В конце декабря компания Opera представила браузер Opera 50 со встроенной защитой от скрытого майнинга криптовалют. Эта функция получила название NoCoin — она защищает пользователя от скрытых майнеров криптовалют, которые сейчас всё чаще «тайно» встраиваются хакерами в сайты.

Читать далее…

Очень красноречивая новость. Действительно, прошедший год прошёл под знаком криптовалют — да и других практических реализаций технологии блокчейн. Воодушевлённые приверженцы новой технологии убеждены, что анонимные и неподконтрольные властям криптовалюты уже совсем скоро заменят традиционные деньги. А различные реализации технологии блокчейн — сделают ненужными банки, как уже сейчас, например, делают ненужными старые кадастровые реестры и многие другие формы хранения данных.

Скептики же считают, что нынешний бум криптовалют — это пузырь, который спустя некоторое время непременно лопнет.

Однако этот скепсис не распространяется на блокчейн: эту технологию по всему миру всё более активно внедряют и коммерческие компании, и банки, и органы госуправления. В чём суть технологии — разбираемся вместе с теми, кто ещё не разобрался.

Криптографически защищённая распределённая сеть

Это самое простое определение блокчейна. Но и самое неполное.

Потому, наверное, стоит привести здесь ещё несколько распространённых определений — хотя ни одно из них не является доскональным, они помогут понять предмет нашего разговора.

Но сначала давайте представим себе деревню, в каждой хате которой есть амбарная книга. И вот в этой деревне Пётр даёт Василию мешок пшеницы. После чего во всех амбарных книгах одновременно появляется запись: «Пётр дал Василию мешок пшеницы». Если потом Василий попытается стереть в своей амбарной книге запись о полученном мешке пшеницы, то это ничего не даст: о мешке знают все жители деревни.

Так работает блокчейн, если смотреть со стороны. По сути, блокчейн — форма бухгалтерии, способ ведения учётного реестра. Говоря техническим языком, мы имеем распределённую базу данных, в которой содержится информация о всех проведённых транзакциях между всеми участниками сети за всё время её существования. Принципиальное отличие от «традиционной», централизованной базы данных — отсутствие центрального сервера и запись информации в виде блоков, которые находятся в зашифрованном виде на компьютерах одновременно у всех участников самой системы.

«Блокчейн» переводится как цепочка блоков, и все блоки в этой цепочке взаимосвязаны, каждый новый создаётся на базе предыдущего с добавлением в процессе новых данных.

Каждый блок информации строится однотипным образом: он включает информацию обо всех изменениях, которые случились в сети до его формирования. Если рассматривать самый классический блокчейн — скажем, биткоина, — то там каждый блок включает: уникальный номер, запись о размере блока, заголовок, счётчик транзакций, массив множества транзакций. Как только такой блок будет занесён в цепочку, в дальнейшем он уже не сможет быть изменён. Никогда — в этом и состоит один из фундаментальных принципов блокчейна.

Запись данных в блокчейн происходит с помощью стойкой криптографии, используются те же методы, что и в протоколах SSL, а также в банковских сетях передачи данных.

В основе формирования каждого очередного блока — цифровой «слепок» (хэш) предыдущего блока. Его вычисление называется «хэширование», оно и обеспечивает взаимосвязанность всех блоков блокчейна друг с другом. При формировании цепочки блока в неё могут попасть только блоки с достоверными данными — для этого задействуется механизм консенсуса сверки блоков перед их записью. Соответственно, невозможно подделать или заменить общедоступные данные в любом уже существующем блоке цепи. (Строго говоря, это можно сделать, но только если взять под контроль более 51% вычислительной мощности всей системы. Что в реальности слишком маловероятно.)

В случае биткоина размер блока информации составляет 1 Мб, в других сетях размер блока может сильно отличаться, и это становится предметом активного обсуждения в криптосообществах.

Стремление изменить размер блока становится поводом для создания форков или даже новых блокчейнов. Например, в августе 2017-го появился форк Bitcoin Cash, у которого размер блока сети составляет 8 Мб и может динамически изменяться.

Сам блокчейн также существует в самых разных видах.

1. Классическая форма, положенная в основу биткоина и множества прочих криптовалют (включая белорусский Талер) подразумевает, что блокчейн публичен, т. е. любой желающий может просмотреть историю транзакций, а также участвовать в достижении консенсуса, то есть в выполнении проверки блоков информации. (Замечу, что публичность блокчейна и открытость данных транзакций не означает отсутствия анонимности транзакций. Но это тема отдельного большого разговора — там всё сложнее.)

