What is bitcoin mining algorithm

The process of minting new bitcoins is in some ways similar to the process of extracting precious metals from the earth. For this reason, it has come to be known as ‘bitcoin mining.’

The steady addition of a constant amount of new coins is analogous to gold miners expending resources to add gold to circulation. In our case, it is CPU time and electricity that is expended.

A simplified overview of bitcoin mining is as follows:

People compete to earn bitcoin rewards by applying computing power in a process known as ‘Proof of Work’ (PoW). The process is named such because only participants (miners) who have proven they’ve dedicated sufficient resources (work) will have a chance at winning the rewards.
Approximately every 10 minutes, rewards are distributed to a single winning ‘miner.’
Rewards are twofold: (1) the ‘block reward,’ which is newly minted bitcoin. The block reward is currently set at 6.25 bitcoins (but will be cut in half from early May 2024, then cut in half again four years later and so on). (2) the fees associated with all transactions in the current block. End users wishing to make a transaction must attach a fee to the proposed transaction as incentive for miners to include it in the next block.

Why is bitcoin mining needed?

Bitcoin mining is an essential component of the network’s system for arriving at consensus as to the current state of the ledger. It is central to enabling people to securely make Bitcoin transactions.

The Bitcoin network is a globally distributed public ledger consisting of a giant list of timestamped transactions. For example, one ledger entry might indicate that Person A sent 1 bitcoin to Person B at 10am on Monday. The ledger is updated approximately every 10 minutes by adding ‘blocks’ that contain a list of new transactions. The existence of the ledger, which is voluntarily stored by thousands of participants known as ‘nodes,’ allows anyone to see both the current state and complete history of bitcoin ownership.

By design, there is no centralized authority deciding which transactions should be added to new blocks. Instead, the state of the ledger (ie. the ‘truth’) is arrived at collectively and through coordination by nodes in accordance with the Bitcoin protocol. This decentralization is what gives Bitcoin some of it’s most interesting properties — namely, censorship-resistance and permissionless-ness.

Most nodes simply validate the authenticity of transactions, store the ledger, and pass on updates to other nodes (again, updates take the form of new blocks added to the chain). However, a smaller group of nodes, called miners, compete to create new blocks. When miners create new blocks, they are effectively updating the state of ledger, or the ‘truth’ about who owns what.

What is the purpose of bitcoin mining?

Bitcoin mining serves several functions:

It is a method for distributing new coins.
It is part of a more complete system for ensuring only valid transactions are added to the blockchain.
It is a method for prioritizing transactions given limited throughput (it creates a fair market for limited block space).
It provides financial incentive for participants (miners) to dedicate resources to the network, and the resources dedicated help secure the network from attackers. Note that attackers here primarily refers to miners themselves. In other words, by making it expensive to mine, Bitcoin ensures miners follow the rule.s

How does bitcoin mining secure the network?

Proof-of-Work mining helps to secure the Bitcoin network by requiring potential attackers to commit more resources to an attack than they could hope to gain from the attack itself. In other words, it ensures that attacking Bitcoin is a money-losing (and very costly) prospect, making it exceedingly unlikely to occur.

How does bitcoin mining work?

The process is summarized in the Bitcoin white paper:

New transactions are broadcast to all nodes.
Each node collects new transactions into a block.
Each node works on finding a difficult proof-of-work for its block.
When a node finds a proof-of-work, it broadcasts the block to all nodes.
Nodes accept the block only if all transactions in it are valid and not already spent.
Nodes express their acceptance of the block by working on creating the next block in the chain, using the hash of the accepted block as the previous hash.

Let’s break that down into a little more detail.

To begin, miners are the ones who propose updates to the ledger and only miners who have successfully completed the Proof of Work are permitted to add a new block. This is coded into the Bitcoin protocol.

Miners are free to select valid transactions from a pool of potential transactions that are broadcast to the network by nodes. Such transactions are collected into the ‘mempool.’ Rational and honest miners select transactions from the mempool based on the fees attached to them, optimizing for higher fees. This gives rise to the fee market, which helps to ensure the limited block space is used fairly and efficiently.

