. Этот процесс называется майнингом. Если вы хотите узнать более подробно о том, что за математические задачи приходится решать в процессе (на самом деле, это не так сложно), тогда, пожалуйста, продолжайте читать дальше. В противном случае, если нужен материал «полегче», сразу переходите к «шагу 5».
Майнинг, также известный как хэширование (алгоритм консенсуса «доказательство выполнения работы»/Proof of Work)
Математическая задача, которую приходится решать каждому майнеру при попытке добавления блока в блокчейн, заключается в нахождении хэш-суммы (также называемой цифровой подписью) для данных в этом блоке. Причём подпись должна начинаться с определённого количества идущих подряд нулей. Выглядит весьма трудной задачей, не так ли? На самом деле всё не так сложно. Позвольте мне попытаться объяснить это в упрощённом виде.
Прежде чем мы продолжим, важно знать, что такое хэш-функция. Говоря простым языком, хэш-функция представляет из себя математическую задачу, которую очень сложно решить, но при этом полученный ответ очень просто проверить.
Хэш-функция берёт строку входных данных, состоящую из цифр и букв (любую, в прямом смысле этого слова, строку случайных букв, чисел и/или символов) и преобразовывает её в новую 32-символьную строку, состоящую из случайных букв и цифр. Эта 32-символьная строка и есть хэш-сумма. Если изменяется любая цифра или буква во входящей строке, то хэш-сумма также изменится случайным образом. Однако, одна и та же строка входных данных всегда на выходе будет иметь одну и ту же хэш-сумму.
Теперь примите во внимание, что данные внутри блока – это входные данные для хэширования (та самая строка данных). В результате обработки этих входных данных хэш-функцией мы получаем хэш-сумму (32-символьную строку). Правилами блокчейна Биткойна оговаривается, что только те блоки могут быть добавлены в блокчейн, чьи подписи (хэш-сумма) начинаются с определённого количества нулей. Однако, сгенерированная выходная строка является всегда случайной для разных строк данных на входе. А что если строка данных блока в результате обработки хэш-функцией не даёт на выходе подпись (хэш-сумму), начинающуюся с того определённого количества идущих подряд нулей? Так это и является причиной того, что майнерам приходится многократно изменять некий фрагмент данных своего блока, называемый «нонс» (англ. nonce). Каждый раз, когда майнер изменяет нонс, это влечёт за собой незначительное изменение компоновки данных блока. А когда меняется структура данных внутри блока (то есть, его входные данные), также изменяется и его подпись (или его выходные данные). Итак, каждый раз, когда меняется нонс блока, этот блок получает новую случайную подпись.
Такая процедура изменения нонса повторяется майнерами бесконечное число раз, пока в конечном итоге они случайно не наткнутся на выходную строку, удовлетворяющую требованиям к подписи блока (определённое количество нулей в самом её начале). Ниже приведён пример, иллюстрирующий этот процесс. В примере используется семь нулей, но количество нулей на самом деле зависит от сложности блока в блокчейне. Сложность блока – это несколько более продвинутая тема, поэтому предлагаю вам ознакомиться с ней позднее.
Именно таким образом майнерам приходится искать подходящую подпись для своего блока, и это также является причиной, по которой требуются так много вычислительных мощностей для решения этой математической проблемы. Перебор настолько огромного количества нонсов в попытке угадать правильный занимает много времени и больших вычислительных мощностей. Также следует учитывать то, что с ростом мощности хэширования (количества майнеров) в блокчейне увеличится и сложность математической задачи, что повлечёт за собой увеличение средних расходов на электричество, требуемого для решения блока (подробнее об этом можно прочитать здесь). Вы большие молодцы, если дочитали до этого момента! Давайте продолжим и перейдём к шагу 5.
Примечание: На самом деле этот процесс не определяется как математическая задача, но скорее является чем-то детерминированным – компьютеры выполняют предопределённые операции над числом, чтобы выяснить, является ли результат именно тем, что требуется.
Шаг 5: Майнер, первый нашедший для своего блока удовлетворяющую требованиям подпись, транслирует этот блок и его подпись всем остальным майнерам.
