Биткоин за 5 минут: Майнинг

«Майнинг»  —  второе слово после «блокчейна», с которым у многих ассоциируется Биткоин.

Но, не все знают истинную сущность этого понятия, а также его предназначения в протоколе (программных правилах) криптовалюты.

Для большинства майнинг  —  это какой-то фантастически непонятный процесс в ходе которого при помощи компьютерного оборудования (видеокарт и asic-процессоров) идет добыча денег  —  монет биткоина.

Действительно, слово «майнинг» (mining) в переводе с английского означает добычу полезных ископаемых. А майнеры (miners)  —  это шахтеры.

Но, чтобы понять истинное предназначение и роль майнинга в процессе функционирования криптовалют и блокчейна, надо погрузиться не в горнодобывающую, а в финансовую сферу.

Вернемся к денежным переводам (транзакциям), которые составляют главную задачу и цель существования сети Биткоина.

Собственно, процесс денежных переводов в типичной финансовой среде описывается серией из четырех последовательных шагов:

1. Submission  —  отправитель посылает в систему платежное сообщение (поручение) о переводе некоторой суммы денег получателю;
2. Validation  —  сообщение проходит процедуру проверки отправителя и целостности сообщения;
3. Conditionality  —  проверяется наличие достаточного баланса для перевода на счету отправителя;
4. Settlement  —  проведение транзакции, перевод денежных средств на счет получателя.

В современной  экономике эти процессы обычно поддерживаются финансовыми посредниками, такими как банки. 

Отправитель (клиент банка) посылает платежное сообщение или поручение (submission) в платежную систему банка. Это сообщение должно пройти процедуру подтверждения (идентификации) клиента и целостности сообщения (validation). После успешной валидации сообщения банковская система проверяет необходимые условия для платежа (conditionality), а именно  —  достаточность средств на балансе клиента или наличие кредита. Если все проверки пройдены, банк окончательно (безусловно и безотзывно) проводит платеж (settlement)— пополнение счета получателя и уменьшение баланса счета отправителя.

Как видим, с одной стороны эта система централизована  —  основную роль в проведении платежей выполняет финансовый посредник  —  банк. С другой стороны, эта система построена на доверии к посреднику, поскольку клиенты доверяют банку проводить финансовые операции со своими деньгами.

Криптовалюты, в частности Биткоин, являются полностью децентрализованными системами, в которых вопросы доверия решаются криптографическими методами.

Поэтому, процесс денежных переводов в них присходит несколько по-другому, а именно:

1. Submission  —  отправитель перевода при помощи программного приложения «биткоин-кошелек» направляет в сеть Биткоина сообщение, в котором указываются биткоин-адреса отправителя и получателя, а также сумма перевода и сумма комиссии за перевод (опционально).
   Это сообщение автоматически подписывается электронной цифровой подписью (ЭЦП) отправителя, которая формируется при помощи закрытого (приватного) ключа отправителя и криптографически связана с его биткоин-адресом. Подробнее см. статью «Электронная цифровая подпись: Просто и наглядно».
2. Validation  —  это сообщение проходит проверку в сети по ЭЦП. Тем самым, происходит идентификация отправителя. Для проверки используется биткоин-адрес, поскольку он связан с приватным ключом отправителя при помощи которого он подписал сообщение.
   На самом деле личность отправителя не имеет значения, она остается анонимной. Под идентификацией отправителя понимается соответствие биткоин-адреса отправителя и сообщения (платежного поручения) криптографической подписи (ЭЦП). Тем самым подтверждается, что указанная сумма денег (монет биткоина) должна быть отправлена с конкретного биткоин-адреса.
3. Conditionality  —  проверяется наличие достаточного баланса для перевода на счету отправителя. Для этого, согласно протоколу Биткоина, происходит подсчет всех непотраченных Выходов (т.н. UTXO — unspent transaction output) этого адреса. Подробнее см. статью «Биткоин за 5 минут: Блок».
4. Если все проверки прошли, сформированная транзакция ждет добавления в блок и записи в блокчейн.

И вот тут, собственно, и начинается процесс, который получил название «майнинг».

Что же это такое? попробуем разобраться…

Казалось бы все просто — если платежное сообщение (поручение) прошло все проверки, то его можно записывать в реестр (бухгалтерскую книгу), каковым является блокчейн. 

Но, во-первых, мы знаем, что данные (транзакции) в блокчейн записываются в виде блоков (транзакций). Следовательно, надо предварительно сформировать блок. Если блок будет маленьким, например, из нескольких транзакций, то блоки формировались бы с большой скоростью.

Во-вторых, как мы знаем, сеть Биткоина является одноранговой и децентрализованной, т.е. состоящей из многих разбросанных по всему миру постоянно работающих компьютеров (серверов), называемых узлами (node).

Следовательно, обработка поступивших в сеть платежных поручений о переводе биткоинов, может вестись одновременно на многих узлах. Каждый узел формировал бы и записывал свои блоки. 