The first miner to complete the Proof of Work broadcasts her proposed new block to the wider network of nodes who then check to ensure that the block follows the rules of the protocol. The key rules here are (1) all transactions in the block are valid (ie. there are no double spends), and (2) the new block appropriately references the previous block and is numbered as the next in the chain (ie. the new block constitutes the latest block in the longest chain). If it does, nodes send it on to other nodes who complete the same process. In this way, the new block propagates across the network until it is widely accepted as the ‘truth.’

However, it can (and regularly does) happen that more than one miner completes the Proof of Work at almost the same time and simultaneously broadcasts his new block out to the network. Moreover, due to network delays and geographic separation, nodes may receive new proposed blocks at slightly different times.

Note that one miner’s newly proposed block could be slightly different from another’s. This is because, as mentioned, miners are the ones who choose which transactions to include in a block — and even though they tend to optimize for profitability, location and other factors introduce variation. When two miners send out different new blocks, competing versions of the ‘truth’ begin to propagate across the network. The network ultimately converges on the ‘correct’ version of the truth by selecting the chain that grows longer at faster rate.

Let’s break down that last part. Imagine there are two competing chains. Let’s say 75% of miners select version A (because it was the first version they saw) and begin their Proof of Work for the next block, building on top of version A. The other 25% of miners select version B (again, because that’s the version they happened to come across first) and initiate the same process building on top of that version. Statistically, one of the miners working on version A is likely to complete the Proof of Work first, broadcasting the new version out to the network. Since nodes always select for the longest chain, version A will quickly come to dominate the network. In fact, the probability that version B will grow faster vanishes exponentially with each additional block such that by the time six blocks have been added, it’s a statistical impossibility. For this reason, a transaction that has been confirmed in six blocks is, for most participants, considered to be set in stone. Note that a block which doesn’t end up becoming part of the longest chain (version B in our example above) is known as an orphan block. It is estimated that such blocks are created between 1 and 3 times per day. Transactions that are included in an orphan block are not lost. That’s because if they weren’t already included in the version that ends up being the longest chain, they’ll end up being added to the next block of the longest chain.

What is Bitcoin’s hashing algorithm?

Bitcoin uses a military-grade encryption algorithm called Secure Hash Algorithm 2 (SHA2). Bitcoin miners are awarded BTC when they find a random number that can only be generated by running the hashing algorithm over and over again. This process is analogous to a lottery (where buying more tickets increases your chances of winning). By dedicating more computing power to the hashing algorithm, miners are effectively buying more lottery tickets.

What is the difficulty adjustment in bitcoin mining?

The difficulty level for the Proof of Work algorithm is automatically adjusted every 2,016 blocks, or roughly every 2 weeks. Adjustments are made with the goal of keeping the mining of new blocks constant at 10 minutes per block.

The difficulty adjustment factors in the total volume of computing power, or ‘hashpower,’ being applied to the hashing algorithm. As computing power is added, the difficulty is increased, making mining more difficult for everyone. If computing power is removed, difficulty is reduced, making mining easier.

Note that the difficult adjustment system makes bitcoin mining quite different from the mining of precious metals. If, for example, the price of gold rises, more miners are enticed to join the market. The addition of more gold miners will inevitably result in more gold produced. By forces of supply and demand, this will eventually lower the market price of gold. In Bitcoin’s case, however, the volume of bitcoin produced (minted) is predetermined by the Bitcoin protocol (ie. not affected by the number and power of miners) so, no matter how much mining power is directed towards the algorithm, the volume of Bitcoin produced will not be affected.

Is bitcoin mining legal?

Bitcoin mining is legal in most regions, including the US and Europe. In China the legal status of bitcoin mining is currently in a gray zone.

Is bitcoin mining profitable?

Bitcoin mining is a highly competitive industry with narrow profit margins. The primary input is electricity, although significant upfront investments in hardware and facilities for housing the hardware are also required. The key hardware involved is known as the Application Specific Integrated Circuit (ASIC), which is a computing device specialized for running the Bitcoin hashing algorithm exclusively. Profitably relies mainly on consistent access to low-cost electricity applied to the most efficient ASIC hardware.

