Како заиста ради рударство биткоина

Како се Битцоин приближава главном усвајању и признавању, његов основни сигурносни модел, окарактерисан као рударство, ставља се под центар пажње и свакодневно се све више прегледава.

Људи су све више забринути и заинтересовани за утицај на животну средину Битцоин рударства, сигурност и степен децентрализације основног модела, па чак и потенцијални утицај продора квантног рачунања на будућност Битцоин-а и других криптовалута.

Често се доказ о раду описује као „криптографска слагалица“, али која је то заправо загонетка?

Да бисте заиста разумели ова питања (и све могуће одговоре), морате да имате темељно разумевање самог рударства Битцоин и његовог развоја.

Овај чланак ће истражити све техничке компоненте и покретне делове доказа о раду и како се они неприметно синхронизују једни с другима како би Битцоин могао бити децентрализована платформа каква је данас.

Зашто рударство ради: криптографско једносмерно хеширање

Битцоин блоцкцхаин се често описује као база података која је криптографски сигурна и, последично, непроменљива. Основна технологија која покреће ову непроменљивост и сигурност је криптографско хеширање.

Криптографска хеш функција је математичка функција која, једноставно речено, узима било који улаз и пресликава га у низ фиксне величине.

Међутим, постоје четири посебна својства ових функција која их чине непроцењивим за Битцоин мрежу. Су:

  1. Детерминистички - за било који улаз у криптографску хеш функцију, резултујући излаз ће увек бити исти.
  2. Брзо - Израчунавање излаза хеш функције, с обзиром на било који улаз, релативно је брз процес (не треба тешко рачунање)
  3. Јединствено - Сваки улаз у функцију треба да резултира потпуно случајним и јединственим излазом (другим речима, не постоје два улаза која дају исти излаз)
  4. Неповратно - С обзиром на излаз хеш функције, оригинални улаз није могуће добити

Ова правила пружају основу која омогућава рударство Битцоин-а да заштити мрежу.

Конкретно, творац протокола Битцоин, Сатосхи Накомото, изабрао је да користи хеш функцију СХА-256 као основу за рударење биткоина. Ово је специфична криптографска хеш функција за коју је математички доказано да поседује горе наведена својства. Увек излази 256-битни број (најосновнија јединица рачунања), који је обично представљен у хексадецималном бројевном систему са 64 знака за читљивост људи.

Излаз функције СХА-256 обично се назива хешом њеног улаза.

Ево примера улаза и излаза функције СХА-256 (можете сами испробати овде):

Input to SHA-256:  Output to SHA-256: 77077b1f4c3ad44c83dc0bdb8d937e9b71c0ef07a35c2664bb7da85be738eacf

Занимљиво је да се на већини места где се хеширање користи у Битцоин протоколу користи двоструко хеширање . То значи да се излаз оригиналне функције СХА-256 затим враћа назад у функцију СХА-256 да би се добио други излаз. Ево како тај процес изгледа:

Input to SHA-256(first round):  Output (first round): 77077b1f4c3ad44c83dc0bdb8d937e9b71c0ef07a35c2664bb7da85be738eacf Input to SHA-256 (second round): 77077b1f4c3ad44c83dc0bdb8d937e9b71c0ef07a35c2664bb7da85be738eacf Output (second round and final result): 3c6c55b0e4b607b672b50f04e028a6951aed6dc97b91e103fb0f348c3f1dfa00

Двоструко распршивање користи се за заштиту од рођенданских напада. Рођендански напад је сценарио у којем је нападач у стању да произведе исто хеширање као други улаз користећи потпуно другачији улаз (који се назива колизија ). Ово разбија треће својство јединствености. Без тога, два потпуно различита блока Битцоин могу бити представљена потпуно истим хешом, омогућавајући нападачима да потенцијално искључе блокове.

Са функцијом СХА-256, вероватноћа да се догоди овај напад је бескрајно мала. Да није близу немогућег, СХА-256 би се сматрао поквареним.

