Какие математические задачи решает майнинг

Какие математические задачи решают процессоры/видеокарты майнеров, чтобы получить биткоин?

Они решают обратную задачу хэширования.

В криптографии (и вообще в математике) есть задачи, которые трудно решить, но легко проверить правильность предложенного кем-то решения. Такие задачи (или методы, если угодно) используют, например, для шифрования передаваемой информации в интернете. Или для хэширования (вычисление некоего достаточно уникального числа — хэша, на основе исходного пароля), что позволяет потом не хранить пароль у себя и, тем не менее, проверять правильность пароля пользователя (вычислив его хэш и сравнив с хранящимся в памяти числом).

Вычислить хэш по паролю легко, а найти перебором пароль по хэшу (решить обратную задачу хэширования) — сложно.

Алгоритм в системе биткойна задает некий хэш. Точнее — некий интервал возможных значений для хэшей. А процессоры ищут пароли, чей хэш попадет в этот интервал. Постоянсиво скорости майнинга достигается сужением интервала (усложнением задачи) при увеличении числа участников и расширением — при снижении числа майнеров (упрощением задачи).

Когда один из майнеров находит, наконец, подходящее решение, он об этом сообщает всем прочим (передает пароль). А они проверяют правильность (вычисляют хэш и сравнивают с интервалом — это уже просто) и если убеждаются в факте решения, то записывают в своем регистре биткойн на счет майнера, нашедшего решение («пароль», если угодно). Если запись сделает более половины участников системы, биткойн признается всей системой и его можно тратить тому, кто нашел решение (намайнил биткойн).

Пока никто не контролирует 50% участвующих компьютеров, система остается устойчивой к взлому. Даже если 49% запишут биткойн не на тот счет, владелец нехорошего счета не сможет им воспользоваться. А настояшему владельцу хватит и признания 51% участников. И тем устойчивей система, чем больше в ней независимых участников.

Источник

Блокчейн за семь шагов: как работает майнинг и как обрабатываются транзакции

Когда-нибудь задумывались, как работает майнинг в блокчейне, или как транзакции подтверждаются и добавляются в блокчейн? И я тоже. Но из-за того, что мне так и не попалось чёткое и доступное пошаговое объяснение этого процесса, я решил написать его сам. Итак, представляю вам результат моего исследования на тему, как обрабатываются транзакции в блокчейне. И всего за семь шагов.

Шаг 1: Пользователь, намереваясь переслать кому-то другому некую сумму в криптовалюте или токен, подтверждает транзакцию в своём приложении-кошельке.

Шаг 2: Транзакция затем транслируется приложением кошелька в сеть соответствующего блокчейна. Там она попадает в «пул неподтверждённых транзакций», где и будет находится до тех пор, пока её не подберёт какой-нибудь майнер (тот, кто занимается майнингом). Такой пул представляет собой скопление неподтверждённых транзакций, ожидающих обработки. Чаще всего неподтверждённые транзакции собираются не в одном гигантском пуле, а в небольших разделённых локальных пулах.

Шаг 3: Майнеры, находящиеся в сети (иногда называемые узлами или нодами, но это не совсем то же самое, что и майнеры!), выбирают транзакции из пулов и собирают из них новый «блок». Блок, по сути, это набор транзакций (на этот момент времени всё ещё неподтверждённых транзакций), плюс дополнительные метаданные. Каждый майнер собирает свой собственный блок транзакций. Одни и те же транзакции могут быть добавлены разными майнерами в свои блоки.

Пример: Рассмотрим двух майнеров, майнера А и майнера Б. Оба этих майнера могут решить включить некую транзакцию Х в свои блоки. В каждом блокчейне установлены свои ограничения максимального размера блока. В Биткойн-блокчейне максимальный размер блока составляет 1 мегабайт (Мб) данных. Прежде чем добавить транзакцию в блок, майнеру необходимо проверить отвечает ли транзакция требованиям к исполнению, в соответствии с историей транзакций в блокчейне. Если на балансе кошелька отправителя находится достаточно средств согласно существующей истории транзакций блокчейна, транзакция считается действительной и может быть добавлена в блок. Если владелец биткойнов захочет ускорить процесс обработки своей транзакции, он может предложить более высокую награду за майнинг. В этом случае, как правило, майнеры присвоят более высокий приоритет этой транзакции по сравнению с другими, в связи с возможностью получить большее вознаграждение за процесс майнинга.