Bitcoin mining is a naturally equilibrating system. As the price of bitcoin rises, miner margins expand. This entices more miners to join the market. However, new entrants cause the difficulty of minting new blocks to increase. This requires all participants to expend more resources, thereby reducing profitability across the board. Sustained downturns in the price of bitcoin have historically resulted in a portion of miners quitting due to costs exceeding revenue.

How does bitcoin mining affect the price of bitcoin?

In most cases, miners sell their earned bitcoins to cover the costs associated with mining. These costs, then, contribute to the net sell pressure. Miner’s attempts to maximize profitability by holding or selling Bitcoin based on market momentum may have an impact on Bitcoin’s price volatility. Here, the argument is that when the price of Bitcoin is rising, miners may attempt to hold longer in the hopes that they can extract more profit. This would result in less net sell pressure, leading to a faster rise in the price. When the price of Bitcoin is falling, however, miners are likely to sell not only their reserves, but also newly acquired bitcoin. This, in turn, would contribute to volatility on the downside.

Buy as little as $30 worth to get started

Choose from Bitcoin, Bitcoin Cash, Ethereum, and more

Источник

Какой алгоритм майнинга Биткоин?

История появления алгоритма майнинга Биткоинов, сфера применения
Как алгоритм майнинга Биткоинов SHA-256 появился в криптовалютном мире
Тонкости алгоритма SHA-256 при майнинге BTC
Главные показатели алгоритма майнинга Биткоинов
Где применяется алгоритм майнинга SHA-256 кроме Биткоин
Плюсы и минусы алгоритма майнинга Биткоинов
Что ждёт алгоритм майнинга Биткоин

Алгоритм майнинга Bitcoin представляет собой хэш-функцию, которая используются при решении математической задачи, а именно получении хэша очередного блока криптовалютной сети блокчейн. Сегодня существует много протоколов, применяемых для разных виртуальных монет. К примеру, для Scrypt используется для Лайткоина, X11 — для Даш, Equihash — для Биткоин Голд и Zcash, Blake-256 — для Блейккоина и так далее. В случае с криптовалютой Bitcoin применяется SHA-256, с помощью которого производится расшифровка информации, и обеспечивается достоверность сведений.

Создание любого алгоритма — задача специалистов в криптографической сфере. Не исключением стал и SHA, первые зачатки которого появились еще в 1995 году. Задача хэш-функции — обеспечение работы криптовалютной сети и помощь в создании новых элементов цепочки блокчейн. Майнеры, которые занимаются добычей Биткоина, получают вознаграждение за блок (на апрель 2018 года — 12,5 BTC). В чём особенности алгоритма майнинга BTC? О каких характеристиках этой функции рекомендуется знать участникам криптосети? Как появился протокол? Эти и другие нюансы рассмотрим в статье.

История появления алгоритма майнинга Биткоинов, сфера применения

Первая хэш-функция под названием SHA-1 создана ещё в 1995 году. Уже через семь лет (в августе 2002 года) Агентство нацбезопасности США представило обществу новую версию алгоритма SHA-2, отличающегося большей надёжностью и стабильностью работы. Ещё через два года (в 2004-м) появилась улучшенная версия PUB 180-3 с хэш-функцией под названием SHA-224. В 2008-м году выпущен новый стандарт (FIPS PUB 180-3 на SHA-256), а ещё через четыре года — PUB 180-4 (SHA-512).

Применение

Действующие сегодня алгоритмы, начиная с SHA-224 и по SHA-512/224, разрешены к использованию в ряде приложений, обслуживающих правительственный сектор Соединенных Штатов. Кроме того, допускается применение криптопротоколов и криптоалгоритмов для защиты сведений, которые не имеют грифа «совершенно секретно». Возможности SHA-2 также применяются частными и коммерческими структурами.

Хэш-функция SHA второй редакции востребована при проверке целостности сведений в разных схемах криптографического характера. До появления криптовалюты Биткоин в 2009 году наибольшее распространение имели SHA-1 и MD-5, несмотря на ряд явных недоработок.

