Bitcoin in a nutshell — Mining23.01.2017 09:48

Даже люди, бесконечно далекие от темы криптовалют, скорее всего слышали про майнинг. Наверное и ты, дорогой читатель, задумывался о том, чтобы включить свой игровой Pentium 4 на ночь, а утром проснуться уже богатым.

Но, как это часто случается в мире блокчейна, тех кто слышал — много, а вот тех, кто реально понимает процесс от начала до конца, — единицы. Поэтому в последней главе я пострался максимально подробно охватить все тонкости, начиная от технической реализации PoW, заканчивая рентабельностью майнинга на видеокартах.

Book

• Bitcoin in a nutshell — Cryptography
• Bitcoin in a nutshell — Transaction
• Bitcoin in a nutshell — Protocol
• Bitcoin in a nutshell — Blockchain
• Bitcoin in a nutshell — Mining

Table of content

1. Explain me like I’m five
2. Sky is the limit?
3. Reward
4. Hard challenge
5. Technical side
6. 2 Blocks 1 Chain
7. Hardware
8. Conclusion
9. Links

Explain me like I’m five

Майнинг, также добыча (от англ. mining — добыча полезных ископаемых) — деятельность по поддержанию распределенной платформы и созданию новых блоков с возможностью получить вознаграждение в форме эмитированной валюты и комиссионных сборов в различных криптовалютах, в частности в Биткойн. Производимые вычисления требуются для обеспечения защиты от повторного расходования одних и тех же единиц валюты, а связь майнинга с эмиссией стимулирует людей расходовать свои вычислительные мощности и поддерживать работу сетей — Wikipedia

Если на пальцах, то майнинг — это критически важный для Bitcoin процесс, состоящий в создании новых блоков и преследующий сразу две цели. Первая — производство денежной массы. Каждый раз, когда майнер создает новый блок, ему за это полагается награда в N-ое число монет, которые он потом где-нибудь тратит, тем самым запуская в сеть новые средства.

Вторая, и куда более важная цель, — обеспечение работы всей сети. Наверняка, читая предыдущие статьи, вы уже задавали себе вопросы «Кто тот человек, который проверяет скрипты транзакций?» или «Если в качестве входа я укажу уже использованный выход, в какой момент это заметят?».

Так вот, все эти действия выполняют в первую очередь майнеры. Ну, на самом деле каждый участник сети в той или иной степени обеспечивает ее безопасность. Синхронизировать Bitcoin так долго не потому что приходится качать 100 ГБ, а потому что надо проверить каждый байт, посчитать каждый хэш, запустить каждый скрипт и так далее.

Но если нарисовать весь процесс, начиная с нажатия кнопки «Send» в кошельке и заканчивая просмотром блока с вашей транзакцией где-нибудь на blockchain.info, то именно майнеры будут решать, окажется ваша транзакция в блоке или нет.

Sky is the limit?

Для начала давайте еще раз пройдемся по первому пункту и обсудим понятие денежной массы.

Одна из фундаментальных фишек, которой часто бравируют сторонники криптовалют — заложенная изначально дефляция. Это связано с тем, что еще на этапе проектировки системы, было указано суммарное ограничение в 21 миллион монет (примерно), и даже если очень сильно захотеть, поднять этот порог не получится. В отличие от рубля или доллара, которые по желанию казначейства могут быть напечатаны в любом количестве, что иногда приводит к печальным последствиям, как в Зимбабве.

BTW не все считают дефляцию таким уж однозначным плюсом.

Reward

Следующий хороший вопрос — откуда взялась цифра в 21 миллион?

Я думаю вы понимаете, что сумма выпущенных монет в конкретный момент времени равна сумме вознаграждений за блоки, созданные к этому моменту. Довольно очевидный факт, учитывая что существует только один путь, по которому новые монеты попадают в сеть.

Но вознаграждение не фиксировано, и более того, каждые 210.000 блоков (примерно раз в 4 года) оно уменьшается в два раза.

consensus.nSubsidyHalvingInterval = 210000;
// https://github.com/bitcoin/bitcoin/blob/master/src/chainparams.cpp#L73

Так, например, когда все начиналось в январе 2009, награда за блок составляла 50 BTC. Спустя 210.000 блоков, в ноябре 2012 она упала до 25 BTC, и совсем недавно, 9 июля 2016, снизилась до 12.5 BTC.

Несложно посчитать точное число Сатоши, которые будут произведены на свет, если предположить, что Bitcoin не заглохнет в ближайшие 200 лет:

start_block_reward = 50
reward_interval = 210000

def max_money():
    # 50 BTC = 50 0000 0000 Satoshis
    current_reward = 50 * 10**8
    total = 0
    while current_reward > 0:
        total += reward_interval * current_reward
        current_reward /= 2
    return total

print "Total BTC to ever be created:", max_money(), "Satoshis"
# Total BTC to ever be created: 2099999997690000 Satoshis

На картинке ниже изображена кривая добычи, которая будет все более плавно подходить к отметке в 21 миллион BTC, достигнув пика примерно в 2140 году. В это время награда за блок станет 0 BTC.

