Как разгадать блок биткоина

Блок Биткоина — что это такое и как он устроен?

1. Как формируется блок Bitcoin
2. Структура блока Биткоина — заголовок
3. Структура блока Биткоина — транзакции
4. Пример блока Биткоина
5. Характеристики блока Биткоин
6. Премия за блок

Блок Биткоина — это элемент цепи блокчейн, набор записей о выполненных транзакциях в криптовалютной сети. Блок представляет собой часть или полную информацию об операциях, которые пока не отражены в предыдущих элементах цепи. Каждый новый блок добавляется в конец цепочки без возможности внесения правок, а в его структуре содержатся данные о прошлых блоках, которые были созданы до него.

Как формируется блок Bitcoin?

В структуру блока входит запись об операциях и прошлом элементе цепи. Особенность следующего блока — наличие персонального решения, которое отражается в заголовке. Достижение цели занимает много времени, а процесс ложится на плечи майнеров — участников сети, получающих премию за новый блок.

Для попадания блока в blockchain требуется найти параметр хеша заголовка, показатель которого ниже заданного предела. Цель майнера — подобрать верные входные данные путём перебора вариантов. Для решения задачи применяется мощное оборудование — видеокарты, ASIC-чипы.

Если участник нашел подходящий вариант, он информирует другие узлы о получении блока, который проверяется остальными элементами цепи и включается в цепь blockchain. Количество вариантов для заголовка определяет сложность вычислений. Чем выше этот параметр, тем большие мощности требуются для поиска решения и добычи блока. Изменение сложности происходит с периодичностью в 2016 блоков, то есть раз в две недели. На добычу одного блока уходит в среднем десять минут.

С ростом мощности сети повышается сложность добычи и наоборот. Это значит, что показатели сложности и мощности находятся в соотношении, которое остаётся неизменным. Не меняется и временной промежуток, необходимый для создания нового блока.

В процессе добычи бывает, что майнеры получили несколько решений для одного блока. Как результат, имеет место разветвление цепи. В дальнейшем подлинной признаётся та ветка, которая имеет большую длину, а другая прекращает существование. Если транзакция оказалась в короткой ветви, она исключается из цепи и возвращается к числу не подтвержденных операций. Через время она включается в следующий блочный элемент.

Структура блока Биткоина — заголовок

Как отмечалось, блок состоит из заголовка и перечня операций. Свойства заголовка:

Hash — хеш (алгоритм SHA-256). Этот hash носит случайный характер, поэтому время его определения легко предсказать. Стоит отметить, что хешированию подлежит только заголовок, а к операциям в криптовалютной цепи это не относится. Количество транзакций не оказывает значительного воздействия на расчёт хеша.

Prev_block — свойство хеша прошлого блока в цепи блокчейн. Наличие такой характеристики повышает надёжность сети и усложняет ее подделку. Если внести правки в один блок, придётся переделывать остальные.

Version — версия блочной схемы (сегодня она одна — 1).

Time — uint32_t — свойство, характеризующее период, за который создаётся очередной блок. По замыслу создателя Bitcoin, последний элемент цепи будет добыт в 2106 году.

Mrkl_root — перечень хешей операций. Суть в том, что хеш блока находится в прямой взаимосвязи с операциями в сети. Цель — защита цепи от подделки. Непосредственное вычисление при большом числе операций занимает много времени. Вот почему сначала хешируются операции в цепи, а далее хеши применяются для расчета хешей блока. Необходимость таких действий объясняется следующей разницей — обновление хеша транзакции происходит после добавления к элементу цепи новой операции. Вычисление хеша заголовка происходит чаще — до 3–5 тысяч в секунду.

Bits — главный параметр блока, сокращённый вариант значения хеша. Следующий элемент признаётся сетью и добавляется к цепи в том случае, если его хеш не превышает параметр bits. От этого параметра зависит сложность добычи нового блока. Обновление числа осуществляется с периодичность раз в 14 дней.
Принцип расчёта прост. Сначала вычисляется объём созданных блоков за 14 дней, после чего полученное число сравнивается с эталонным значением. Как отмечалось, на создание блока уходит 10 минут. С ростом блоков сложность возрастает и наоборот. В результате система подстраивается под количество участников и общую мощность подключенного оборудования.

