Как наистина работи добивът на биткойни

Тъй като биткойнът се приближава към масовото приемане и признаване, неговият основен модел на сигурност, характеризиран като добив, се поставя под светлините на прожекторите и се разглежда все повече и повече всеки ден.

Хората са все по-загрижени и се интересуват от въздействието върху околната среда на копаенето на биткойни, сигурността и степента на децентрализация на базовия модел и дори потенциалното въздействие на пробива в квантовите изчисления върху бъдещето на биткойн и други криптовалути.

Често пъти доказателството за работа се описва като „криптографски пъзел“, но всъщност какъв е този пъзел?

За да разберете истински тези въпроси (и всички възможни отговори), трябва да имате фундаментално разбиране за самото копаене на биткойни и неговото развитие.

Тази статия ще изследва всички технически компоненти и движещи се части на доказателство за работа и как те се синхронизират безпроблемно един с друг, за да позволи на Bitcoin да бъде децентрализираната платформа, каквато е днес.

Защо майнингът работи: криптографско еднопосочно хеширане

Биткойн блокчейнът често се описва като база данни, която е криптографски защитена и впоследствие неизменяема. Основната технология, която задвижва тази неизменност и сигурност, е криптографското хеширане.

Криптографската хеш функция е математическа функция, която, просто казано, взема всеки вход и го преобразува в низ с фиксиран размер.

Има обаче четири специални свойства на тези функции, които ги правят безценни за биткойн мрежата. Те са:

  1. Детерминистичен - за всеки вход в криптографската хеш функция, полученият резултат винаги ще бъде един и същ.
  2. Бързо - Изчисляването на изхода на хеш функцията, като се има предвид всеки вход, е относително бърз процес (не се нуждае от тежки изчисления)
  3. Уникален - Всеки вход във функцията трябва да доведе до напълно произволен и уникален изход (с други думи, няма два входа да доведат до един и същ изход)
  4. Необратимо - При изход на хеш функция, оригиналният вход не може да бъде получен

Тези правила осигуряват основата, която позволява на копаенето на биткойни да защити мрежата.

По-специално, създателят на протокола Bitcoin, Сатоши Накомото, избра да използва хеш функцията SHA-256 като основа за добив на биткойни. Това е специфична криптографска хеш функция, която е математически доказана, че притежава горните свойства. Той винаги извежда 256 битово число (най-основната изчислителна единица), което обикновено се представя в шестнадесетичната бройна система с 64 знака за четливост на човека.

Изходът на функцията SHA-256 обикновено се нарича хеш на нейния вход.

Ето пример за вход и изход на функция SHA-256 (можете да изпробвате сами тук):

Input to SHA-256:  Output to SHA-256: 77077b1f4c3ad44c83dc0bdb8d937e9b71c0ef07a35c2664bb7da85be738eacf

Интересното е, че в повечето места, където се използва хеширане в протокола Bitcoin, се използва двойно хеширане . Това означава, че изходът на оригиналната функция SHA-256 след това се връща обратно във функцията SHA-256, за да се получи друг изход. Ето как изглежда този процес:

Input to SHA-256(first round):  Output (first round): 77077b1f4c3ad44c83dc0bdb8d937e9b71c0ef07a35c2664bb7da85be738eacf Input to SHA-256 (second round): 77077b1f4c3ad44c83dc0bdb8d937e9b71c0ef07a35c2664bb7da85be738eacf Output (second round and final result): 3c6c55b0e4b607b672b50f04e028a6951aed6dc97b91e103fb0f348c3f1dfa00

Двойното хеширане се използва за защита срещу атаки за рожден ден. Атаката за рожден ден е сценарий, при който нападателят е в състояние да генерира същия хеш като друг вход, като използва напълно различен вход (наречен сблъсък ). Това нарушава третото свойство на уникалност. Без него два напълно различни биткойн блока могат да бъдат представени от абсолютно същия хеш, което позволява на нападателите потенциално да изключат блокове.

С функцията SHA-256 вероятността тази атака да се случи е безкрайно малка. Ако не беше почти невъзможно, SHA-256 щеше да се счита за счупен.