Остается только гадать, что тогда произойдет с Bitcoin, но одно мы можем знать точно — совсем без денег майнеры не останутся. Как минимум у них еще есть transaction fee, другое дело, что эта самая комиссия может на порядок увеличиться.

Возьмем для наглядности какой-нибудь свежий блок, например #447119. Сумма комиссий со всех транзакций в блоке составляет примерно 0.78 BTC, при том что вознаграждение за него — 12.5 BTC. То есть если завтра reward исчезнет, то в нашем случае комиссия должна вырасти более чем в 16 раз, чтобы нивелировать это неприятное событие. Понятно, что никакими микроплатежами тут уже и не пахнет.

Mining for dummies

Давайте постараемся еще раз представить процесс майнинга на нашем, пока что примитивном уровне.

Существует сеть с кучей участников. Некоторые из участников называют себя майнерами — они готовы собирать на своем ПК новые транзакции, проверять их на валидность, потом каким-то образом майнить из них новый блок, раскидывать этот блок по сети и получать за это денежку. Логичный вопрос — если все так просто, то почему этим не занимается каждый участник сети?

Понятно, что если все было бы так, как я сейчас описал, то блоки выходили бы по сто раз в секунду, валюты было бы столько, что за нее никто не дал бы и цента, и так далее.

Поэтому Сатоши был вынужден придумать алгоритм, со следующими свойствами:

• Создание нового блока — вычислительно сложная задача. Нельзя вот так просто включить мощный ПК и за минуту намайнить сто блоков.
• На вычисление нового блока у всей сети уходит 10 минут (в среднем). Если посмотреть на Litecoin, то там блоки выходят раз в 2–3 минуты, суть заключается именно в том, что среднее время заранее установлено.
• Более того, это время не зависит от числа участников сети. Даже если однажды майнеров станет в сто раз больше, то алгоритм должен так изменить свои параметры, чтобы блок стало находить сложнее, и block time опустился обратно в окрестность десяти минут.
• Помним, что сеть распределенная и одноранговая, а значит, она должна сама понимать, в какой момент и как нужно подкрутить эти параметры. Никаких управляющих нод, все полностью автономно.
• Если решение задачи по созданию нового блока — это сложная задача, требующая времени и ресурсов, то проверка блока на «корректность» должна быть простой и практически мгновенной.

Proof-of-Work (PoW)

Скорее всего вы сейчас прибываете в полной прострации и не очень понимаете, как такое вообще возможно. Но Сатоши не растерялся и смог придумать решение для всех этих проблем — алгоритм получил название Proof-of-Work, вот так он выглядит (советую сначала прочитать Bitcoin in a nutshell — Blockchain):

Пусть вы — майнер. У вас есть 10 транзакций, которые вы хотите замайнить в блок. Вы проверяете эти транзакции на валидность, формируете из них блок, в поле nonce указываете 0 и считаете хэш блока. Потом меняете nonce на 1, снова считаете хэш. И так до бесконечности.

Ваша задача — найти такой nonce, при котором хэш блока (256 битное число) меньше заранее заданного числа N. Поиск такого хэша возможен только тупым перебором nonce, никаких красивых алгоритмов здесь нет. Поэтому чем быстрее вы хотите найти nonce, тем больше мощностей вам понадобится.

Число N — именно тот параметр (его еще называют target), который сеть настраивает в зависимости от суммарной мощности майнеров. Если завтра блоки начнут выходить, условно говоря, раз в три минуты, то N будет как-то уменьшено, времени на поиск nonce потребуется больше и block time снова вырастет до 10 минут. И наоборот.

Technical side

Самое время перейти от слов к делу и продемонстрировать, как работает Proof-of-Work и майнинг в целом. А по моему скромному мнению, нет ничего лучше, чем показать вообще весь процесс прямо в боевых условиях. Для этого мы сейчас с ходу напишем свою майнинг ноду и даже попробуем сделать новый блок раньше всех, хотя шансы на успех невелики.

Receive transactions

По-хорошему здесь нужно снова погружаться в спецификацию протокола, устанавливать контакт с другими нодами и ждать, пока нам пришлют свежие транзакции. В этом случае у нас получится самый настоящий real-time майнер, ничем не хуже уже готовых решений (но это не точно).