Шаг 6: Другие майнеры теперь проверяют легитимность подписи, беря строку данных транслируемого блока и хэшируя её, чтобы проверить, действительно ли полученная хэш-сумма в результате приводит к включённой в блок подписи с правильным количеством нулей (помните, да? – трудно решить, но легко проверить). Если подпись действительна, то все остальные майнеры подтвердят её достоверность и придут к согласию, что этот блок может быть добавлен в блокчейн (то есть они достигнут консенсуса, говоря другими словами – все согласятся друг с другом – отсюда и термин алгоритм консенсуса). Из этого же проистекает термин «доказательство выполнения работы/proof-of-work». Подпись как раз и является требуемым «доказательством», что работа была произведена (были израсходованы вычислительные мощности). Теперь блок может быть добавлен в блокчейн и разослан всем другим узлам в сети. Те, в свою очередь, примут блок и сохранят его, добавив к своим данным транзакций, при условии, что все транзакции внутри этого блока могут быть исполнены в соответствии с историей, записанной в блокчейне.
Шаг 7: После того, как блок был добавлен в цепочку, все другие блоки, которые будут добавлены после него, будут считаться «подтверждением» для этого блока. Например, если моя транзакция включена в блок 502, а длина блокчейна составляет 507 блоков, это означает, что моя транзакция имеет 5 подтверждений (507-502). Это называется подтверждением, потому что каждый раз, когда новый блок добавляется после вашего, блокчейн вновь достигает консенсуса по поводу всей истории совершённых транзакций, включая вашу транзакцию и ваш блок. Можно также сказать, что на данный момент блокчейн подтвердил вашу транзакцию 5 раз. На это же опирается и Etherscan, когда показывает вам подробные детали вашей транзакции. Чем больше подтверждений будет у вашей транзакции (другими словами – чем глубже в цепочке находится ваш блок), тем сложнее будет для злоумышленников подменить её (подробнее о том, как это работает, можно прочитать здесь). После того, как новый блок добавлен в блокчейн, всем майнерам нужно начинать заново с «шага 3» и сформировать новый блок транзакций. Майнеры не могут продолжать (на самом деле могут, но это несколько выходит за рамки темы, обсуждаемой в данной статье) майнить тот же самый блок, другими словами – решать задачу – того же самого блока, над которым они работали ранее по двум причинам:
Первая: он может содержать транзакции, которые были подтверждены последним блоком, уже добавленным в блокчейн (помните, что разные майнеры могут выбирать/включать одну и ту же транзакцию(ии) в блок, который они решают). Любые из тех транзакций в случае, если они будут запущены вновь, могут быть признаны недействительными, потому что на балансе кошелька отправителя уже может быть недостаточно средств.
И вторая: каждый блок должен добавить хэш-сумму (подпись) последнего добавленного в блокчейн блока в свои метаданные. Именно это и делает блокчейн блокчейном (цепочкой блоков). Если майнер вдруг продолжит майнить тот же самый блок, над которым он уже работал, другие майнеры заметят, что его хэш-сумма не соответствует той, что была в последнем добавленном в блокчейн блоке и, вследствие этого, отвергнут этот блок.
Для чего нужны майнинг-фермы и зачем такие вычислительные мощности
Если вы интересуетесь современной компьютерной техникой или даже просто регулярно смотрите новости по телевизору, то, конечно же, слышали о криптовалютах и майнинге. Но что это вообще за зверь такой — майнинг? Все эти странные люди «майнеры», которые покупают видеокарты целыми партиями и собирают их в так называемые «фермы», — кто они?
Это, несомненно, очень интересный вопрос, который волнует не посвященных в эту тему людей. Ведь как ни крути, а сегодня криптовалюты и майнинг уже довольно сильно влияют на нашу жизнь. Даже если откинуть в сторону международные финансовые отношения как мало интересную большинству людей тему, то невероятный дефицит мощных видеокарт и их подорожание сильно затрагивает многих из нас. Будь это геймеры-энтузиасты или же школьник Петя, который целых полгода голодал, собирая деньги на школьные обеды, чтобы купить мощную карточку для новой игры, а теперь вынужден собирать ещё столько же времени. Даже просто родители, которые хотели порадовать ребенка на новый год, а теперь не могут этого сделать, так как покупка выходит за рамки бюджета. Дефицит ударил по всем, в том числе и по самим майнерам, которым теперь значительно накладнее обновлять свое оборудование.