Шаг 4: Выбирая транзакции и добавляя их в свой блок, майнеры тем самым создают блок транзакций. Для того, чтобы блок в последующем мог быть добавлен в блокчейн (что означает, что все узлы в блокчейне зарегистрируют транзакции, находящиеся в этом блоке), в первую очередь блоку необходима подпись, также называемая «доказательством выполнения работы» (англ. Proof-of-work или PoW). Эта подпись создаётся путём решения очень сложной математической задачи, которая является уникальной для каждого блока транзакций. Разным блокам соответствуют разные математические задачи, так что каждый майнер будет работать над решением своей задачи, уникальной для сформированного им блока. Все задачи одинаково трудны для решения. При решении такой математической проблемы затрачиваются большие вычислительные мощности (а, соответственно, и большое количество электроэнергии). Вы можете сравнить это с выполнением вычислений на калькуляторе, только в данном случае всё гораздо сложнее и делается на персональном компьютере. Этот процесс называется майнингом. Если вы хотите узнать более подробно о том, что за математические задачи приходится решать в процессе (на самом деле, это не так сложно), тогда, пожалуйста, продолжайте читать дальше. В противном случае, если нужен материал «полегче», сразу переходите к «шагу 5».

Майнинг, также известный как хэширование (алгоритм консенсуса «доказательство выполнения работы»/Proof of Work)

Математическая задача, которую приходится решать каждому майнеру при попытке добавления блока в блокчейн, заключается в нахождении хэш-суммы (также называемой цифровой подписью) для данных в этом блоке. Причём подпись должна начинаться с определённого количества идущих подряд нулей. Выглядит весьма трудной задачей, не так ли? На самом деле всё не так сложно. Позвольте мне попытаться объяснить это в упрощённом виде.

Прежде чем мы продолжим, важно знать, что такое хэш-функция. Говоря простым языком, хэш-функция представляет из себя математическую задачу, которую очень сложно решить, но при этом полученный ответ очень просто проверить.

Хэш-функция берёт строку входных данных, состоящую из цифр и букв (любую, в прямом смысле этого слова, строку случайных букв, чисел и/или символов) и преобразовывает её в новую 32-символьную строку, состоящую из случайных букв и цифр. Эта 32-символьная строка и есть хэш-сумма. Если изменяется любая цифра или буква во входящей строке, то хэш-сумма также изменится случайным образом. Однако, одна и та же строка входных данных всегда на выходе будет иметь одну и ту же хэш-сумму.

Теперь примите во внимание, что данные внутри блока – это входные данные для хэширования (та самая строка данных). В результате обработки этих входных данных хэш-функцией мы получаем хэш-сумму (32-символьную строку). Правилами блокчейна Биткойна оговаривается, что только те блоки могут быть добавлены в блокчейн, чьи подписи (хэш-сумма) начинаются с определённого количества нулей. Однако, сгенерированная выходная строка является всегда случайной для разных строк данных на входе. А что если строка данных блока в результате обработки хэш-функцией не даёт на выходе подпись (хэш-сумму), начинающуюся с того определённого количества идущих подряд нулей? Так это и является причиной того, что майнерам приходится многократно изменять некий фрагмент данных своего блока, называемый «нонс» (англ. nonce). Каждый раз, когда майнер изменяет нонс, это влечёт за собой незначительное изменение компоновки данных блока. А когда меняется структура данных внутри блока (то есть, его входные данные), также изменяется и его подпись (или его выходные данные). Итак, каждый раз, когда меняется нонс блока, этот блок получает новую случайную подпись.

Такая процедура изменения нонса повторяется майнерами бесконечное число раз, пока в конечном итоге они случайно не наткнутся на выходную строку, удовлетворяющую требованиям к подписи блока (определённое количество нулей в самом её начале). Ниже приведён пример, иллюстрирующий этот процесс. В примере используется семь нулей, но количество нулей на самом деле зависит от сложности блока в блокчейне. Сложность блока – это несколько более продвинутая тема, поэтому предлагаю вам ознакомиться с ней позднее.

Именно таким образом майнерам приходится искать подходящую подпись для своего блока, и это также является причиной, по которой требуются так много вычислительных мощностей для решения этой математической проблемы. Перебор настолько огромного количества нонсов в попытке угадать правильный занимает много времени и больших вычислительных мощностей. Также следует учитывать то, что с ростом мощности хэширования (количества майнеров) в блокчейне увеличится и сложность математической задачи, что повлечёт за собой увеличение средних расходов на электричество, требуемого для решения блока (подробнее об этом можно прочитать здесь). Вы большие молодцы, если дочитали до этого момента! Давайте продолжим и перейдём к шагу 5.

Примечание: На самом деле этот процесс не определяется как математическая задача, но скорее является чем-то детерминированным – компьютеры выполняют предопределённые операции над числом, чтобы выяснить, является ли результат именно тем, что требуется.

Шаг 5: Майнер, первый нашедший для своего блока удовлетворяющую требованиям подпись, транслирует этот блок и его подпись всем остальным майнерам.