2. Другой вариант — частный блокчейн. В данном случае существует некий центр (эмитент токенов), и только он имеет право вносить записи в цепочку блокчейна. Такие блокчейны реализуются при проведении ICO, на них основаны некоторые (немногие) криптовалюты (например, Ripple), также частные блокчейны используются, например, для ведения внутреннего учета в компаниях, государственных кадастров недвижимости, учёта облигаций и других ценных бумаг и так далее… Нередко (как в случае с учётом прав на землю, например) частный блокчейн предусматривает возможность общедоступного чтения цепочки, но при этом право записи по-прежнему принадлежит только держателю блокчейна.

3. Некий промежуточный вариант — т. н. «консорциумный блокчейн», он создаётся в ситуациях, когда собственная закрытая сеть необходима нескольким компаниям или, скажем, госструктурам. Здесь сеть на равных правах контролируют несколько узлов — они имеют свои параметры консенсуса для проверки и записи блоков данных в основную цепочку, а также параметры доступа к сети.

Майнинг как «двигатель» блокчейна

Ещё одно слово, которое у всех на слуху. Стараниями СМИ, к сожалению, сегодня широкая публика понимает майнинг как некое «добывание денег из воздуха», для чего кроме дармового электричества ничего и не нужно. Но на самом деле майнинг лежит в основе существования любой криптовалюты, и доходы майнеров — это плата за поддержку существования сети и обслуживание её работы.

Вернёмся к технологии: любой блокчейн предусматривает территориально распределённую обработку данных о транзакциях с использованием вычислительных мощностей узлов сети. Именно такой подход, заложенный полумифическим Сатоши Накамото, делает невозможным двойное расходование токенов (или криптомонет).

Слово «майнинг» (mining) в переводе с английского означает «добыча при помощи шахты». Слово «майнер» (miner) изначально переводилось как шахтёр.

Сравнение не случайно: аналогичным образом майнеры получают вознаграждение за каждый новый созданный (найденный) блок. Процесс майнинга предусматривает создание новых блоков с занесением в них пользовательских транзакций. В процессе создания нового блока компьютер майнера производит определённые математические вычисления с использованием данных, которые пришли от других узлов сети. Какие конкретно вычисления — определяется используемым в данном блокчейне алгоритмом (их существует не так много). Но такие вычисления требуют значительных усилий и затрат, ведь у технологии блокчейн есть важная особенность: сложность задачи по вычислению очередного блока зависит от объёма используемых вычислительных мощностей, задействованных для её решения. Грубо говоря, «больше народа — меньше кислорода», то есть новых монет.

Далее, награда за майнинг от пользователей формируется из комиссионных отчислений — это когда при переводе токенов пользователи по своему желанию (или автоматически, по заложенным в кошельке параметрам) устанавливают размер вознаграждения за внесение их записи в блокчейн. Обычно это делается для ускорения проведения операции.

Если рассматривать всё вышеописанное на примере биткоина, то там решаемая майнерами задача — это перебор параметра хеш-функции SHA-256 с целью нахождения некого определённого числа с программно-задаваемым количеством нулей в его начале. 9 лет назад Сатоши Накамото решил, что у биткоина именно количество нулей будет определять сложность перебора, усложняя или упрощая процесс поиска новых блоков для майнеров в зависимости от задействованных участниками сети вычислительных мощностей и объёма транзакционных данных.

Конкретно в сети биткоина алгоритм так подбирает текущую сложность вычислений, чтобы транзакции внутри сети биткоина формировались в новый блок каждые 10 минут. Тем не менее, алгоритм SHA-256 уже явно устарел и не способен обслуживать колоссальную нагрузку на сеть биткоина. Как результат, транзакции первой криптомонеты проходят очень долго, а комиссия за них — очень высока. Практически все прочие актуальные сейчас криптовалюты используют другие алгоритмы — от сильно доработанных версий SHA-256 до принципиально иных (типа lyra2z). Соответственно, транзакции проходят очень быстро, а комиссия невелика.