Но что вычисляют майнинг-фермы? Для чего все эти жертвы? Большинство людей очень далеки от этой темы, кто-то лишь догадывается, как примерно все это работает, а некоторые строят конспирологические теории о суперкомпьютерах. Какие вычисления происходят при майнинге и зачем майнинг вообще нужен — довольно интересный вопрос, но на самом деле всё куда проще, чем кажется. Усаживайтесь поудобней, в этой статье мы разберем данный вопрос, а также немного поговорим о майнинге в целом.
Майнинг-ферма как новое устройство в мире компьютерной техники
Нам кажется, что объяснение лучше всего начать с очень простой аналогии. Все мы знаем, что такое интернет, все мы пользуемся им каждый день. Но интернет — это не вещь сама в себе, для его функционирования нужны серверы, которые разбросаны по всему миру и хранят в себе определенную информацию. Точно так же и здесь: майнинг-фермы выступают неким аналогом сервера для криптовалюты, хотя все же основной их задачей является не хранение информации, а вычислительные операции.
Сейчас помимо Биткоина на рынке находится очень много различных криптовалют, и все они предъявляют разные требования к необходимому оборудованию. Пока криптовалюта молодая и сложность ее блокчейна невысокая, операции для ее функционирования вполне можно проводить и на домашнем персональном компьютере. Но со временем сложность расчетов растет и обычного компьютера становится недостаточно, и так происходит в подавляющем большинстве случаев.
Находчивые люди придумали использовать для этих целей обычные игровые видеокарты, так как архитектура их чипов значительно лучше подходит под нужды вычисления блоков криптовалюты, нежели центральные процессоры, а значит, на выходе мы получаем огромное ускорение в работе. Считается, что видеокарты в майнинге сейчас — это топовые устройства, и с этим очень трудно спорить. Оборудование для майнинга на основе видеокарт собирается за копейки и в современных реалиях окупается довольно быстро. Кроме того, если ситуация на рынке криптовалюты будет такой, что содержать ферму станет невыгодно, видеокарты всегда можно продать обычным пользователям, чего нельзя сказать о некотором специальном оборудовании.
Таким образом, майнинг-ферма стала новым устройством в мире компьютерной техники и сейчас пользуется большой популярностью. Конечно, в связи с ростом курса практически всех криптовалют вокруг видеокарт поднялся нездоровый ажиотаж, а значит, производители вынуждены поднимать цены, дабы свести к нулю риски убытков в случае массового возврата карт. Связано это с тем, что далеко не все майнеры эксплуатируют свои карты в тех условиях, в которых они должны эксплуатироваться. Часто они работают на чердаках, подвалах с высокой влажностью или же в тесных связках, где температура намного превышает норму, что не может положительно сказаться на работе фермы. Но гарантия есть гарантия, таким образом, производитель все равно должен вернуть деньги за вышедшую из строя карту.
Напрашивается вопрос, майнить в современных реалиях или же не стоит даже пробовать? Ну что ж, данная статья не совсем об этом, и лучше вам все объяснит более узконаправленная статья. Однако стоит сказать: для того чтобы майнить, вам по сути не нужна большая ферма, по крайней мере сразу. Если вы все-таки решитесь попробовать присоединиться к этому «празднику жизни», то вполне резонно сначала будет использовать вашу игровую карту, которая у вас уже есть дабы просто узнать, что это такое. Возможно, это совсем не ваша тема. Но если понравится, тогда уж решайте, вкладывать дополнительные деньги или нет.
В чем заключается майнинг, и какие задачи в нем решаются?
Теперь переходим к самому интересному. Тема о том, какие все же расчеты проводят майнеры на своих домашних фермах, выглядит очень туманной и покрытой мраком. Эта загадочность и сподвигла многих людей строить конспирологические теории и теории заговоров.
И действительно, если подумать, то мощнейший в мире китайский суперкомпьютер Sunway TaihuLight имеет приблизительную вычислительную мощность 93 Петафлопс, а одна видеокарта GTX 1080Ti — 0,0106 Петафлопс. Это значит, что суперкомпьютер равен по мощности 8774 GTX 1080Ti. Согласитесь, это просто смешно. В одной московской области суммарное количество майнеров значительно превосходит эту мощность, что уж говорить о майнерах всего мира, которых сейчас просто невероятное количество. Ну, вот не может все это быть просто так. Не правда ли?
