Книга «Новые финансы: блокчейн, DeFi, Web3 и криптовалюты»28.12.2023 12:30

Привет, Хаброжители! В современном мире, где криптовалюты и блокчейн-технологии стремительно набирают обороты и вытесняют традиционные валюты, для каждого финансово успешного человека становится критически важным уверенное понимание данных тем. Автор щедро делится своими уникальными знаниями и опытом. Он открывает читателю всю глубину мира децентрализованных финансов, предлагая теоретические основы и практические инструменты, которые помогут читателю не только быть в тренде, но и защитить и преумножить свои цифровые инвестиции.

МАЙНИНГ КРИПТОВАЛЮТ, МЕХАНИЗМЫ КОНСЕНСУСА И СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Введение в майнинг криптовалюты

Майнинг криптовалюты — это процесс, с помощью которого создаются новые цифровые монеты и подтверждаются транзакции в децентрализованной сети. Майнинг одновременно служит и способом достижения консенсуса относительно действительности транзакций в сети, и механизмом, с помощью которого новые монеты вводятся в обращение.

На заре Биткоина майнингом занимались в основном любители, используя свои персональные компьютеры. По мере развития криптовалютного рынка и роста стоимости цифровых активов данный процесс стал более конкурентным и специализированным, что привело к созданию специфического оборудования и майнинговых ферм.

Процесс майнинга является важнейшим компонентом децентрализованной природы криптовалют. Майнеры используют свои вычислительные мощности для решения сложных математических задач, что, в свою очередь, помогает защитить сеть и подтвердить транзакции. Майнер, который решает задачу первым, получает вознаграждение в виде вновь добытой криптовалюты, а также комиссионные за подтвержденные транзакции.

Трудоемкость добычи периодически корректируется, обеспечивая постоянную эмиссию новых монет и общую безопасность сети. По мере того как все больше майнеров присоединяются к сети и конкурируют за вознаграждение, сложность математических задач возрастает, и наоборот. Подобный саморегулирующийся механизм помогает поддерживать целостность блокчейна.

За прошедшие годы майнинг криптовалюты претерпел значительные изменения. Поскольку процесс добычи стал более ресурсоемким, для повышения его эффективности и снижения энергопотребления майнеры стали использовать специализированное оборудование, такое как GPU, FPGA и ASIC. Кроме того, появление пулов для майнинга позволило участникам с небольшими мощностями объединять свои ресурсы и делить вознаграждение.

Поскольку экосистема криптовалют продолжает расти и диверсифицироваться, понимание процесса майнинга, его важности для поддержания безопасности сети и механизмов консенсуса, используемых различными криптовалютами, является жизненно важным. В этой главе мы рассмотрим некоторые аспекты майнинга криптовалют, механизмы консенсуса и безопасность сети.

Аппаратное обеспечение для майнинга: CPU, GPU, FPGA и ASIC

По мере развития майнинга совершенствовалось и используемое для этих целей оборудование. Усложнение алгоритмов майнинга и растущая конкуренция за вознаграждение привели к разработке более специализированной и эффективной аппаратуры для майнинга. В этом разделе мы обсудим различные типы «железа» для добычи криптовалют, их преимущества и недостатки, а также то, как они повлияли на майнинг.

На заре существования Биткоина майнинг осуществлялся с помощью центральных процессоров (CPU). Это процессоры общего назначения, способные выполнять широкий спектр задач. Изначально майнинг с помощью CPU был жизнеспособным, но повышение сложности добычи и появление более специализированного оборудования быстро сделало его неэффективным и невыгодным. Впоследствии майнеры перешли на графические процессоры (GPU), так как они лучше подходят для параллельной обработки данных и, следовательно, для решения сложных вычислительных задач, связанных с майнингом. Майнинг на GPU значительно повысил эффективность и производительность по сравнению с тем же процессом на CPU, что привело к его широкому распространению. GPU по-прежнему используются для добычи некоторых криптовалют, особенно тех, которые устойчивы к майнингу с помощью ASIC. ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) — это заказные чипы, созданные специально для добычи определенной криптовалюты. Внедрение ASIC привело к значительной централизации майнинговых мощностей, поскольку отдельным майнерам трудно конкурировать с крупными майнинговыми объединениями, использующими ASIC. Стоит отметить, что применение ASIC ограничено: они могут добывать криптовалюты только с использованием совместимых алгоритмов, что делает их менее универсальными по сравнению с другими аппаратными средствами. Однако сосредоточившись на одной задаче, ASIC достигают максимальной результативности и производительности, опережая GPU и FPGA. FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) представляют собой нечто среднее между GPU и ASIC. Эти программируемые микросхемы можно настраивать под конкретные задачи, обеспечивая большую эффективность по сравнению с GPU при сохранении определенной гибкости. Хотя FPGA способны повысить производительность майнинга, они дороже и сложнее в настройке, чем GPU, что делает их менее популярными среди частных майнеров.