Међутим, друге хеш функције су биле „сломљене“ у прошлости. Да бисте се заштитили од тога да се у будућности догоди СХА-256 (и ефикасно разбијање сигурносног модела Битцоин-а), најбоље је распршити хеш . Ово преполовљава вероватноћу да дође до судара, чинећи протокол много сигурнијим.

На врло високом нивоу, Битцоин рударство је систем у којем се све Битцоин трансакције шаљу Битцоин рударима. Рудари одабиру трансакције у вредности од једног мегабајта, групишу их као улаз у функцију СХА-256 и покушавају да пронађу одређени излаз који мрежа прихвата. Први рудар који је пронашао овај излаз и објавио блок на мрежи добија награду у облику накнада за трансакције и стварања нових Битцоин-а.

Идемо ствари корак даље и заронимо у сам Битцоин блоцкцхаин да видимо шта тачно рудари раде како би мрежу учинили сигурном.

Битцоин рударство: технички увод

Рударство је уведено као решење проблема двоструке потрошње. Ако имам 1 Битцоин и пошаљем га Бобу, а затим покушам да пошаљем тај исти Битцоин Алице, мрежа осигурава да ће бити прихваћена само једна трансакција. То чини кроз познати процес који се назива рударство.

Пре него што зароните у техничке детаље, важно је разумети зашто је рударство неопходно за заштиту мреже. Како фиат валута сада постоји, валуту коју држимо ствара и потврђује федерална резерва. Будући да Битцоин послује под крутом претпоставком децентрализације и консензуса, не може постојати ниједно централно тело које валидира и временски обележава издавање те валуте и валидацију било каквих трансакција које се дешавају са том валутом.

Сатосхи Накамото је у то време предложио једино познато решење за решавање овог проблема валидације у систему усмереном на консензус. Ова шема насловљена у Битцоин белом документу као доказ о раду , елегантно оправдава да трансакције потврђују они који су спремни да потроше довољно физичке рачунарске енергије и времена да то учине, истовремено уводећи подстицај за подстицање тржишне конкуренције. Ово такмичење омогућава својство децентрализације да се појави и органски напредује у екосистему.

Поглед унутар блока

Битцоин блок састоји се првенствено од две компоненте:

1. Трансакције, у облику стабла меркле

Рударски рачунари сакупљају довољно трансакција да попуне блок и повежу их у стабло меркле.

Стабло меркле је релативно једноставан концепт: трансакције леже на дну стабла као лишће и хеширају се помоћу функције СХА-256. Комбинација две трансакције листа поново се хеширају помоћу функције СХА-256 да би се формирао родитељ листова. Овај родитељ се непрекидно хешира према горе у комбинацији са другим родитељима хешираних трансакција, све док се не створи један корен . Хеш овог корена је у ствари јединствени приказ трансакција које се налазе испод њега.

Корен стабла меркле комбинација је хеша сваке трансакције у дрвету.

Подсетимо се да је за било који улаз у хеш функцију излаз потпуно јединствен. Стога, када већина чворова на мрежи добије минирани блок, корен хеш-стабла меркле делује као непроменљиви сажетак свих трансакција у том датом блоку.

Ако би злонамерни глумац покушао да промени садржај трансакције у блоку, њен хеш би се променио. Ова промена хеша ће се ширити по стаблу меркле трансакције док се хеш коријена не промени. Тада било који чвор може брзо да ухвати овај злонамерни чин упоређивањем корена меркле стабла промењеног блока са коренским стаблом важећег блока.

2. Заглавље блока

Заглавље блока је сажетак садржаја самог блока. Садржи следећих шест компонената :

  • The version of software the Bitcoin client is running
  • The timestamp of the block
  • The root of its containing transactions' merkle tree
  • The hash of the block before it
  • A nonce
  • The target

Remember that the root of the transaction merkle tree acts as an effective summary of every transaction in the block without having to look at each transaction.

The hash of the previous block before it allows the network to properly place the block in chronological order. This is where the term blockchain is derived from — each block is chained to a previous block.

