Блокчейн. Принципы и основы

Майнинг в сети биткоин

Занимаясь интеграцией концепта Proof-of-Work в свой проект Bit Gold, который многие считают «предтечей» Биткоина, Ник Сабо столкнулся с проблемой, когда фиксированная сложность вычислительной задачи вела к потенциальной уязвимости, которая с большой вероятностью проявилась бы в будущем. Дело в том, что совокупная вычислительная мощность сети будет со временем естественным образом расти. Произойдет это по двум причинам: во-первых, вырастет общее количество узлов, а во-вторых, согласно закону Мура, усредненная вычислительная мощность отдельно взятого узла системы будет также постепенно увеличиваться. Таким образом, через какое-то время заложенная в логике проекта фиксированная сложность вычислительной задачи перестанет быть для сети проблемой. В конечном итоге сетевые узлы превратятся в «печатные станки» для электронных денег, что неизбежно спровоцирует в системе гиперинфляцию. Стоит ли сомневаться, что после этого все узлы системы будут материально демотивированы и едва ли захотят в дальнейшем участвовать в подобном проекте.

Напомним, что суть сложновычислимой задачи в проекте Bit Gold состояла в переборе хешей различных прообразов. А конечной целью было нахождение такого хеша, который бы считался для всей сети валидным – то есть в данном случае содержал определенное количество нулей в начале строки данных. Статическая сложность вычислительной задачи стала для Сабо одним из непреодолимых препятствий, которое так и не позволило BitGold увидеть свет. Однако Сатоши Накамото в своем проекте Биткоин эту задачу решил, и, как мы сейчас убедимся, достаточно элегантно.

На самом деле для данной проблемы напрашивается очевидное решение: если статическая сложность задачи является барьером для экономической стабильности системы, то необходимо сделать ее динамической. Как нам уже известно, для того, чтобы получить n нулевых бит в начале строки хеша, надо перебрать для хеширования максимум 2ⁿ прообразов. Очевидно, что чем больше число n, тем сложность задачи экспоненциально увеличивается. Накамото предложил хешировать заголовок создаваемого блока, начав с самой маленькой сложности. В этом случае нужно было получить всего восемь нулевых символов в начале строки хеша заголовка. Поскольку один символ занимает четыре бита, то необходимо было перебрать не более 2³² вариантов, то есть около 4,3 млрд. А затем, по мере увеличения количества узлов в сети, которые пытаются искать валидные хеши, пропорционально поднимать сложность, увеличивая требования к количеству стартовых нулей.

Когда Накамото запустил свою сеть Биткоин в начале января 2009 года, в ней, помимо самого создателя системы, не было других участников. Поэтому первые блоки «намайнил» именно сам Накамото. Когда в сети Биткоин стали появляться другие узлы, сложность сети начала постепенно увеличиваться. Логика управления сложностью была заложена следующая: сложность сети должна быть такова, чтобы вне зависимости от количества узлов, которые ищут блоки, а также от их вычислительной мощности новый блок можно было бы найти в среднем не более и не менее чем за десять минут. Сложность пересчитывалась каждые 2016 блоков, то есть примерно один раз в две недели. Совокупное, реально затраченное время нахождения всех 2016 блоков разделялось на их количество, и полученный результат сравнивался с десятиминутным эталоном. Если блоки находились в среднем быстрее, сложность увеличивалась – то есть поднимались требования к количеству нулей в хеше заголовка блока. Если медленнее – требования уменьшались.

Теперь следует сделать отступление, чтобы разобраться, каким образом перебираются хеши в процессе майнинга. Поскольку хешируется заголовок блока, это означает, что хешируемая информация довольно статична. А это, в свою очередь, говорит о том, что при неизменном прообразе мы будем все время получать один и тот же хеш. Что входит в противоречие с нашей целью – найти «золотой» хеш, чтобы он начинался с большого количества нулей. Давайте взглянем еще раз на структуру заголовка блока, чтобы понять: есть ли там какая-либо динамическая величина, которая будет меняться настолько быстро, чтобы у майнера была возможность хешировать миллионы, миллиарды или даже триллионы прообразов в секунду?

Порядковый номер блока – информация сугубо статичная, которая меняться не будет. Номер версии блока также представляет собой фиксированное значение. Теперь что касается времени создания блока, которое выражается в секундах, прошедших с 1 января 1970 года. Логично было бы предположить, что оно будет меняться не чаще раза в секунду, что для нашей задачи является крайне низкой динамикой. Число транзакций в блоке и вычисленное из них корневое значение дерева Меркла – информация также относительно постоянная. Однако бывают случаи, когда во время поиска валидного хеша майнеру поступают новые транзакции с более высокой комиссией, чем те, что он ранее включил в блок, – тогда блок будет иметь смысл пересобрать заново. Но данная процедура также имеет достаточно низкую динамику и проблем с необходимым разнообразием хешей не решает.

Получается, что коль скоро высокодинамичная информация в заголовке блока естественным образом отсутствует, для решения поставленной задачи необходимо вводить в процедуру майнинга некий искусственный элемент. Он не будет нести никакой полезной нагрузки, кроме как играть роль дополнительной составляющей заголовка блока, как прообраза для хеширования. И такой элемент действительно присутствует в заголовке каждого блока, и называется он «нонс» (nonce). Именно значение этого нонса майнер и будет исключительно быстро менять при переборе, открывая возможности для получения огромного количества разнообразных хешей, среди которых может оказаться и заветный «золотой» хеш с требуемым количеством нулей.