Как мы уже писали выше, майнинг-оборудование помогает функционированию сети блокчейна криптовалюты. А именно, оно помогает решить математические задачи криптографии. Именно из-за того, что данная система строится на принципах криптографии, этот вид электронных денег и получил наименование криптовалюта. Да, да, вы совершенно правильно поняли, на самом деле эта система — близкий родственник Веб Мани, Киви, Яндекс-денег и других подобных систем. С помощью криптовалют точно так же можно проводить транзакции покупки, продажи или обмена товаров, разница заключается только в том, что данная система абсолютно децентрализована и не зависит от банковской системы той или иной страны.
Благодаря тому, что криптовалюты не зависят от государств, транзакции проводятся очень быстро и с самой минимально возможной комиссией, а эмиссия денежных средств в разы меньше эмиссии и инфляции бумажных денег. Но есть в такой системе и минусы: поскольку она полностью децентрализована от банков и государств, то для её функционирования нужны отдельные ресурсы и оборудование.
Вот так мы очень и очень плавно подошли к тому, какие именно задачи решает майнинг-оборудование. Как мы уже поняли, для проведения транзакций внутри криптосистемы нужны вычислительные мощности. Именно эти мощности и предоставляют майнеры, подтверждая проведение транзакций. Другими словами, майнер выступает неким цифровым нотариусом, который подтверждает валидность транзакции и сохраняет ее в системе. Сама же система строится на блокчейне, состоящем из отдельных блоков, которые, в свою очередь, состоят из суммы хеша, в который вписаны все транзакции за определённое время и случайные числа для безопасности системы. Выглядит все довольно сложно, но, если разобраться, это совсем не так.
Майнинг-вычисления распределяются между всеми участниками, которые закрывают блоки транзакций. Но если бы все записывали одинаковые блоки, то рано или поздно в системе наступил бы хаос. Поэтому каждому блоку приписывается свой уникальный, так называемый «красивый» хеш, который и должен отыскать майнер. Это одновременно и служит доказательством работы, и обеспечивает надежность проведенных сделок. Поскольку за каждый блок майнер получает вознаграждение, с каждым закрытым блоком растёт и сложность вычислений в системе. Это сделано для того, чтобы с течением времени эмиссия валюты не росла в геометрической прогрессии и сохранялась стабильность. Также сложность системы растет в случае увеличения количества участников, а награда делится между ними в соответствии с вложенными вычислительными мощностями.
Таким образом, сегодняшнее количество майнеров объясняется банальным желанием людей заработать на популярной теме. Однако если вдруг майнить криптовалюты станет не слишком выгодно и некоторые из участников уйдут, это не значит, что транзакции станут медленными и система обвалится. Система защищает себя и в случае уменьшения вычислительной мощности, сложность сети также снизится, таким образом всегда будет сохраняться тот уровень сложности, который позволит закрыть блок данных за отведенное для этого время.
На чем зарабатывают майнеры?
Что рассчитывают майнеры, мы объяснили, теперь осталось поговорить о том, как они зарабатывают. Как уже говорилось до этого, награда засчитывается участникам за каждый найденный (или другими словами, открытый, закрытый) блок транзакций внутри блокчейна. Обычно время нахождения блока и награда за него фиксированы, например 10 минут и 50 монет криптовалюты. Эти показатели разнятся от валюты к валюте, но суть остается той же. Чем более молодая криптовалюта, тем меньше вычислительной мощности нужно для нахождения блока, но чем более популярной она становится и чем больше обрастает новыми участниками, тем сложнее становится система, и в конце концов может наступить момент, когда вычислительных мощностей майнера-одиночки просто-напросто не хватит для нахождения нужного значения хеша за отведенное для этого время.
В таких случаях майнеры объединяются в так называемые пулы. В пуле все «шахтёры» объединяют свои усилия для нахождения одного блока, а полученную за него награду делят между собой в равной степени согласно предоставленным вычислительным мощностям. Сейчас таким способом пользуется подавляющие большинство майнеров, так как это значительно проще и выгоднее, чем самому покупать дополнительное оборудование.
Чтобы воспользоваться этим преимуществом, вам необходимо определить, что выгоднее — майнить на вашей ферме, после чего просто подать заявку на вступление в пул. Обычно лучше выбирать пул с самой высокой мощностью. Не всегда такие пулы хотят обзаводиться новыми участниками, однако в большинстве случаев вас примут с распростёртыми объятьями. Сколько именно денег принесет ферма, зависит только от ее вычислительной мощности и общей мощности пула. Чем выше эти показатели, тем выше заработок.