Эволюция оборудования для майнинга оказала глубокое влияние на сам процесс добычи криптовалюты. Хотя разработка специализированного аппаратного обеспечения повысила эффективность и безопасность, она также вызвала обеспокоенность по поводу централизации и доступности. По мере развития и становления криптовалютной экосистемы постоянные технологические достижения и инновации, вероятно, продолжат формировать сферу майнинга, создавая новые возможности и проблемы для майнеров и всего сообщества.

Алгоритмы майнинга и корректировки сложности

Процесс майнинга криптовалюты обеспечивает безопасность и подтверждение транзакций в сети блокчейн. Его алгоритмы и корректировка сложности играют важнейшую роль в поддержании стабильности, защищенности и справедливости сети. Алгоритм майнинга — это набор правил и математических вычислений, которым должны следовать майнеры, чтобы создать новый блок и получить вознаграждение. Различные криптовалюты используют разные алгоритмы майнинга, каждый из которых обладает своими уникальными характеристиками. Известными алгоритмами майнинга являются:

• Secure Hash Algorithm 256-bit, или SHA-256, — криптографическая хеш-функция, широко используемая в сети Биткоин. Она отличается высокой безопасностью, но требует значительных вычислительных мощностей, что делает ее более подходящей для майнинга на базе ASIC;

• Scrypt — алгоритм, требующий много памяти. Он более устойчив к ASIC и доступен для частных майнеров, использующих графические процессоры для добычи криптовалюты. Однако были разработаны специальные ASIC-майнеры для криптовалют на основе Scrypt (Litecoin, Dogecoin), хотя и с меньшим преимуществом в производительности по сравнению с SHA-256 ASIC;

• Ethash — алгоритм с жесткими требованиями к памяти, используемый в системе PoW сети Ethereum. Он разработан как устойчивый к ASIC, что благоприятствует майнингу на GPU и способствует децентрализации. Хотя со временем появились ASIC для Ethash, их преимущество в производительности по сравнению с GPU ограничено;

• CryptoNight — известный благодаря криптовалюте Monero алгоритм с ограничением памяти, ориентированный на максимизацию эффективности CPU и минимизацию преимуществ ASIC и GPU. Его цель — сохранить децентрализованную добычу и доступность для индивидуальных майнеров, использующих оборудование потребительского класса.

Сложность майнинга — это показатель того, насколько трудно решить алгоритм майнинга и создать новый блок. Для поддержания постоянного темпа создания блоков необходимы регулировки сложности, так как они обеспечивают стабильность и предсказуемость сети.

По мере того как все больше майнеров присоединяются к сети и общий хешрейт (от англ. hash rate — «скорость хеширования») увеличивается, вероятность быстрого решения алгоритма майнинга также возрастает. Чтобы поддерживать стабильную скорость создания блоков, сложность майнинга необходимо периодически корректировать. Это помогает:

• сохранять время создания блоков постоянным, обеспечивая предсказуемую скорость поступления новых монет на рынок;

• предотвратить внезапные падения или скачки вознаграждения за майнинг, которые могут привести к волатильности цен или нестабильности сети;

• стимулировать майнеров продолжать добычу, так как повышение сложности может сделать ее менее прибыльной.

Различные криптовалюты используют разные механизмы для регулировки сложности добычи. Например, Биткоин производит переоценку сложности майнинга каждые 2016 блоков (примерно раз в две недели), ориентируясь на 10-минутное время блока, а Ethereum динамически регулирует свою сложность с каждым блоком, чтобы достичь 15-секундного времени создания блока.