Въпреки това, други хеш функции са били „разбити“ в миналото. За да се предпазите от това, което се случва с SHA-256 в бъдеще (и ефективно нарушаване на модела за сигурност на Bitcoin), най-добре е да хеширате хеша . Това намалява наполовина вероятността от сблъсък, което прави протокола много по-сигурен.

На много високо ниво, копаенето на биткойни е система, при която всички биткойн транзакции се изпращат на биткойн майнери. Майньорите избират транзакции на стойност един мегабайт, групират ги като вход към функцията SHA-256 и се опитват да намерят конкретен изход, който мрежата приема. Първият майнер, който намери този изход и публикува блока в мрежата, получава награда под формата на такси за транзакции и създаване на нови биткойни.

Нека направим нещата още една стъпка напред и се потопим в самата биткойн блокчейн, за да видим какво точно правят миньорите, за да направят мрежата сигурна.

Bitcoin Mining: Техническо въведение

Копаенето беше въведено като решение на проблема с двойните разходи. Ако имам 1 биткойн и го изпратя на Боб и след това се опитам да изпратя същия този биткойн на Алис, мрежата гарантира, че ще бъде приета само една транзакция. Това прави чрез добре познатия процес, наречен майнинг.

Преди да се впуснете в техническите подробности, важно е да разберете защо добивът е необходим, за да се защити мрежата. Тъй като фиатната валута съществува сега, валутата, която държим, се създава и валидира от федерален резерв. Тъй като Биткойн работи при твърдото предположение за децентрализация и консенсус, не може да съществува централен орган, който да валидира и поставя време за печат на емитирането на тази валута и валидирането на транзакции, които се случват с тази валута.

Сатоши Накамото предложи единственото известно решение по това време за решаване на този проблем за валидиране в консенсусно ориентирана система. Озаглавена в доклада за биткойн като доказателство за работа , тази схема елегантно оправдава, че транзакциите се валидират от тези, които са готови да изразходват достатъчно физическа изчислителна енергия и време, за да го направят, като същевременно въвежда стимул за предизвикване на пазарна конкуренция. Тази конкуренция дава възможност на децентрализацията да се появи и да процъфти органично в екосистемата.

Поглед вътре в блок

Биткойн блокът се състои предимно от два компонента:

1. Транзакции, под формата на дърво меркла

Майнинг компютрите събират достатъчно транзакции, за да запълнят блок и да ги обединят в дърво на merkle.

Меркле дърво е относително проста концепция: транзакциите лежат в дъното на дървото като листа и се хешират с помощта на функцията SHA-256. Комбинацията от две листови транзакции се хешира отново с помощта на функцията SHA-256, за да се формира родител на листата. Този родител непрекъснато се хешира нагоре в комбинация с други родители на хеширани транзакции, докато не се създаде един корен . Хешът на този корен е на практика уникално представяне на транзакциите, които са под него.

Коренът на дървото merkle е комбинация от хешовете на всяка транзакция в дървото.

Спомнете си, че за всеки вход към хеш функция, изходът е изцяло уникален. Следователно, след като повечето възли в мрежата получат извлечен блок, коренът на хеш на дървото на merkle действа като непроменливо обобщение на всички транзакции в този даден блок.

Ако злонамерен актьор се опита да промени съдържанието на транзакция в блок, неговият хеш ще бъде променен. Тази промяна на хеш ще се разпространява нагоре по дървото на merkle на транзакцията, докато хешът на корена не бъде променен. След това всеки възел може бързо да улови този злонамерен акт, като сравнява корена на дървото на меркъл на променения блок с този на дървото на меркли на валиден блок.

2. Заглавката на блока

Заглавката на блока е обобщение на съдържанието на самия блок. Съдържа следните шест компонента :

  • Версията на софтуера, който клиентът на Биткойн работи
  • Клеймото за време на блока
  • Коренът на дървото на merkle, съдържащо транзакциите
  • Хешът на блока преди него
  • А nВеднага щом
  • В мишената

Не забравяйте, че коренът на дървото merkle на транзакциите действа като ефективно обобщение на всяка транзакция в блока, без да се налага да разглеждате всяка транзакция.