Но мы знаем, что большинству из вас интересны именно конкретные цифры заработка майнеров криптовалюты. Здесь очень важную роль играет сложность добычи и курс валюты относительно доллара США. Когда сложность оптимальна, а курс постоянно растет, то заработок среднестатистического домашнего «фермера» может составлять 20–30 долларов в день. Когда курс падает, а сложность возрастает, то и заработок может падать до 3–4 долларов в день и даже ниже. Большинство майнеров очень сильно зависит от времени окупаемости оборудования, так как покупают сразу много карт и вынуждены обновлять их время от времени.
Майнинг Биткоина
Биткоин — первая и самая популярная криптовалюта в мире. На старте в 2009 году за один Биткоин давали всего пять центов, в 2013 году — уже порядка ста долларов за монету. А сейчас цена на эту монету бьет все мыслимые и немыслимые рекорды, она дорожает с каждым днём и стоит уже больше пятнадцати тысяч долларов.
Сначала Биткоин добывать было очень легко, но с ростом популярности валюты были придуманы специальные микросхемы под названием ASIC. Они создавались лишь с целью майнить Биткоин, поэтому благодаря такой узкой направленности были значительно мощнее не только обычных процессоров, но и видеокарт. Со временем предприимчивые ребята стали строить целые ангары с комбайнами на ASIC-системах и очень скоро вытеснили с рынка обычных домашних майнеров на видеокартах.
Сейчас из-за сложности системы Биткоин майнить его на видеокартах совершенно нерентабельно. Никто не запрещает обычному майнеру купить себе асик-ферму, и многие так и делают, но цена на них очень высока, и в случае обвала курса валюты такой «фермер» может быстро пойти ко дну.
Рассказывать, что именно вычисляют при майнинге Биткоина, мы не будем, так как в приведённых примерах, по большему счету, описывалась именно его модель. Стоит только отметить, что алгоритм шифрования Биткоина называется SHA-256 и применяется в большом количестве криптовалют, построенных по его прообразу. Написан этот алгоритм был агентством национальной безопасности США задолго до появления самого Биткоина и использовался как механизм шифрования веб-сайтов по протоколу безопасности SSI.
Майнинг Эфириума
Второй по популярности после Биткоина является криптовалюта Эфириум. Это довольно молодой проект, и на свет он появился совсем недавно — в 2015 году. Именно резкое подорожание этой монеты в начале 2017 года с восьми долларов до двухсот и является причиной массовой пропажи видеокарт с полок магазинов. Поскольку криптовалюта молодая, она очень хорошо добывалась на видеокартах, но сейчас, когда все набросились на ее майнинг, сложность сети очень сильно возросла.
В отличие от Биткоина, добыча Эфириума все ещё доступна на видеокартах и будет актуальной еще некоторое время. Причиной этому не в последнюю очередь служит отсутствие асик-микросхем под Эфир.
Математические задачи, которые решаются при майнинге Эфириума, очень похожи на задачи, решаемые в Биткоин. Это все такие же открытия новых блоков блокчейна для подтверждения транзакций. Главным же отличием систем является то, что в Эфириуме используется новый алгоритм DaggerHashimoto. Работа алгоритма выглядит как хеширование метаданных последнего блока системы, для которого используется специальный код под названием Nonce. Нонс представляет собой обычное двоичное число, которое задает уникальное значение хеша. Подбор «красивого» хеша теперь возможен лишь методичным перебором всех возможных вариантов. Такой вариант хеширования очень сильно усложняет шифрование и требует наличия большого количества памяти. В связи с этим внедрение в майнинг Эфира ASIC-систем очень сильно усложняется, что несомненно положительно скажется на децентрализованной криптовалюте.
Майнинг других криптовалют
Несомненно, Биткоин и Эфириум не единственные криптовалюты на рынке. На сегодняшний день существует уже почти сотня других криптовалют. Однако далеко не все из них столь же успешны и достойны внимания. Поэтому представляем вашему вниманию список десяти наиболее достойных и интересных, на наш взгляд.
В основном все представленные криптовалюты функционируют по одинаковому принципу, который хорошо зарекомендовал себя ещё с Биткоин. В большинстве случаев они отличаются друг от друга только алгоритмом шифрования и некоторыми улучшениями по сравнению со своим прародителем.