Я предлагаю пойти упрощенным путем. Открываем blockchain.info и выбираем несколько транзакций из списка «Последние транзакции». Они только-только попали в сеть и пока что не входят ни в один из блоков. Далее открываем другой block explorer — chainquery.com. Он умеет выдавать транзакции в сыром формате и по хэшам получаем транзакции в уже знакомом нам виде. Я ограничился двумя (раз, два):

txn_pool = []
txn_pool.append("0100000001440d795fa6267cbae00ae18e921a7b287eaa37d7f41b96ccbc61ef9a323a003d010000006a47304402204137ef9ca79bcd8a953c0def89578838bbe882fe7814d6a7144eaa25ed156f66022043a4ab91a7ee3bf58155d08e5f3f221a783f645daf9ac54fed519e18ca434aea012102965a03e05b2e2983c031b870c9f4afef1141bf30dc5bb993197ee4a52f1443e0feffffff0200a3e111000000001976a914f1cfa585d096ea3c759940d7bacd8c7259bbd4d488ac4e513208000000001976a9146701f2540186d4135eec14dad6cb25bf757fc43088accbd50600")
txn_pool.append("0100000001517063b3d932693635999b8daaed9ebf020c66c43abf504f3043850bca5a936d010000006a47304402207473cda71b68a414a53e01dc340615958d0d79dd67196c4193a0ebcf0d9f70530220387934e7317b60297f5c6e0ca4bf527faaad830aff45f1f5522e842595939e460121031d53a2c228aedcde79b6ccd2e8f5bcfb56e2046b4681c4ea2173e3c3d7ffc686ffffffff0220bcbe00000000001976a9148cc3704cbb6af566598fea13a3352b46f859581188acba2cfb09000000001976a914b59b9df3700adae0ea819738c89db3c2af4e47d188ac00000000")

Check

Следующим шагом нужно проверить полученные транзакции. Я этого делать не буду, просто перечислю основные пункты:

• Верно соблюдены структура и синтаксис транзакции
• Список входов / выходов не может быть пустым
• Транзакции на входе должны существовать либо в UTXO pool, либо в пуле неподтвержденных транзакций
• Сумма входов не меньше суммы выходов
• Полный список можете найти здесь

Некоторые майнеры отвергают транзакции с нулевой или слишком маленькой комиссией, но это каждый решает сам.

Sort

На всякий случай поясню, что ничто не мешает вам включать транзакции в блок в каком угодно порядке, главное, чтобы они прошли все проверки. В моем случае транзакций всего две, поэтому сортировать их тем более нет никакого смысла. Но не стоит забывать, что размер блока ограничен 1 МБ, поэтому если у вас в пуле 10.000 транзакций, то будет разумно отсортировать их по комисии и записать в блок только самые «дорогие».

BTW Часто попадаются статьи / книги, в которых сказано, что перед майнингом нового блока, Bitcoin Core сортирует транзакции по специальному параметру priority, который считается как

Priority = Sum (Value of input * Input Age) / Transaction Size

Это было верно вплоть до версии 0.12.0, потом сортировку по priority отключили.

Get reward

Если вы посмотрите на структуру любого блока, то самой первой всегда идет так называемая coinbase транзакция — именно она отправляет вознаграждение на адрес майнера. В отличии от обычных транзакций, coinbase transaction не тратит в качестве входов выходы из UTXO pool. Вместо этого у нее указан только один вход, называемый coinbase, который «создает» монеты из ничего. Выход у такой транзакции тоже только один. Он отправляет на адрес майнера награду за блок плюс сумму комиссий со всех транзакций в блоке. В моем случае это 12.5 + 0.00018939 + 0.0001469 = 12.50033629.

Давайте подробнее рассмотрим структуру coinbase транзакции, а если конкретнее — ее вход. На всякий случай напомню, как выглядит вход у «обычной» транзакции:

Вот три отличия входа coinbase транзакции:

• Вместо настоящего transaction hash указывается 32 нулевых байта
• Вместо output index указывается 0xFFFFFFFF.
• В поле unlocking script можно указать что угодно размером от 2 до 100 байт, поэтому это поле еще называют coinbase data. Например в genesis block там спрятана фраза "The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks". Как правило, майнеры вставляют в coinbase data свое имя / имя майнинг пула / еще что-нибудь.

Часто в coinbase data вставляют так называемый extra nonce, подробнее здесь. Суть в том, что может не найтись нужного nonce, при котором хэш блока меньше target (на самом деле это будет происходить в большинстве случаев). Тогда остается что-нибудь менять в транзакции, чтобы получились другие хэши, например — UNIX timestamp. Но если вы читали Bitcoin in a nutshell — Blockchain, то знаете, что timestamp тоже сильно не изменишь, иначе другие ноды отвергнут ваш блок. Решение оказалось довольно простым: достаточно добавить какое-нибудь число в coinbase data и менять его, если для текущего header не нашлось нужного nonce.