Майнинговые пулы и одиночный майнинг

Поскольку добыча криптовалюты становится все более конкурентной и ресурсоемкой, майнеры прибегают к различным стратегиям, чтобы увеличить свои шансы на получение вознаграждения. В этом разделе мы обсудим различия между пулами для майнинга и самостоятельной добычей, а также рассмотрим преимущества и недостатки каждого из способов.

Одиночный майнинг — это процесс добычи криптовалют без объединения усилий с другими пользователями. При таком подходе майнер пытается решить алгоритм добычи и создать новый блок, используя собственные вычислительные ресурсы.

Преимущества:

• полный контроль — майнер имеет полный контроль над своими операциями по добыче, включая выбор оборудования, ПО и алгоритмов добычи;

• полное вознаграждение — если майнер успешно добывает блок, он получает все вознаграждение за блок и транзакционные сборы, связанные с этим блоком, максимизируя потенциальную прибыль.

Недостатки:

• высокая дисперсия — шансы на успешную добычу блока в одиночку относительно низки, что приводит к длительному ожиданию вознаграждения, а значит непостоянному доходу и повышенному риску;

• ресурсоемкость — соло-майнинг требует значительных инвестиций в оборудование и электроэнергию, что может быть экономически нецелесообразным для многих майнеров.

Майнинговые пулы — это сообщество майнеров, которые объединяют свои вычислительные ресурсы, чтобы увеличить шансы на успешную добычу блока. Участники майнингового пула делят вознаграждение за блок и комиссию за транзакции пропорционально их индивидуальному вкладу в хешрейт пула.

Преимущества:

• стабильные вознаграждения — объединяя ресурсы с другими майнерами, участники могут рассчитывать на более частое и стабильное вознаграждение за добычу, что снижает разброс доходов и риск;

• низкие требования к ресурсам — присоединение к майнинговому пулу может быть более рентабельным для отдельных майнеров, поскольку снижает потребность в дорогостоящем оборудовании и расходах на электроэнергию;

• техническая поддержка — майнинговые пулы часто предоставляют техническую поддержку, обновления ПО и другие ресурсы, которые помогают майнерам оптимизировать свою работу.

Недостатки:

• совместное вознаграждение — хотя майнинговые пулы и предлагают стабильное вознаграждение, оно распределяется между участниками пула, что может привести к снижению общей прибыли отдельных майнеров;

• плата за пользование пулом — майнинговые пулы, как правило, взимают комиссию для покрытия своих операционных расходов, что еще больше снижает доходы участников;

• проблемы централизации — концентрация мощности майнинга в нескольких крупных майнинговых пулах может потенциально угрожать децентрализации и безопасности блокчейна.
Выбор между одиночным майнингом и пулом зависит от индивидуальных предпочтений, допустимого риска и наличия ресурсов. Хотя самостоятельная добыча способна предложить более высокую потенциальную прибыль, она сопряжена с большими рисками и требует немалых ресурсов. С другой стороны, майнинговые пулы обеспечивают более стабильное вознаграждение и более низкие входные барьеры, что делает их привлекательным вариантом для многих майнеров.

Механизм PoW: безопасность, энергопотребление и критика

PoW — это алгоритм достижения консенсуса, применяемый в майнинге криптовалюты. Он сыграл решающую роль в обеспечении безопасности сетей блокчейн и предотвращении двойного расходования. Однако PoW не лишен таких проблем, как высокое энергопотребление и воздействие на экологию. В данном разделе мы обсудим функции безопасности PoW и критику, с которой он сталкивается.

Механизм консенсуса PoW разработан для обеспечения высокого уровня безопасности сетей блокчейн. Требуя от майнеров решения сложных математических задач и затрат вычислительных ресурсов, PoW гарантирует, что одному субъекту крайне сложно и дорого захватить контроль над сетью. Этот алгоритм помогает поддерживать децентрализованный характер сетей блокчейн и защищает их от потенциальных атак, например атаки 51%.