The nonce and target are what make mining tick. They are the basis for solving the SHA-256 puzzle that miners need to solve.

Please note that all of this data in the block header is compressed into 80 bytes using a notation called little-endian, making the transfer of block headers between nodes a trivially efficient process. For the purposes of this explanation, we’ll ignore this compression and assume data is in its original form.

Explaining the Mining Problem

The target stored in the block header is simply a numeric value stored in bits. In traditional base 10 notation, this target ranges anywhere between 0 to somewhere in the range of 2²²⁴ (a 67+ digitnumber), depending on how many miners are competing to solve this problem at the same time.

Recall that the output of SHA-256 is just a number. The goal of a miner is to take the current block’s header, add a random number to it called the nonce, and calculate its hash. This numeric value of the hash must be smaller than the target value.

That’s all there is to it. But it’s much easier said than done.

Recall the first property of SHA-256: an input into a hash function will always result in the same output. Therefore, if the miner took the block header, hashed it, and realized that the hash value wasn’t less than the target, they would have to change the input somehow in order to try finding a hash below the target value.

This is where the nonce comes in.

The miner adds a number (starting from 0), called the nonce, to the block header, and hashes that value. If the hash value isn’t less than the target, the miner will increment the nonce by 1, add it again to the block header, and hash that changed value. This process is repeated continuously until a hash less than the target value is found.

A Mining Example

Here’s a rough approximation of what made up the first block header:

  • The merkle root of the transaction in the Genesis block:
Merkle Root: 4a5e1e4baab89f3a32518a88c31bc87f618f76673e2cc77ab2127b7afdeda33b
  • The first known Bitcoin version: 0.1.0
  • The timestamp of the block: 2009–01–03 18:15:05
  • The target (this is also the highest the target will ever be):
Target: 0x00000000FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
  • No previous block hash — this was the first block, and so this is a unique case

The final block header after adding its components together:

Let’s take this large header and compute the double-hash:

SHA-256 of header: 7d80bd12dfdccbdde2c41c9f406edfc05afb3320f5affc4f510b05a3394e1c91 SHA-256 of the previous result (final result): c5aa3150f61b752c8fb39525f911981e2f9982c8b9bc907c73914585ad2ef12b

Both the target and the output hash are incredibly large numbers when converted to base 10 (remember, over 67 digits long). Instead of trying to demonstrate the comparison of the two here, the following Python function handles the comparison instead:

def isBlockHashLessThanTarget(blockHash, target): return int(blockHash, 16) < int(target, 16)

True is returned if the hash is less than the target, false otherwise.

Here is the result with our target and block hash:

Now we take the original block hexadecimal value and add 1 to it. Here is the following result:

We then run the same hashing algorithm and comparison on this changed data. If its not below the target, keep repeating.

Once a successful hash is found, the latest nonce used to find this solution is saved within the block.

The listed nonce on the Genesis block is 2,083,236,893.

This means Satoshi Nakomoto iterated through this process over 2 billion times before he found a hash that was acceptable.

I’ve written a small Python implementation of this Genesis block mining process that can be found on my GitHub.

subhan-nadeem/bitcoin-mining-python

bitcoin-mining-python - A Python implementation of the Bitcoin mining algorithm

github.com

See how long it would take for you to successfully mine the Genesis block!

A Caveat: extraNonce

The nonce value in a block header is stored as a 32-bit number. This means that the highest nonce anybody is able to achieve is 2³² (approximately 4 billion). After 4 billion iterations, the nonce is exhausted, and if a solution is not found, miners are once again stuck.

The solution to this is to add a field to the coinbase (the transaction contents of a block, stored as the merkle tree) called the extraNonce. The size of this extraNonce is only limited by the size of block itself, and so it can be as large as miners wish as long as the block size is within protocol limits.

If all 4 billion possible values of the nonce are exhausted, the extraNonce is added and incremented to the coinbase. A new merkle root and subsequently new block header are calculated, and the nonce is iterated over once again. This process is repeated until a sufficient hash is found.