Процесс создания новой транзакции подробно описан в главе Bitcoin in a nutshell — Protocol, поэтому здесь я просто приведу уже полученную coinbase transaction, весь код, как обычно, доступен на [Github]():

coinbase_txn = "01000000010000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000ffffffff8a47304402207e8495986ec27ed4556fee9dcd897ea028d4eb2023959c2299eb573e0771dee702201489e40115ccc45d4c23f1109cb56b513543517f3efc0031965ad94d94d3d2d901410497e922cac2c9065a0cac998c0735d9995ff42fb6641d29300e8c0071277eb5b4e770fcc086f322339bdefef4d5b51a23d88755969d28e965dacaaa5d0d2a0e09ffffffff01ddff814a000000001976a91478e10cf8e4bd38266d8fd4ed5c8b430d30a3cde888ac00000000"

Осталось только посчитать для этих трех транзакций merkle root. Для этого воспользуемся фрагментом кода из Bitcoin in a nutshell — Blockchain:

txn_pool.insert(0, coinbase_txn)
txn_hashes = map(getTxnHash, txn_pool)

print "Merkle root: ", merkle(txn_hashes)
# Merkle root:  4b9ff9ab901df82050f858accde99b9169067acafaeade25598ea5505fb53836

Target

Как я уже написал выше, весь майнинг сводится к тому, чтобы найти хэш блока меньше числа, называемого target. В структуре блока это число записывается в поле bits, например для блока #277,316, target равнялся 1903a30c.

$ bitcoin-cli getblock 0000000000000001b6b9a13b095e96db41c4a928b97ef2d944a9b31b2cc7bdc4
{
    "hash" : "0000000000000001b6b9a13b095e96db41c4a928b97ef2d944a9b31b2cc7bdc4",
    "confirmations" : 35561,
    "size" : 218629,
    "height" : 277316,
    "version" : 2,
    "merkleroot" : "c91c008c26e50763e9f548bb8b2fc323735f73577effbc55502c51eb4cc7cf2e",
    "tx" : ["d5ada064c6417ca25c4308bd158c34b77e1c0eca2a73cda16c737e7424afba2f", 418 more transactions],
    "time" : 1388185914,
    "nonce" : 924591752,
    "bits" : "1903a30c", // Here it's
    "difficulty" : 1180923195.25802612,
    "chainwork" : "000000000000000000000000000000000000000000000934695e92aaf53afa1a",
    "previousblockhash" : "0000000000000002a7bbd25a417c0374cc55261021e8a9ca74442b01284f0569",
    "nextblockhash" : "000000000000000010236c269dd6ed714dd5db39d36b33959079d78dfd431ba7"
}

В bits на самом деле записаны сразу два числа: первый байт 0x19 — экспонента, оставшиеся три байта 0x03a30c — мантисса. Для того, чтобы получить target из bits, нужно воспользоваться следующей формулой: target = mantissa * 2^(8 * exponent - 3)). В случае блока #277.316 получается:

>>> bits = 0x1903a30c
>>> exp = bits >> 24
>>> mant = bits & 0xffffff
>>> target_hexstr = '%064x' % (mant * (1 << (8 * (exp - 3))))
>>> target_hexstr
'0000000000000003a30c00000000000000000000000000000000000000000000'

Другой термин, отражающий сложность майнинга, — difficulty. Например для блока #449.584 он равнялся 392,963,262,344.37. Этот параметр представляет из себя отношение max_target / current_target, где max_target — максимально возможный target, а именно 0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000 (0x1d00ffff в формате bits). Именно bits как правило указывается во все block explorer.

BTW чем меньше target, тем больше difficulty и наоборот.

PoW

Теперь, когда вы разобрались со всеми нюансами, можно запускать майнер:

import hashlib
import struct
import sys

# ======= Header =======
ver = 2
prev_block = "000000000000000000e5fb3654e0ae9a2b7d7390e37ee0a7c818ca09fde435f0"
merkle_root = "6f3ef687979a1f4866cd8842dcbcebd2e47171e54d1cc76c540faecafe133c39"
bits = 0x10004379 # Not the actual bits, I don't have synced blockchain
timestamp = 0x58777e25
# Calculate current time with this code:
# hex(int(time.mktime(time.strptime('2017-01-12 13:01:25', '%Y-%m-%d %H:%M:%S'))) - time.timezone)

exp = bits >> 24
mant = bits & 0xffffff
target_hexstr = '%064x' % (mant * (1 << (8 * (exp - 3))))
# '0000000000000000000000000000000000437900000000000000000000000000'
target_str = target_hexstr.decode('hex')
# ======== Header =========

nonce = 0
while nonce < 0x100000000: # 2**32
    header = ( struct.pack("