По сути, процедура майнинга и сводится к поиску подходящего значения этого самого нонса, который, будучи добавленным к заголовку блока, позволит майнеру вычислить валидный хеш, дающий ему право на создание нового блока, безусловно принимаемого всей сетью. Однако процедура поиска необходимого значения нонса достаточно сложна. В сети Биткоин используется алгоритм хеширования SHA-256, который предполагает два цикла по 64 итерации хеширования каждый. По состоянию на весну 2019 года сложность сети Биткоин требует наличия 18 первых нулевых символов для нахождения валидного хеша, соответствующим 72 нулевым битовым значениям. Что требует примерно 2⁷² или около 5 · 10²¹ переборов хешей. Много это или мало? Давайте попробуем сравнить это число, скажем, с количеством песчинок на всех пляжах нашей планеты. Ученые сопоставляют количество песчинок с величиной, приближенной к 10¹⁸. Таким образом, сложность нахождения нужного нам валидного хеша с такими требованиями сопоставима с процедурой перебора всех песчинок примерно на 5000 планет, условно подобных Земле. Вот пример такого валидного хеша, с требованием по сложности в 18 начальных нулей:

Как уже упоминалось, первые блоки сети Биткоин Сатоши Накамото находил самостоятельно и использовал для этого обычный компьютер. Как, собственно, и другие участники сети, которые стали постепенно в ней появляться. И на том самом начальном уровне сложности обычного процессора компьютера вполне хватало, чтобы находить блок за положенные в среднем десять минут. Однако по мере роста количества участников сети сложность стала автоматически пересчитываться в сторону увеличения, и в какой-то момент для обычного компьютерного процессора вычислительная задача стала «неподъемной». Тем не менее майнеры быстро нашли выход – они задействовали для поиска блоков не центральный процессор, а тот, который был установлен на их видеокартах. В силу специфики своей вычислительной архитектуры графический процессор гораздо быстрее рассчитывал хеши, чем центральный. Но через определенное время сложность возросла настолько, что и графический процессор перестал справляться с майнингом блоков. Правда, решение было найдено довольно скоро: в июне 2012 года компания Butterfly Labs начала поставлять специальное программно-аппаратное обеспечение под названием ASIC (Application-Specific Integrated Circuit, или «интегральная схема специального назначения»). Фактически это был небольшой специализированный компьютер, полностью оптимизированный только под одну задачу – перебирать хеши по алгоритму SHA-256 и делать это исключительно быстро. Началась эра сначала частного, а затем и промышленного майнинга Биткоина с использованием самых новейших аппаратных средств, производимых различными компаниями, активно конкурирующих между собой.

Для того чтобы понять, насколько увеличилась сложность сети за первые десять лет ее существования, рассмотрим понятие скорости перебора хешей, или «хешрейт» (hashrate). Различают хешрейт как отдельного устройства, так и совокупный хешрейт всей сети. Очевидно, что чем выше общий хешрейт сети Биткоин, тем выше сложность нахождения валидного хеша для создания блока. Иначе майнеры находили бы блоки слишком быстро, что противоречит логике, заложенной в блокчейн-систему. Вот как менялся хешрейт на протяжении десяти лет существования сети Биткоин (на примере логарифмического графика):

Первые устройства ASIC работали с хешрейтом 4,5 Гигахеш в секунду. То есть если бы они использовались в самом начале работы сети Биткоин на минимальной сложности, они находили бы валидный хеш примерно за одну секунду. Эта скорость была в 600 раз выше той, на которой вычислял первые блоки сам Сатоши Накамото, используя процессор своего компьютера. Устройства ASIC образца весны 2019 года, поставляемые компанией Bitmain, осуществляют перебор хешей со скоростью до 53 Терахеш в секунду. Это более чем в 10 000 раз быстрее по сравнению с первыми устройствами, представленными почти за семь лет до этого. Однако совокупный хешрейт сети Биткоин на своих пиковых показателях достигал совершенно космических значений – примерно 60 эксахешей в секунду, что составляет величину перебора всей сетью 6 · 10¹⁹ хешей за одну секунду. И тем не менее сложность задачи поиска валидного хеша такова, что даже настолько огромная совокупная вычислительная мощность всей сети позволяет майнить один блок за те же в среднем десять минут. О чем это говорит?

О том, что практически ни один конкретный индивидуум, даже обладая значительным количеством новейших высокоскоростных устройств ASIC, исчисляемых сотнями и даже тысячами, не сможет со своей майнинговой фермой самостоятельно осуществить майнинг хотя бы одного блока в сети Биткоин. Если, конечно, не допускать какую-то исключительную удачу, которая все равно не сможет проявляться на постоянной основе. Поэтому майнеры объединяются в огромные вычислительные пулы и таким образом распределяют как сложность задачи, так и вознаграждение за ее решение пропорционально между участниками пула, сообразно контрибуцированной вычислительной мощности от каждого из них. Первый такой пул открылся 18 сентября 2010 года, еще до появления устройств ASIC, когда майнинг в основном осуществлялся на процессорах и видеокартах. Впоследствии количество подобных пулов увеличилось, а затем они начали консолидироваться в более крупные объединения майнеров со всего мира.