Одним из основных недостатков PoW является высокое энергопотребление. Вычислительные мощности, необходимые для достижения консенсуса PoW, потребляют большое количество электроэнергии. По мере увеличения сложности добычи и присоединения к сети большего числа майнеров расход энергии также возрастает. Это вызвало обеспокоенность по поводу воздействия майнинга на окружающую среду, особенно в отношении его углеродного следа и вклада в изменение климата. По некоторым оценкам, годовое энергопотребление одной только сети Биткоин сопоставимо с энергопотреблением небольшой страны. Это привело к дебатам об экологической этике PoW и призывам к созданию альтернативных механизмов консенсуса, менее ресурсоемких.

Другим противоречием майнинга PoW является географическая концентрация майнинговых операций, в основном в регионах с низкой стоимостью электричества. Такая плотность может привести к рискам централизации и потенциальному манипулированию сетью несколькими влиятельными игроками. Кроме того, вызывает озабоченность энергобаланс, поскольку некоторые регионы в значительной степени полагаются на ископаемое топливо, что еще больше усугубляет воздействие PoW-майнинга на окружающую среду.

В ответ на проблемы и критику, связанные с PoW, было предложено и реализовано несколько альтернативных механизмов консенсуса — PoS, DPoS, PBFT и DAG, о которых мы говорили в главе 3. Они направлены на исправление ситуации с энергопотреблением, централизацией и воздействием на экологию, при этом сохраняют безопасность и целостность сетей блокчейн.

Механизм PoS: консенсус, валидаторы и стекинг

Как уже упоминалось ранее, PoS — это еще один механизм консенсуса, который приобрел популярность как более энергоэффективная и экологичная версия PoW. В PoS роль майнеров заменяется валидаторами, которые выбираются для создания новых блоков и подтверждения транзакций на основе их доли в сети. Эта доля обычно измеряется в криптовалюте, которой они владеют и готовы «заблокировать» в качестве залога. Привязывая валидаторов к их доле, PoS стремится к тому, чтобы валидаторы действовали в интересах сети, поскольку любое злонамеренное поведение может привести к потере их заложенных активов.

Процесс получения статуса валидатора обычно включает в себя стекинг, отбор и вознаграждения.

• Стекинг — важнейший аспект PoS, поскольку он служит основой для выбора валидатора и безопасности сети. Чтобы стать валидатором, участник должен оставить определенное количество криптовалюты в качестве залога. Это гарантийное обеспечение служит обязательством перед сетью и формой защиты от потенциального злоумышленного поведения, а также может быть использовано для участия в процессе консенсуса и получения дохода.

• Отбор валидаторов осуществляется сетью с помощью различных алгоритмов, которые учитывают такие факторы, как размер их залога и срок его блокировки, а также элемент случайности. Процесс отбора гарантирует, что валидаторы с более высокой ставкой имеют больше шансов быть выбранными, но также вносит свойство непредсказуемости для предотвращения игры в системе.

• Валидаторы получают вознаграждение за свою роль в обеспечении защищенности сети, обычно в виде новой криптовалюты и комиссии за транзакции. Эти поощрения служат стимулом для валидаторов действовать честно и поддерживать безопасность и целостность сети.

• Однако не все участники сети PoS могут иметь ресурсы или желание стать полноценными валидаторами. Стекинговые пулы позволяют более мелким участникам объединять свои ресурсы и коллективно участвовать в процессе консенсуса. Вознаграждение, заработанное таким образом, обычно распределяется пропорционально между его членами, исходя из их индивидуального вклада.

• Некоторые сети PoS дают заинтересованным сторонам возможность делегировать свои полномочия по ставкам другому лицу. Это помогает более мелким игрокам принимать участие в процессе консенсуса и получать вознаграждение, не становясь при этом валидаторами.
Несмотря на то что валидация позволяет получить прибыль, она также сопряжена с определенными рисками. Валидаторы, действующие злонамеренно или не выполняющие свои обязательства, могут понести наказание, включая потерю своих заложенных активов. Такая система поощрений и санкций поддерживает безопасность и целостность сети.

Механизм Proof of Stake предлагает более энергоэффективную и экологичную альтернативу Proof of Work. Привязывая процесс консенсуса к ставкам участников, PoS стимулирует честное поведение и помогает обеспечить децентрализованный характер сетей блокчейн.