Посмотреть информацию о блоках, список транзакций и майнеров обрабатывающих блокчейн биткоина можно на сайте blockchain.info. А для белорусского Талера аналогичный сервис действует по адресу taler-explorer.online: 8090

При этом биткоин — живая иллюстрация того, как происходит усложнение майнинга, поскольку уже добыто 80% из 21 миллиона биткоинов, которые вообще могут существовать. В самом начале, в 2009–2010 годах, награда за новые найденные блоки составляла 50 биткоинов; с ростом цепочки блоков и майнинговых мощностей награда снизилась до 25 BTC, а сегодня составляет и вовсе 12,5 биткоинов.

«Гримасы» майнинга. Реально ли выбрать криптовалюту, которая скоро взлетит, опираясь на научный подход?

Ещё несколько лет назад майнинг был вполне доступен владельцам домашних ПК с 2- и 4-ядерными CPU производительностью от единиц до десятков kH/s (килохэш в секунду). Затем этого стало недостаточно, и «домашние» майнеры начали использовать новейшие игровые и профессиональные видеокарты NVIDIA либо AMD. Суть тут в том, процессоры видеокарт изначально ориентированы на выполнение очень сложных математических вычислений.

Именно на этом этапе своей эволюции майнинг стал довольно-таки финансово затратным предприятием, так как видеокарты семейства NVIDIA Tesla и аналогичные или более мощные ускорители AMD потребляют сотни ватт, а их цена — составляет сотни долларов. То есть начинающему майнеру приходилось тратиться на ПК с мощным блоком питания, большим и хорошо охлаждаемым корпусом и новейшей видеокартой — и добавим сюда значительное круглосуточное потребление электричества.

Однако к началу 2016 года для майнинга наиболее популярных криптовалют уже не годились даже профессиональные видеокарты, т. к. их производительность ограничена несколькими mH/s.

На следующем витке эволюции появились в разы более производительные устройства ASIC (Application Specific Integrated Circuit, т. е. интегрированные схемы, ориентированные на приложения). Они разрабатывались специально для майнинга и поэтому не пригодны для иного использования, зато имеют производительность от сотен mH/s и выше. Сегодня обычный «асик»-блог выполнен в виде мобильного ящика и потребляет мегаватт электроэнергии и больше.

Оборудование для майнинга BTC выпускают три основных производителя ASIC-чипов — Bitfury, Bitmain, Avalon. Самый большой из них — именно китайский Bitmain, вложивший в данную индустрию огромные средства. (Например, разработка чипа для асика стоит около $20 млн, то есть порог входа на этот рынок очень высок).

Такие «асики» объединяют в огромные фермы, в чём сегодня наиболее преуспели китайцы. В Китае построены огромные цеха, которые потребляют около 15000 кВтч, плата за электричество для них достигает $100 тысяч в месяц, но в день такая ферма приносит 10-15-20 биткоинов. При этом на добычу одной новой монеты биткоина (ВТС) нужно потратить одного только электричества не менее чем на $1000.

В 2015 году суммарные затраты электроэнергии майнинговыми станциями составляли полтора тераватта, что эквивалентно потреблению огромного города. Теперь же, если бы майнеры одного только биткоина во всём мире создали некое государство, то они заняли бы 61-е место по потреблению электроэнергии, оставив позади 159 стран. К такому выводу пришли аналитики британского сервиса Power Compare. Генерирование биткоинов уже требует больше электричества, чем обеспечение светом всей Ирландии, Исландии или Нигерии. А ведь капитализация биткоина — менее 40% от всех криптовалют.

Сегодня за новые криптомонеты борются огромные майнинг-пулы (объединения майнеров), с мощностями оборудования изменяющимися в петахэшах; другое сильное направление майнинга — создание всё более мощных и специализированных майнинг-ферм в регионах с дешёвой электроэнергией (в последнее время этим активно промышляют китайцы и россияне).

Но всё описанное относится в основном к биткоину и представителям первой сотни криптомонет. Менее известные и распространённые криптовалюты всё ещё можно майнить и на достаточно скромном оборудовании. При правильном подходе и выборе криптомонеты затраты на оборудования и оплату электричества окупаются в течение нескольких месяцев. Правда, выбрать конкретную криптовалюту, которая в скором времени «взлетит», используя научный подход — практически нереально. Это вопрос везения, что бы не говорили самозваные аналитики.

Кроме того, ряд криптовалют в своём блокчейне использует такие алгоритмы, которые делают невыгодным майнинг на «асиках» и фермах, зато дают возможность заниматься майнингом на видеокартах и CPU. Это, например, Monero, LBRY, Decred, Pascal, Zcoin, тот же белорусский Талер.