Шаг 6: Другие майнеры теперь проверяют легитимность подписи, беря строку данных транслируемого блока и хэшируя её, чтобы проверить, действительно ли полученная хэш-сумма в результате приводит к включённой в блок подписи с правильным количеством нулей (помните, да? – трудно решить, но легко проверить). Если подпись действительна, то все остальные майнеры подтвердят её достоверность и придут к согласию, что этот блок может быть добавлен в блокчейн (то есть они достигнут консенсуса, говоря другими словами – все согласятся друг с другом – отсюда и термин алгоритм консенсуса). Из этого же проистекает термин «доказательство выполнения работы/proof-of-work». Подпись как раз и является требуемым «доказательством», что работа была произведена (были израсходованы вычислительные мощности). Теперь блок может быть добавлен в блокчейн и разослан всем другим узлам в сети. Те, в свою очередь, примут блок и сохранят его, добавив к своим данным транзакций, при условии, что все транзакции внутри этого блока могут быть исполнены в соответствии с историей, записанной в блокчейне.

Шаг 7: После того, как блок был добавлен в цепочку, все другие блоки, которые будут добавлены после него, будут считаться «подтверждением» для этого блока. Например, если моя транзакция включена в блок 502, а длина блокчейна составляет 507 блоков, это означает, что моя транзакция имеет 5 подтверждений (507-502). Это называется подтверждением, потому что каждый раз, когда новый блок добавляется после вашего, блокчейн вновь достигает консенсуса по поводу всей истории совершённых транзакций, включая вашу транзакцию и ваш блок. Можно также сказать, что на данный момент блокчейн подтвердил вашу транзакцию 5 раз. На это же опирается и Etherscan, когда показывает вам подробные детали вашей транзакции. Чем больше подтверждений будет у вашей транзакции (другими словами – чем глубже в цепочке находится ваш блок), тем сложнее будет для злоумышленников подменить её (подробнее о том, как это работает, можно прочитать здесь). После того, как новый блок добавлен в блокчейн, всем майнерам нужно начинать заново с «шага 3» и сформировать новый блок транзакций. Майнеры не могут продолжать (на самом деле могут, но это несколько выходит за рамки темы, обсуждаемой в данной статье) майнить тот же самый блок, другими словами – решать задачу – того же самого блока, над которым они работали ранее по двум причинам:

Первая: он может содержать транзакции, которые были подтверждены последним блоком, уже добавленным в блокчейн (помните, что разные майнеры могут выбирать/включать одну и ту же транзакцию(ии) в блок, который они решают). Любые из тех транзакций в случае, если они будут запущены вновь, могут быть признаны недействительными, потому что на балансе кошелька отправителя уже может быть недостаточно средств.

И вторая: каждый блок должен добавить хэш-сумму (подпись) последнего добавленного в блокчейн блока в свои метаданные. Именно это и делает блокчейн блокчейном (цепочкой блоков). Если майнер вдруг продолжит майнить тот же самый блок, над которым он уже работал, другие майнеры заметят, что его хэш-сумма не соответствует той, что была в последнем добавленном в блокчейн блоке и, вследствие этого, отвергнут этот блок.

Источник

Какие конкретно математические задачи решаются при майнинге криптовалюты, на что конкретно тратится мощность видеокарт?

Мощности компьютера тратятся на транзакции и запись результата в блокчейн.

Конкретно, переписываются номера криптовалютных «купюр» из одного криптовалютного кошелька в другой. То есть в одном криптокошельке номера некоторых «купюр» стираются, а в другой криптокошелёк эти номера записываются. Эти действия в шифрованном виде записываются в блокчейн. Ключом шифрования служит вся предыдущая цепочка блокчейна. А новая запись в блокчейн является номером новой «купюры».

Примерно, это выглядит так. Допустим, все российские копейки пронумерованы уникальными номерами, как бумажные купюры. И никаких других купюр и монет нет, кроме копеек. Вы когда-то принесли в Сбербанк мешок копеек и положили на свой счет. Но банковская программа пишет на счет не число копеек, а все номера этих копеек. Учет будет именно такой по номерам.
Теперь Вы хотите часть этих копеек перечислить на мой счет. Банковская программа стирает с Вашего счета часть уникальных номеров копеек, и записывает эти номера копеек на мой счет.
При этом все действия банковской программы записываются в специальную публичную мониторинговую последовательность, копии которой хранятся не только в Сбербанке, но и во всех банках мира.
Но они не просто так туда пишутся, что программа в такое-то время стёрла такие-то номера на таком-то счете и записывала их на такой-то счет. Вся эта запись шифруется последовательностью нулей и единиц. А ключом шифрования является вся предыдущая последовательность этой мониторинговой записи. То есть ключ шифрования публичный и все желающие могут посмотреть всю историю всех транзакций копеек всех банков.
Вот эта новая шифрованная запись по переводу копеек с Вашего счета на мой счет, будет уникальным номером ещё одной новой копейки (или нескольких копеек). Причем, эта же запись будет говорить ещё и о том, что эти новые копейки достались Сбербанку и Сбербанк положил их себе на свой счет. Это если всю работу по транзакции сделал только один Сбербанк. Если Сбербанку помогали другие банки, то часть этих номеров достанется другим банкам пропорционально их вкладу в работу по транзакции и шифрованию.

.
Источник: Что такое блокчейн. Эта статья написана для людей, которые не имеют образования программиста и математика, поэтому она достаточно понятная.

Источник