N_tx — число операций в перечне.

Nonce — параметр, который подбирается до момента, пока значение хеша не будет ниже bits. Для того, чтобы новый хеш имел отличия от прошлого, должен различаться хоть один из параметров. Версия неизменна, хеш прошлого блока обновляется с появлением нового элемента цепи, список хешей меняется при включении в него новой транзакции, время обновляется каждую пару секунд, а целевой параметр — раз в 14 дней. Чтобы не ожидать обновления любого из перечисленных свойств, существует параметр nonce.

Структура блока Биткоина — транзакции

Следующий элемент блока — операции, которые осуществляются в криптовалютной сети. Они имеют вид перечня, который формирует блок и становится составляющей цепи. Каждый пункт списка (транзакция) показывает источник и получателя перевода.

Информация по адресату указывается с помощью публичного ключа. Для применения зачисленных средств получатель создаёт новую операцию, в которой берутся деньги с прошлой транзакции и направляются иному адресату. Для подтверждения права на перечисляемые средства требуется цифровая подпись, позволяющая проверить подлинность каждой операции в сети.

Список транзакций в блоке реализуется с помощью таких свойств:

Hash — параметр, указывающий на хеш операции. Это значит, что хеширование транзакции происходит два раза — при расчёте хеша операции, а после при расчёте хеша блока. В цепи блокчейн работает принцип взаимосвязи элементов цепи. Это значит, что хеш нового блока ссылается на хеш идущего перед ним элемента цепи. По аналогичному алгоритму построена и система транзакций. Если заменить проведенную операцию и сохранить при этом хеш, разрушатся остальные хеши, а сама цепь будет отклонена пользователями сети.

Vout_sz — число адресов, куда переводятся средства (может колебаться от одного и больше).

Vin_sz — число прошлых операций, в которых средства перечисляются новым получателям (от 1 и больше).

Ver — версия (пока неизменна — 1).

Size — объём операции (единица измерения — Байты). Формат — JSON.

Loch_time — свойство, которое пока не применяется и равно нулю. Суть замысла в том, чтобы выполнять операции с отсрочкой по времени. В результате они подключаются не к идущему в данный момент блоку, а к будущему или через один элемент. В свойстве Loch_time показывается число элементов цепи, которые требуется игнорировать перед включением транзакции. Потенциально опция может применяться в ситуации, когда требуется отмена операции и её переподпись.

In — свойство, в состав которого входит перечень входов транзакции. Здесь применяются выходы прошлых операций, о которых упоминалось ранее (prev_out). Все выходы имеют индивидуальные свойства, а именно — Hash (хеш прошлой операции), n (порядковый номер операции) и scriptSig. Отправитель обязан доказать, что переводит личные средства. Это происходит путём указания общедоступного ключа прошлой операции, а также включения частного ключа (подписи ECDSA). Этого достаточно, чтобы доказать акт применения собственных денег.

Out — перечень выходов. Как и ранее, здесь имеются определенные свойства — Value и ScriptPubKey. Первое включает в себя объём средств, направляемых адресату. Информация берётся из прошлых операций, поэтому общее число не может быть больше итоговой суммы уже выполненных транзакций. Свойство Valuo прописывается с наномонетах (это делается, чтобы исключить появление дробей). Второе свойство представляет собой определенный сценарий. Он состоит из хеша общедоступного ключа и оператора языка. Суть — изучение транзакции и подтверждение её валидности.

Общий объём средств на входе операции с криптовалютой идентичен с числом монет на выходе. Раз в 4 года происходит снижение вознаграждения вдвое, что стабилизирует число криптовалюты в обороте. Если вдруг появится мошенник, который подставит блок и присвоит 100 монет, то новый не приживётся в цепи из-за отторжения честными участниками сети. Вот почему чем больше пользователей, тем надёжнее система.

Пример блока Биткоина

С учетом приведённой выше информации можно привести пример блока Биткоина:

Previous block (прошлый блок): 000000000000056a7dcf273f627c2a17c55ffe1937a6ef2bc467d9c524312da2.