При этом могла возникнуть ситуация называемая «проблемой двойных трат», когда некий недобросовестный пользователь Биткоин-сети решил отправить со своего биткоин-адреса, баланс которого составляет 1 BTC, одновременно два платежа по 1 BTC на два разных биткоин-адреса. 

Эти платежи могли одновременно попасть на обработку в разные узлы и быть записаны в разные блоки. Но, как мы знаем, записанный в блокчейн блок исправлять уже нельзя.

В общем, ситуация, при которой все узлы сети Биткоина могут одновременно записывать блоки в блокчейн привела бы к хаосу. 

Поэтому протоколом Биткоина предусмотрено, что каждые 10 минут в блокчейн может быть записан только один сформированный блок.

Но, какой именно узел будет это делать? Ведь сеть Биткоина одноранговая и все узлы имеют равные права.

Автор Биткоина, некий Сатоши Накамото, предложил в протоколе использовать для определения такого узла алгоритм, который получил название Proof of Work (PoW)  — доказательство сделанной работы.

Записать новый блок в блокчейн может только тот узел, который первым выполнит вычислительную работу по решению некоторой криптографической задачи большой сложности.

При этом, все другие узлы могут быстро проверить правильность решения этой задачи, а также подтвердить, что все транзакции в сформированном блоке валидны.

Такой криптографической задачей в протоколе Биткоина является задача по подбору параметра, называемого nonce, который, будучи добавлен к заголовку сформированного блока, давал хэш-код, начинающийся с заданного количества нулевых битов (bits), что равносильно получению хэша, менее и равного заданного большого числа.

Другими словами, надо добавить такую короткую строку данных (nonce) в сформированный блок, чтобы получившийся хэш-код блока начинался с нескольких нолей.

Такую задачу можно решить только перебором большого количества разных параметров (nonce). Что очень трудоемко и требует больших вычислительных мощностей. 

С другой стороны, проверка правильности решения этой криптографической задачи очень проста — надо просто добавить nonсе в сформированный блок и вычислить его хэш-код при помощи хэш-функции SHA-256.

Весь этот процесс по «цифроперемалыванию»  —  подставил новый параметр nonce, вычислил хэш, проверил результат и т.д. до нахождения нужного хэша с нолями в его начале  —  и есть пресловутый «майнинг»!

Следует добавить, что сложность решаемой криптографической задачи может изменяться (увеличиваться) в зависимости от суммарной мощности компьютеров узлов, занятых майнингом. С ростом этой мощности количество нулевых битов в искомом хэше растет таким образом, чтобы максимальное время поиска результата (nonce) было не более 10 минут. Это автоматическое изменение сложности зашито программно в протоколе Биткойна.

К слову сказать, растущая мощность сети майнеров, а также связанная с ней сложность криптографической задачи и, как следствие, сложность и трудоемкость «добычи» биткоинов приводит к тому, что майнеры объединяются в т.н. пулы, чтобы повысить вероятность решения задачи и получения вознаграждения за блок. При успехе «добытые биткоины», включая и комиссионное вознаграждение, делятся пропорционально вычислительной мощности каждого участника пула. 

Но вернемся к майнигу… А где же добытые «шахтерами» (майнерами) деньги (биткоины)?

Разумеется, любая работа должна поощряться. Тем же протоколом Биткоина предусмотрено вознаграждение майнерам за записанный в блокчейн блок транзакций в виде новых монет биткоина.

Собственно, новые монеты могут попасть в сеть Биткоина только в результате майнинга. Тем самым осуществляется эмиссия биткоина.

Первоначально (в 2009 году) за каждый новый блок (т.е. каждые 10 минут) манеры, которые добавили его в блокчейн, получали 50 монет BTC. Но, опять же, протоколом Биткоина установлено, что через каждые 210 000 блоков (примерно 4 года) вознаграждение за новый блок уменьшается в 2 раза. Поэтому сейчас (2017 год) майнеры получают за добавленный блок 12,5 BTC. А суммарное количество биткоинов (эмиссия) не может превышать 21 млн монет. Почему это так, я рассказал в статье «Просто и наглядно: Почему количество биткоинов ограничено».

Помимо платы за блок майнеры, добавившие блок в блокчейн Биткоина, получают комиссионное вознаграждение (transaction fee) с каждой транзакции.  При этом майнеры стараются наполнить блок в первую очередь транзакциями с максимальной комиссией. Поэтому, если отправитель указал небольшую комиссию, его платежное поручение откладывается в исполнении. В резульатте некоторые платежи могут идти часами, а то и вовсе не пройти.

Подведем итоги:

Майнинг  —  это необходимый и важный процесс в сети Биткоина, в результате которого решаются задачи:

1. Запись нового блока транзакций в блокчейн.
2. Выпуск новых монет биткоина (эмиссия).
3. Сетевое вознаграждение участникам сети (майнерам) за обработку транзакций и формирование нового блока.
4. Поддержание большого количество копий блокчейна в сети. Это происходит из-за того, что майнерам необходимо иметь полную актуальную (последнюю) версию блокчена для контроля (валидации) новых транзакций.

Ранее по теме «Биткоин за 5 минут»:
– Кошельки и Транзакции
– Блокчейн
– Блок