Примеры использования

Рассмотрим, где применяется алгоритм (кроме майнинга Bitcoin) в примерах:

Дайджесты сообщений в S/MIME.
Создание ЭЦП сертификата — PGP.
Хэши паролей — OpenLDAP.
Создание ЭЦП в DSA.
Алгоритм шифрования — SHACAL-2.

Мало кто знает, что каждый пользователь Сети ежедневно применяет возможности SHA-256. Речь идёт о сертификате безопасности под названием SSL, который защищает практически все ресурсы в Интернете. Факт применения защиты легко распознать по надписи «https» в строке ввода адреса. Сертификат гарантирует безопасное соединение с интернет-ресурсом и защиту персональной информации от кражи третьими лицами.

Обновление

Следующий этап — появление в 2012 году новой версии алгоритма — SHA-3, являющегося хэш-функцией переменной разрядности. В октябре 2012-го SHA-3 стал лидером среди всех криптографических алгоритмов (конкурс организован NIST). Анонсировалось мероприятие ещё в 2007 году с целью последующей замены уже устаревших хэш-функций.

Официально новый стандарт утвержден и вступил в силу только в 2015 году. Разработчики уверяли, что для его функционирования требуется 12,5 циклов на 1 байт (при использовании на ПК со стандартной CPU). На практике новый алгоритм оказался быстрее, чем вытеснил ранее действующие протоколы SHA первого и второго «поколения».

Перспективы

С каждым годом атаки в Сети становятся все более агрессивными, и существующих методов защиты не всегда достаточно для сохранности конфиденциальных данных. Специалисты считают, что к 2020 году ЭЦП частично потеряет имеющуюся силу. По этой причине выбор правильного алгоритма при решении многих задач выход на первое место. Это касается всех сфер, в том числе и криптовалютного сектора, где все чаще применяются более надёжные протоколы, обеспечивающие высокий уровень безопасности.

С другой стороны, специалисты по криптографии не будут сидеть без дела. Текущий преемник, о котором упоминалось выше (SHA-3) показывает лучшую степень защиты. К 2020 году может появиться следующая разработка, которая перекроет по надёжности уже существующую хэш-функцию. Возможен и другой вариант, в котором протоколу SHA уже не останется места, а его поддержка будет остановлена.

Как алгоритм майнинга Биткоинов SHA-256 появился в криптовалютном мире?

В 2008 году при создании новой криптовалюты Сатоши Накамото решил применить популярный на тот момент алгоритма хэширования SHA-256. Его задачей был поиск правильного хэша, необходимого для «закрытия» последующего блока криптовалютной цепи. Для решения этой задачи применяются разные варианты строчек, в состав которых входят разные символы (в цифровом и буквенном выражении). Как только майнер подбирает требуемую комбинацию, очередной элемент цепи закрывается.

Суть алгоритма майнинга Биткоинов в том, что он выполняется дважды, а структура хэш-функции настолько проста, что её можно изобразить с помощью ручки и листа бумаги. При этом SHA-256 способен перемешивать сведения без какой-либо логики. На входе принимаются 64-байтные блоки, после чего происходит криптографическая обработка, а дальше выдаются шифрованные данные. В хэш-функции используется лишь один раунд, но повторяется он 64 раза.

Если майнер отыскал требуемую комбинацию букв и цифр (хэш), он вправе рассчитывать на премию, размер которой раз в 4 года уменьшается вдвое. К примеру, в момент выпуска первой монеты (в 2009 году) он составлял 50 Биткоинов, далее произошло уменьшение вдвое (в 2012 и 2016 годах). На текущий 2018 год этот показатель равен 12,5 монет. Очередное снижение ждёт майнеров через два года (в 2020-м), когда вознаграждение снизится до 6,25 BTC. Такое правило будет соблюдаться до тех пор, пока в процессе майнинга не будут получены все виртуальные монеты (их общее число — 21 миллион).

Тонкости алгоритма SHA-256 при майнинге BTC

Первым майнерам, которые приступили к добыче виртуальной валюты, было проще. Для получения новых монет было достаточно простого оборудования — ПК. Почему же сегодня для заработка Bitcoin требуются сверхмощные асики?