Механизм DPoS: делегаты, голосование и управление

Delegated Proof of Stake (DPoS), или делегированное доказательство доли, — это разновидность механизма консенсуса PoS, которая представляет собой более демократичный и ориентированный на управление подход к безопасности сети. DPoS полагается на систему делегатов, голосование и управление сообществом для достижения консенсуса и поддержания целостности сети.

В блокчейне на основе DPoS консенсус достигается через набор доверенных узлов, известных как делегаты, которые отвечают за проверку транзакций и создание новых блоков. Они избираются путем голосования на основе их репутации, эффективности и предлагаемой политики. Данный процесс помогает обеспечить подотчетность делегатов сообществу и побуждает их действовать в интересах сети. Голосование позволяет заинтересованным сторонам участвовать в управлении сетью и выбирать делегатов, ответственных за поддержание ее безопасности. В большинстве систем DPoS вес голоса участника пропорционален его доле в сети. Это означает, что крупные игроки имеют большее влияние на выборы делегатов, что помогает обеспечить более значительную роль в управлении сетью тем, кто в ней заинтересован. Голосование в сетях DPoS обычно представляет собой непрерывный процесс, позволяющий постоянно оценивать работу делегатов и при необходимости вносить коррективы в их голоса. Такая динамичная система помогает обеспечить подотчетность делегатов перед сообществом и стимулирует их эффективно выполнять свои обязанности. Некоторые сети DPoS позволяют участникам делегировать свое право голоса другим лицам, что дает им возможность вносить свой вклад в процесс управления. Эта функция может помочь повысить активность избирателей и обеспечить более разнообразный и представительный состав делегатов.
Ключевым аспектом DPoS является управление, поскольку оно позволяет людям участвовать в процессах принятия решений, определяющих будущее направление развития сети.
Во многих сетях DPoS участники могут вносить предложения по улучшению сети, изменению политики или другим инициативам. Затем эти предложения выносятся на голосование сообщества, где определяется результат.

Некоторые сети DPoS реализуют механизмы управления цепочками, которые предполагают внедрение процессов голосования и принятия решений непосредственно в блокчейн. Такой подход гарантирует прозрачность и неизменность процесса управления, делая его более устойчивым к манипуляциям или централизованному контролю.

Основным принципом DPoS является вовлеченность сообщества в управление сетью. Подобное участие не только помогает обеспечить децентрализованный характер сети, но и способствует формированию чувства сопричастности и ответственности.

Механизм PBFT: консенсус и отказоустойчивость

Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), или практическая византийская отказоустойчивость, — это алгоритм консенсуса, специально разработанный для решения задачи византийских генералов, фундаментальной проблемы в распределенных вычислениях, когда узлы сети должны прийти к общему решению, несмотря на наличие вредоносных или неисправных узлов. PBFT известен своей способностью обеспечивать сильную согласованность, высокую отказоустойчивость и быстрое завершение в эксклюзивных блокчейнах.

PBFT функционирует в среде, где заранее определенный набор узлов — валидаторов — участвует в процессе консенсуса. PBFT работает в раундах, каждый из которых состоит из нескольких фаз. Основными фазами процесса консенсуса в PBFT являются:

• предварительная подготовка — на данном этапе назначенный основной узел (лидер), отвечающий также за заказ транзакции, предлагает новый блок, передавая сообщение о предварительной подготовке всем другим узлам (репликам) в сети;

• подготовка — получив сообщение из предыдущей фазы, реплики проверяют предложенный блок и передают сообщение о подготовке всем другим узлам, указывая на свое согласие с предложенным блоком;

• фиксация — когда реплика получает подтверждение от достаточного количества узлов (не менее 2f + 1, где f — максимальное количество неисправных узлов, которое может выдержать система), она передает всем узлам сигнал о своей готовности зафиксировать предложенный блок;

• ответ — после сообщений о фиксации от необходимого количества узлов реплики обновляют свое локальное состояние и отвечают клиенту, подтверждая успешное добавление нового блока в блокчейн.

PBFT разработана для обеспечения высокой отказоустойчивости, что позволяет сети продолжать работать правильно даже при наличии вредоносных или неисправных узлов. PBFT может выдержать до f византийских сбоев (злонамеренных или неисправных узлов) в сети из 3f + 1 узлов. Это означает, что, пока количество неисправных узлов в сети не превышает одной трети, система может достичь консенсуса и сохранить свою целостность.