It’s best to avoid adding the extraNonce until the nonce is exhausted, because any change to the extraNonce changes the merkle tree. This requires extra computation in order to propagate the change upwards until a new root of the merkle tree is calculated.

The Miner Reward

A miner who successfully publishes a block the fastest is rewarded brand new Bitcoin, created out of thin air. That reward currently stands at 12.5 BTC. Just how do these Bitcoins come into existence?

Each miner simply adds a new output transaction to their block that attributes 12.5 Bitcoins to themselves before beginning to mine the block. The network protocol will accept this special transaction as valid upon receiving a newly validated block. This special transaction is called a generation transaction.

Its the miner’s responsibility to add this transaction into the block before mining it. There has been at least one case where miners forgot to add the reward to the transaction before mining a block, effectively destroying 12.5 BTC!

Validating Proof-of-Work

Let’s say our miner has found a hash that is less than the target. All this miner has to do is publish the mined block with the original six components to any connected nodes.

This node receiving the block will first verify the transaction set, ensuring all transactions are valid (for example, all transactions are appropriately signed, and coins aren’t being double-spent and/or being created out of thin air).

It will then simply double-hash theblock header and ensure the value is below the block’s included target value. Once the block is deemed valid, the new node will continue to propagate this block across the network until every node has an up-to-date ledger.

As you can see, newly published blocks can easily be verified by any given node. However, publishing a valid block to the network requires an incredibly large amount of computational power (thus, electricity and time). This asymmetry is what allows the network to be secured while simultaneously allowing individuals who wish to conduct economic activity on the network to do so in a relatively seamless manner.

The Block Time and Adjusting the Target

As the first miners began mining, they each monitored the block time. Each Bitcoin block has a set block time of 10 minutes. What this means is that given the current level of computing power (networkhashrate) on the network, nodes will always expect newly validated blocks to be produced every 10 minutes on average.

We can reasonably expect blocks to be produced within 10 minutes because the probability of finding a block, given the network hashrate, is known.

For example, let’s take the easiest target that’s ever existed in Bitcoin: the genesis block. The probability of any single hash being less than the easiest target is 1 in 2³². That’s one in over four billion. Therefore, we can reasonably expect somebody to run 2³² iterations of the mining problem in order to find a proper hash. Nodes on the network expected four billion of these iterations to be run across allminers on the network every 10 minutes.

If, over a large sample size of blocks, blocks start appearing faster than 10 minutes, this is a pretty clear indication that nodes on the network are iterating through four billion hashes much faster than 10 minutes. This situation prompts every node to adjust the target proportionally based on the increase (or decrease) in network power to ensure blocks continue to be produced every 10 minutes.

In actuality, nodes on the network monitor the block time across 2016 blocks, which comes out to exactly two weeks. Every two weeks, the total block time is compared to the expected block time (which is 20160 minutes).

To obtain the new target, simply multiply the existing target by the ratio of the total actual block time over the last two weeks to get the expected block time. This will adjust the target proportionally to the amount of entering or exiting computing power on the network.

The block time and the ability to easily calculate the probability of finding a valid block lets nodes easily monitor and determine the total hashpower on the network and adjust the network. No matter how much computing power is added to the network or how quickly its added, on average the block time will always remain at 10 minutes.

The current total hash rate on the network is 28.27 exahash per second. That’s 28.27 x 10¹⁸ hashes run every second across all computers on the network.

In summary

We have now comprehensively covered the following:

  • Зашто је криптографско једносмерно хеширање витално за доказ о раду
  • Слом изградње Битцоин блока
  • Стварни процес руковања и сама итерација
  • Како чворови могу лако потврдити друге блокове
  • Како мрежа успева да одржи алгоритам и конкурентност надгледањем времена блока и прилагођавањем циља

Сада бисте требали бити у стању да разумете и објасните како доказ о раду заправо функционише и зашто се сматра потпуно сигурним алгоритмом који омогућава децентрализацију и консензус!

Пратите ме на Твиттер-у и Медиум-у ако вас занимају детаљнија и информативнија писања попут ових у будућности!