Хешът на предишния блок, преди да позволи на мрежата правилно да постави блока в хронологичен ред. Оттук произлиза терминът блокчейн - всеки блок е прикован към предишен блок.

В дадения случай и целта са това, което правят добив кърлеж. Те са основата за решаване на пъзела SHA-256, който миньорите трябва да решат.

Please note that all of this data in the block header is compressed into 80 bytes using a notation called little-endian, making the transfer of block headers between nodes a trivially efficient process. For the purposes of this explanation, we’ll ignore this compression and assume data is in its original form.

Explaining the Mining Problem

The target stored in the block header is simply a numeric value stored in bits. In traditional base 10 notation, this target ranges anywhere between 0 to somewhere in the range of 2²²⁴ (a 67+ digitnumber), depending on how many miners are competing to solve this problem at the same time.

Recall that the output of SHA-256 is just a number. The goal of a miner is to take the current block’s header, add a random number to it called the nonce, and calculate its hash. This numeric value of the hash must be smaller than the target value.

That’s all there is to it. But it’s much easier said than done.

Recall the first property of SHA-256: an input into a hash function will always result in the same output. Therefore, if the miner took the block header, hashed it, and realized that the hash value wasn’t less than the target, they would have to change the input somehow in order to try finding a hash below the target value.

This is where the nonce comes in.

The miner adds a number (starting from 0), called the nonce, to the block header, and hashes that value. If the hash value isn’t less than the target, the miner will increment the nonce by 1, add it again to the block header, and hash that changed value. This process is repeated continuously until a hash less than the target value is found.

A Mining Example

Here’s a rough approximation of what made up the first block header:

  • The merkle root of the transaction in the Genesis block:
Merkle Root: 4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b
  • The first known Bitcoin version: 0.1.0
  • The timestamp of the block: 2009–01–03 18:15:05
  • The target (this is also the highest the target will ever be):
Target: 0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
  • No previous block hash — this was the first block, and so this is a unique case

The final block header after adding its components together:

Let’s take this large header and compute the double-hash:

SHA-256 of header: 7d80bd12dfdccbdde2c41c9f406edfc05afb3320f5affc4f510b05a3394e1c91 SHA-256 of the previous result (final result): c5aa3150f61b752c8fb39525f911981e2f9982c8b9bc907c73914585ad2ef12b

Both the target and the output hash are incredibly large numbers when converted to base 10 (remember, over 67 digits long). Instead of trying to demonstrate the comparison of the two here, the following Python function handles the comparison instead:

def isBlockHashLessThanTarget(blockHash, target): return int(blockHash, 16) < int(target, 16)

True is returned if the hash is less than the target, false otherwise.

Here is the result with our target and block hash:

Now we take the original block hexadecimal value and add 1 to it. Here is the following result:

We then run the same hashing algorithm and comparison on this changed data. If its not below the target, keep repeating.

Once a successful hash is found, the latest nonce used to find this solution is saved within the block.

The listed nonce on the Genesis block is 2,083,236,893.

This means Satoshi Nakomoto iterated through this process over 2 billion times before he found a hash that was acceptable.

I’ve written a small Python implementation of this Genesis block mining process that can be found on my GitHub.

subhan-nadeem/bitcoin-mining-python

bitcoin-mining-python - A Python implementation of the Bitcoin mining algorithm

github.com

See how long it would take for you to successfully mine the Genesis block!

A Caveat: extraNonce

The nonce value in a block header is stored as a 32-bit number. This means that the highest nonce anybody is able to achieve is 2³² (approximately 4 billion). After 4 billion iterations, the nonce is exhausted, and if a solution is not found, miners are once again stuck.

The solution to this is to add a field to the coinbase (the transaction contents of a block, stored as the merkle tree) called the extraNonce. The size of this extraNonce is only limited by the size of block itself, and so it can be as large as miners wish as long as the block size is within protocol limits.