В PBFT роль основного узла (лидера) распределяется между всеми узлами по кругу. Такая ротация помогает снизить риск компрометации основного узла и гарантирует, что процесс консенсуса остается справедливым и децентрализованным.

Если есть подозрение, что основной узел неисправен или злонамерен, реплики могут инициировать изменение мнения, что подразумевает избрание нового основного узла и перезапуск процесса консенсуса. Данный механизм помогает поддерживать целостность и надежность сети перед лицом враждебного поведения.

Другие механизмы консенсуса: сравнительный обзор

В мире блокчейна и криптовалют было разработано множество механизмов консенсуса, отвечающих различным требованиям сети и условиям использования. В данном разделе представлен сравнительный обзор нескольких известных механизмов консенсуса. Мы рассмотрим их уникальные особенности, достоинства и потенциальные недостатки.

Leased Proof of Stake (LPoS), или арендованное доказательство доли, — это разновидность PoS, когда пользователи могут «сдать в аренду» свою долю узлу, участвующему в процессе консенсуса от их имени. Подобный подход дает членам сети возможность получать вознаграждение без непосредственного участия в процессе консенсуса. LPoS используется на платформе Waves, и его цель — повысить безопасность сети и децентрализацию, позволив большему количеству пользователей вносить свой вклад в процесс майнинга.

Доказательство полномочий (Proof of Authority, PoA) — это механизм консенсуса, применяемый в эксклюзивных блокчейн-сетях, где ограниченному числу предварительно одобренных узлов (валидаторов) разрешено создавать новые блоки и подтверждать транзакции. PoA известен своей высокой масштабируемостью, энергоэффективностью и быстрым проведением транзакций. Однако его критикуют за большую централизацию по сравнению с другими алгоритмами достижения консенсуса, поскольку контроль находится в руках ограниченного числа валидаторов. PoA используется в таких сетях, как VeChain и POA Network.

Доказательство сжигания (Proof of Burn, PoB) — это механизм консенсуса, при котором пользователи «сжигают» определенное количество криптовалюты, переводя ее на адрес без доступа, фактически выводя ее из обращения. Взамен отправители получают право майнить новые блоки или подтверждать транзакции. PoB считается альтернативой PoW, поскольку не так энергозатратен. Однако его критикуют за то, что он способствует расточительному поведению, побуждая пользователей сжигать ценные криптовалюты. PoB можно встретить в таких сетях, как Slimcoin и Counterparty.

Еще одним альтернативным механизмом консенсуса является Proof of Capacity (PoC), или доказательство емкости, который позволяет пользователям добывать новые блоки или подтверждать транзакции на основе объема доступного пространства хранилища на их устройствах. Данный алгоритм более энергоэффективен и экологичен, чем PoW, поскольку не требует интенсивных вычислений. Однако он подвержен централизации, поскольку пользователи с большим объемом памяти могут потенциально доминировать в сети. PoC используется в таких сетях, как Burstcoin и Chia.

Доказательство истекшего времени (Proof of Elapsed Time, PoET) — это механизм консенсуса, разработанный компанией Intel для эксклюзивных блокчейн-сетей. В нем задействована доверенная среда исполнения (Trusted Execution Environment, TEE) для обеспечения справедливой и безопасной системы лотереи, где узлы ждут в течение случайно выбранного периода времени, прежде чем создать новый блок или подтвердить транзакции. PoET разработана как энергоэффективная и масштабируемая система, но ее зависимость от специализированного оборудования (например, Intel SGX) вызвала опасения по поводу потенциальной централизации и уязвимости оборудования. PoET применяется в платформе Hyperledger Sawtooth.

В сфере блокчейна и криптовалют существует множество механизмов консенсуса, каждый из которых имеет свои уникальные характеристики, достоинства и потенциальные недостатки. Выбор алгоритма зависит от таких факторов, как размер сети, желаемый уровень децентрализации, энергоэффективность и требуемая пропускная способность транзакций. По мере развития технологии могут появиться новые механизмы консенсуса для решения конкретных задач и проблем различных сетей и приложений блокчейна.

Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства:

» Оглавление
» Отрывок

Для Хаброжителей скидка 25% по купону — Блокчейн

© Habrahabr.ru