Выше рассмотрено, на каком алгоритме майнить Биткоин, и в чём особенности хэш-функции. Суть добычи коинов заключается в решении задачи криптографического характера, созданной программой майнинга на базе прошлых элементов цепочки блокчейн (блоков).

С помощью SHA-256 можно добывать Биткоины 4-мя путями:

С применением CPU.

На GPU (графическом процессоре, видеокарте). Такой способ майнинга применялся долгое время. Многие майнеры собирали и использовали фермы на GPU вплоть до очередного скачка курса криптовалюты в 2017 году. С ростом сложности в конце 2017 — начале 2018 годов применение такого оборудования стало неактуальным.

На FPGA. Эта техника пользовалась спросом в 2013–2014 годах. Специальные чипы для добычи криптовалюты отличались меньшим потреблением энергии, но были дороги в обслуживании и имели высокую цену.

ASIC-майнеры — микросхемы, которые появились в 2014 году и пользуются спросом по сегодняшний день. Производители асиков соревнуются друг с другом, каждый раз выпуская всё более производительные устройства. Криптовалютная сеть реагирует на появление мощных асиков повышением сложности сети.

В процессе добычи криптовалюты сумма хэша используется в роли идентификатора (определителя) уже добытых ранее блоков. При этом главный блок сформирован из множества таких хэш-сумм. Иными словами майнинг на базе SHA-256 представляет собой непрерывный процесс, заключающийся в подборе правильного «ключа» (хэша), без получения которого невозможно создание очередного блока цепочки блокчейн. Чем большую вычислительную мощность имеет применяемое оборудование, тем быстрее будет найдено решение. Если для добычи используется мощная техника, она быстрее перебирает данные для поиска нужного набора символов.

Майнеры знают, каким алгоритмом майнить Bitcoin. Это SHA-256, который не может быть изменен. Почти за 10 лет существования сложность добычи BTC возросла на несколько порядков, что заставляет майнеров покупать новое и более производительное оборудование для повышения конкурентоспособности.

С появлением ASIC-майнеров, о которых упоминалось выше, растёт и сложность криптовалютной сети. Как результат, старые методы добычи Биткоина теряют актуальность. Биткоин построен таким образом, что на добычу блока уходит около 10 минут. Как только выпускается оборудование, способное быстрее решать поставленные задачи, система подстраивается под изменившиеся условия, повышая сложность добычи, а скорость создания нового элемента blockchain остаётся неизменной (около 10 минут). Это бесконечная гонка майнеров и производителей оборудования виртуальных монет делает сеть Биткоин более надёжной и защищённой от взлома. В основе процесса как раз и лежит SHA-256.

Главные показатели алгоритма майнинга Биткоинов

При выборе оборудования для добычи Bitcoin часто встречается такой параметр, как мощность (скорость, хэшрейт, производительность). Чем выше этот показатель, тем эффективнее добыча виртуальных монет (в том числе Bitcoin). Сначала этот параметр измерялся в килохэшах/секунду, с ростом сложности появились мегахеши, гигахэши, а теперь и терахэши. Современные асик-майнеры имеют производительность, достигающую 18 ТХ/секунду.

Работа алгоритма подразумевает деление информации на множество элементов по 512 бит или 64 байта. Далее протокол «смешивает» данные по определенной схеме, что обеспечивает на выходе хэш размером в 256 бит. Процесс хэширования проходит в 64 итерации, что на фоне новых протоколов не является слишком большим показателем.

При рассмотрении SHA-256 важно знать главные нюансы протокола:

Предельная длина сообщения	33 байта (Б)
Величина блока	64 Б
Объём суммарного хэш-кода	32 Б
Наивысшая скорость	около 140 мебибайт в секунду
Число повторений в один раунд	64
Базовый размер слова	4 Б

Также стоит выделить шесть операций, на базе которых работает SHA-256:

«+» — простая следящая операция;
«xor» — приказ, убирающий «ИЛИ»;
«rots» — приказ, перемещающий параметр на конкретное число бит в правую сторону с определенной цикличностью;
«shr» — приказ, перемещающий параметр на заданное число бит в правую сторону (без цикличности);
«and» — операция «И»;
«II» — операция объединения элементов линейной структуры (к примеру, строк).