Difficulty (сложность): 1 690 895.803053. Bits — 1a09ec04.

Transactions (транзакции): 185.

Total BTC (общее число Биткоинов): 4251.63216934.

Size (размер): 58.914 kilobytes.

Merkle root (список хешей): 98c5d975bf556f0344770eee7ab31688a2c108223c14sea908ff99b0ab8fe947.

Характеристики блока Биткоин

Главные характеристики блока Bitcoin:

Добыча блока происходит с периодичностью раз в 10 минут.

Каждый блок способен хранить не более одного мегабайта информации. Этот лимит прописан в коде криптовалюты, но пропускная способность остаётся высокой. После оптимизации планируется увеличить объем данных до 2 Мб. Для примера Bitcoin Cash имеет объём, равный 8 Мб.

В один блок, имеющий размер 1 мегабайт вмещается до 3–5 тысяч операций, в которых участвуют два кошелька с ограниченным числом выходов и входов. На текущий момент пропускная способность сети — семь операций за 1 секунду. С ростом числа пользователей дефицит этого показателя всё более заметен, что и привело к появлению Bitcoin Cash.

Число операций, которые входят в один блок, снижается по нескольким причинам — проведение транзакции с большим числом адресов (актуально для пулов), а также применение компаниями цепи clockchain для отправки информации или содержания реестра.

Источник

Инструкция по добыче одного блока биткоина

Рассмотренное ранее определение термина «блокчейн» практично и емко повествует об основных характеристиках технологии. Вместе с тем мы знакомимся с идеями практического применения данной системы в реальных условиях, будь то бизнес или государственный аппарат.

Но чтобы лучше разбираться в нюансах майнинга криптовалют, необходимо рассмотреть блокчейн как структуру и изучить каждый отдельный его аспект: что такое блоки, откуда они берутся и как найти хотя бы один блок самостоятельно.

Что такое блок

Начнем с того, что блокчейн (Block — блок, chain — цепь) — это децентрализованная база данных, которая предназначена для хранения последовательных блоков с набором характеристик (версия, дата создания, информация о предыдущих действиях в сети). Аналоговым примером его структуры представляется бесконечно длинная металлическая цепь, в которой нельзя разорвать или поменять местами звенья.

Блоки, найденные майнерами, и есть те самые звенья. При создании блока в нем делается запись обо всех предыдущих действиях и транзакциях, затем он запечатывается и сохраняется в блокчейн на тысячах клиентских устройств в сети. Таким образом, мы не сможем отредактировать, удалить или переместить их. Только найти и добавить следующие. В этом и скрыта вся прелесть технологии.

Зачем искать блоки

Майнинг — это простейший перебор миллионов комбинаций кода, среди которых скрыто верное и уникальное значение (хэш) для каждого нового блока в сети. Поэтому, чтобы их находить, а, следовательно, подтверждать транзакции и поддерживать работу блокчейна монеты, необходимы постоянные и непрерывные вычисления.

Впрочем, разработчики пытаются оптимизировать алгоритмы добычи или вообще избавиться от классического майнинга и изменить способ подтверждения транзакций с помощью PoS системы. Ведь на поиск биткоинов уходит невероятное количество энергии. Если взять за среднее значение показатели мощности и энергопотребления ASIC-майнера Antminer S9, то на данный момент сеть биткоина потребляет около 5 ГВт электроэнергии в час.

Немного теории

Пока не будем вдаваться в числовые подробности, а разберемся с тем, как происходит добыча блоков. Перед майнером стоит задача решить математическую головоломку, чтобы быстрее всех разгадать ключ к блоку и вычислить подходящий криптографический код. С помощью сверхбыстрого (об этом мы еще поговорим) перебора комбинаций находится ключ nonce (number only used once), который откроет правильный хэш блока. Соответственно, чем быстрее сеть (так мы называем совокупность всех майнерских мощностей в сети монеты) решает такие задачи, тем быстрее находятся блоки. Так выглядит хэш блока биткоина:

Для справки: количество нулей bits в начале хэша регулируется автоматически для уравнивания сложности сети. Это необходимо, чтобы ограничить эмиссию монеты. Так как эмиссия биткоина ограничена объемом монет в 21 миллион, возникает необходимость регулировать и ограничивать количество добываемых блоков в сети. Это и есть сложность майнинга. Математический расчет показал, что последний биткоин будет добыт в 2140 году. Так, Сатоши Накамото, создатель биткоина, первым предложил внедрить алгоритм увеличения сложности поиска блока в сети. То есть чем больше майнеров присоединяются к добыче, тем сильнее система закручивает гайки.