Однако в целом заниматься майнингом индивидуально сейчас уже практически бесполезно, так как доля вычислительных мощностей одного майнера в сравнении с общемировыми мощностями, задействованными в майнинге, исчезающе мала — отсюда столь же низкая вероятность получит награду за найденный блок. Выходом для рядовых пользователей, желающих приобщиться к добыче криптовалюты, стал облачный майнинг. Его суть в том, что объединения майнеров закупают оборудование и предоставляют его в аренду желающим. Доходность облачного майнинга колеблется от 0% до 200% в год.

Но всё же более распространена практика создания майнинг-пулов — когда для нахождения блока объединяются ПК сразу многих майнеров. Награда за блок, добытый пулом, распределяется среди всех участников. Технически майнинг-пул — это сервер, который делит задачу по вычислению подписи блока на небольшие «подзадачи», которые раздаёт подключенным компьютерам. Вклад каждого майнера в общую работу пула оценивается в так называемых «шарах» (от английского «share»). Сервер пула собирает «шары» от майнеров и проверяет их валидность. Как только какая-то «шара» удовлетворяет текущим значениям сложности, сервер пула объявляет о подписании блока. Далее пул получает награду за блок и распределяет между майнерами пропорционально количеству переданных «шар», причём неважно, была ли среди них подписавшая блок.

Создание и поддержание пулов — одна из форм майнингового бизнеса. Создатель пула зарабатывает на комиссии с добытых участниками монет, её размер обычно от 0,3% до 1-2%. Для создания самостоятельного пула требуется только выделенный сервер с несложным специализированным ПО. Намного сложнее — провести организационную работу, что есть собрать в пул достаточно много первичных участников.

Владение против работы

Последнее, о чём нужно сказать в этой статье — это о двух базовых механизмах, определяющих вероятность формирования узлом сети очередного блока в блокчейне. Эти механизмы, соответственно, — «доказательство выполнения работы» (Proof of Work, PoW) и «доказательство доли владения» (Proof of Stake, PoS).

Механизм Proof of Work пока наиболее распространён, он используется в алгоритмах блокчейнов большинства современных криптовалют. Исторически он был первым, применяется в системе Bitcoin — там в качестве доказательства выполнения вычислительной работы используется многоуровневое хэширование: как я уже описывал, хэш предыдущего блока становится составной частью следующего блока. Именно это не позволяет изменить блок без изменения хэшей во всех последующих блоках. Хэш признаётся истинным только в том случае, если значение хэш-суммы меньше значения специального параметра, определяющего сложность майнинга. Для поиска такой хэш-суммы требуется её многократный пересчёт с перебором произвольных значений параметра nonce — в этом и состоит суть выполняемой работы.

Механизм Proof of Stake — альтернатива PoW. В этом случае вероятность формирования узлом сети очередного блока в блокчейне пропорциональна доле, которую составляют принадлежащие этому участнику расчётные единицы данной криптовалюты от их общего количества. Исторически это более новый протокол, впервые он был реализован в 2012 году в криптовалюте PeerCoin. Его преимущество — в том, что нет нужды тратить большое количество электричества для формирования блокчейна. Недостаток — PoS даёт дополнительную мотивацию к накапливанию средств в одних руках, что может привести к централизации сети.

Поскольку ни PoW, ни PoS не могут в полной мере удовлетворить создателей криптовалют и бизнес-блокчейнов, создаются гибридные схемы, которые совмещают идеи механизмов. У таких криптовалют блокчейн состоит из блоков обоих типов, что делает переписывание историй транзакций непростой задачей. Обычно в таких алгоритмах РоW-блоки становятся показателями реальной работы (это даёт дополнительную гарантию надёжности при работе с транзакциями), и их можно использовать для эмиссии валюты, а РоS-блоки — рассматривать как потенциальный доход.

На практике смешанные варианты формирования новых блоков используются в криптовалютах EmerCoin, NovaCoin, YaCoin, а также PeerCoin и Reddcoin. Например, метод PoW может использоваться для формирования цепочки блоков, а PoS — для подтверждения транзакций.

Текст: Денис Лавникевич

9 онлайн-курсов по блокчейну

По теме

9 онлайн-курсов по блокчейну

Место солидарности беларусского ИТ-комьюнити

Далучайся!