Где применяется алгоритм майнинга SHA-256 кроме Биткоин?

При создании Bitcoin Сатоши Накамото выбрал рассматриваемый протокол из-за отсутствия альтернатив. Несмотря на это, SHA-256 применяется не только в Биткоине, но и ряде других виртуальных монет — Пиркоине, Биткоин Кэше, Мазакоине, Акоине и других криптовалютах. Стоит отметить, что из всего перечня в первую десятку коинов капитализации входит только Bitcoin и Bitcoin Cash, которые на 26 апреля 2018 года занимают первое и четвертое место по капитализации соответственно.

Пользователи криптовалютной сети отмечают, что в отличие от других протоколов SHA-256 подвержён замедлению добычи. С другой стороны, это плюс, ведь при таком подходе система становится надёжнее и в ней почти исключены ошибки. К слову, алгоритм открыт каждому пользователю и, возможно, в ближайшие годы появится новая криптовалюта на базе SHA-256.

Плюсы и минусы алгоритма майнинга Биткоинов

Как и другие протоколы, SHA-256 имеет преимущества и недостатки, которые для удобства сведём в следующую таблицу:

Преимущества	Недостатки
Распространённость алгоритма. Сегодня на SHA-256 работают сотни криптовалют. Кроме того, протокол применяется в обычной жизни (к примеру, при создании SSL).	Подконтрольность участникам криптовалютной сети. Если майнер соберёт большой объём мощностей в своих руках, он получает больше криптовалюты, что сводит на «нет» такой показатель, как децентрализация.
Устойчивость ко взломам.	Итерация в пределах алгоритма выглядит слишком просто. Как результат, появление мощных асиков нивелировало возможность добычи виртуальной валюты в домашних условиях.
Эффективность для решения задач майнинга.	Протокол SHA-256 преследуют другие алгоритмы, которые по структуре и составу более надёжны, чем предшественник. К примеру, Scrypt в процессе расчетов фиксирует более тысячи строк (1024), после чего складывает результаты и выдаёт решение. Такая схема сложнее, что позволяет говорить о более высоком уровне безопасности.
Во второй версии SHA-2 разработчикам удалось исправить многие ошибки.
Законодательство США лояльно относится к протоколу.

Что ждёт алгоритм майнинга Биткоин?

Сегодня протокол SHA-256 почти не применяется криптовалютным сообществом при создании новых виртуальных монет. Исключением стал разве что форк криптовалюты — Биткоин Кэш, но использование старого протокола, скорее, вынужденная мера. Сегодня всё чаще применяются следующие алгоритмы:

Scrypt

X11 — ещё один востребованный протокол, который известен по криптовалюте Даш. В отличие от прошлых алгоритмов, он неплохо показывает себя при добыче монет с помощью ферм на GPU. Ситуацию усложнили производители асиков, которые с 2017 года выпускают аппараты для добычи Даш на X11.

Кроме названных протоколов существуют Cryptonight, Equihash и прочие алгоритмы. Что касается SHA-256, до появления новых алгоритмов он считался единственным вариантом — надёжным и удобным в применении. С появлением новых решений хорошо видно, что этот протокол изжил себя и проигрывает конкурентам во многих аспектах.

Главная причина — появление асиков, которые буквально уничтожили индустрию домашнего майнинга Bitcoin. Кроме того, пострадала главная идея криптовалюты — децентрализация. Крупные компании, которые производят ASIC-майнеры, сосредоточили в своих руках огромные мощности, что позволяет им влиять на криптовалютную сеть.

Если человек не знает, какой алгоритм майнинга у Биткоин и других криптовалют, с позиции рядового обывателя он не заметит разницы. Современные ASIC-майнеры на разных протоколах работают почти идентично (если говорить о SHA-256, X11 и Scrypt). Разница только в скорости хэширования, потенциальной прибыли и потребляемой электроэнергии (этот параметр меняется в незначительном диапазоне).

Подробнее о сути Биткоина и его алгоритме, смотрите в видео ниже:

Источник