If all 4 billion possible values of the nonce are exhausted, the extraNonce is added and incremented to the coinbase. A new merkle root and subsequently new block header are calculated, and the nonce is iterated over once again. This process is repeated until a sufficient hash is found.

It’s best to avoid adding the extraNonce until the nonce is exhausted, because any change to the extraNonce changes the merkle tree. This requires extra computation in order to propagate the change upwards until a new root of the merkle tree is calculated.

The Miner Reward

A miner who successfully publishes a block the fastest is rewarded brand new Bitcoin, created out of thin air. That reward currently stands at 12.5 BTC. Just how do these Bitcoins come into existence?

Each miner simply adds a new output transaction to their block that attributes 12.5 Bitcoins to themselves before beginning to mine the block. The network protocol will accept this special transaction as valid upon receiving a newly validated block. This special transaction is called a generation transaction.

Its the miner’s responsibility to add this transaction into the block before mining it. There has been at least one case where miners forgot to add the reward to the transaction before mining a block, effectively destroying 12.5 BTC!

Validating Proof-of-Work

Let’s say our miner has found a hash that is less than the target. All this miner has to do is publish the mined block with the original six components to any connected nodes.

This node receiving the block will first verify the transaction set, ensuring all transactions are valid (for example, all transactions are appropriately signed, and coins aren’t being double-spent and/or being created out of thin air).

It will then simply double-hash theblock header and ensure the value is below the block’s included target value. Once the block is deemed valid, the new node will continue to propagate this block across the network until every node has an up-to-date ledger.

As you can see, newly published blocks can easily be verified by any given node. However, publishing a valid block to the network requires an incredibly large amount of computational power (thus, electricity and time). This asymmetry is what allows the network to be secured while simultaneously allowing individuals who wish to conduct economic activity on the network to do so in a relatively seamless manner.

The Block Time and Adjusting the Target

As the first miners began mining, they each monitored the block time. Each Bitcoin block has a set block time of 10 minutes. What this means is that given the current level of computing power (networkhashrate) on the network, nodes will always expect newly validated blocks to be produced every 10 minutes on average.

We can reasonably expect blocks to be produced within 10 minutes because the probability of finding a block, given the network hashrate, is known.

For example, let’s take the easiest target that’s ever existed in Bitcoin: the genesis block. The probability of any single hash being less than the easiest target is 1 in 2³². That’s one in over four billion. Therefore, we can reasonably expect somebody to run 2³² iterations of the mining problem in order to find a proper hash. Nodes on the network expected four billion of these iterations to be run across allminers on the network every 10 minutes.

If, over a large sample size of blocks, blocks start appearing faster than 10 minutes, this is a pretty clear indication that nodes on the network are iterating through four billion hashes much faster than 10 minutes. This situation prompts every node to adjust the target proportionally based on the increase (or decrease) in network power to ensure blocks continue to be produced every 10 minutes.

In actuality, nodes on the network monitor the block time across 2016 blocks, which comes out to exactly two weeks. Every two weeks, the total block time is compared to the expected block time (which is 20160 minutes).

To obtain the new target, simply multiply the existing target by the ratio of the total actual block time over the last two weeks to get the expected block time. This will adjust the target proportionally to the amount of entering or exiting computing power on the network.

The block time and the ability to easily calculate the probability of finding a valid block lets nodes easily monitor and determine the total hashpower on the network and adjust the network. No matter how much computing power is added to the network or how quickly its added, on average the block time will always remain at 10 minutes.

The current total hash rate on the network is 28.27 exahash per second. That’s 28.27 x 10¹⁸ hashes run every second across all computers on the network.

In summary

We have now comprehensively covered the following:

  • Why cryptographic one way hashing is vital to proof-of-work
  • A breakdown of the construction of a Bitcoin block
  • The actual mining process and iteration itself
  • How nodes can easily validate other blocks
  • How the network manages to maintain the algorithm and competitiveness by monitoring the block time and adjusting the target

You should now be able to understand and explain how proof-of-work actually functions and why it is considered to be an entirely secure algorithm that enables decentralization and consensus!

Follow me on Twitter and Medium if you’re interested in more in-depth and informative write-ups like these in the future!