Математическая задача

Возникает вопрос: если вычисления выполняются по инструкции, почему бы нам не попытаться найти блок вручную? Довольно простой алгоритм SHA256 можно повторить на бумаге, как это сделал в своем блоге американский энтузиаст-разработчик Кен Ширрифф.

Для криптографического перемешивания используются входные данные весом в 512 бит, которые впоследствии разделяются и образуют результат в 256 бит. Вычисление поделено на раунды, как на картинке ниже. Каждый такой раунд выполняется в 64 прохода.

После прохождения 64 кругов подбора на выходе получится уникальный код для шифрования свежего блока. Этот процесс довольно прост с точки зрения математических расчетов, но очень объемен и его практическое применение возможно лишь с учетом того, что каждый такой раунд будет выполняться молниеносно. Да, вручную такая задача решаема, но бессмысленна, ведь подсчет всего одного раунда будет длиться намного дольше, чем майнеры найдут валидный блок.

Так или иначе, каждый может попробовать себя в роли настоящего гения криптографии и найти блок биткоина на бумаге. Кен Ширрифф поделился знаниями и записал практическую часть процесса на видео.

Кратко разберем происходящее. Слова от A до H выписаны в столбик. Каждое из них записано в шестнадцатеричной системе, затем их переводят в двоичную. Итог maj находится под C, сдвиги и 0 записаны над шестнадцатеричным видом A. Функция выбора записывается под G, и, наконец, соответствующие сдвинутые версии E и значение после блока 1 идут над строкой с E. В нижнем правом углу выполняем сложение, результат которого необходим для вычисления следующих A и E. Справа сверху расположили новое значение A, а посередине — новое E.

Один раунд алгоритма вычисления блока выглядит следующим образом:

После таких круговых вычислений мы получаем заветный набор цифр и букв, который и будет настоящим блоком. Эти примеры могут показаться сущим пустяком для компьютерного интеллекта, но в случае с майнингом такое решение вполне оправдано отказоустойчивостью и энергоэффективностью оборудования.

Почему так сложно найти блок

Далеко позади остались времена, когда можно было майнить биткоин видеокартой и мощным процессором. Сложность сети возросла так сильно, что на поиск одного блока в сети требуется огромная вычислительная мощность, а награда за него и вовсе уменьшилась с 25 до 12.5 биткоина. А в 2009 году за блок отдавали целых 50 монет! К 2020 году ожидается очередное двукратное снижение награды. Несмотря на автоматическую подстройку сети, алгоритмы математических расчетов остаются прежними как для биткоина, так и для любой PoW (Proof of Work) монеты.

Рассмотрим сеть биткоина в цифрах. В качестве эталонных значений возьмем характеристики ASIC Antminer S9j для майнинга биткоина, который умеет обрабатывать около 15 терахэшей, то есть ровно 15,000,000,000,000 хэшей, в секунду. Получается, что такая небольшая «машинка» сможет посчитать пример из видео 15 триллионов раз в секунду! Это невероятно для человеческого мозга, но крайне мало для майнинга и сети биткоина.

Сегодня хэшрейт сети биткоина перешагнул отметку в 50,000,000,000 GH/s. А это уже цифра космических масштабов — 50,000,000,000,000,000,000 хэшей в секунду. Пятьдесят квинтиллионов! Для сравнения, диаметр Млечного Пути составляет почти квинтиллион километров. А до ближайшей галактики нам лететь 25 квинтиллионов километров.

Между прочим, в Китае уже начали тестирование новейшего суперкомпьютера Sunway, который сможет выполнять квинтиллион операций в секунду.

Источник