Блокчеин, крипта и майнинг - технический взгляд на вопрос

Начало 2021 года… курс биткоина перевалил 40К долларов…. однако здравствуйте! В связи с очередной волной криптохайпа на рынке, решил я начеркать эту статейку – о крипте с технической стороны. С финансовой стороны(точнее мое, обывательское, отношение к ее ценности) – крипта такой же финансовый инструмент, как и доллар США. Объясню: ныне, доллар это цифра, сила которой обеспечена гарантиями правительства(системы) США. Крипта – это такая же цифра, обеспечена гарантиями системы, в которой она хранится – блокчейном. Ценность любого ресурса, в конце-концов, определяют люди. На этом, перейдем к сути статьи…

Технический базис

Вся технология блокчейна, как и все в компьютерных сетях, где нет доверительных отношений, строиться вокруг хешей. Они создаются функциями, в алгоритме которых заложены следующие моменты:

независимо от длины входящей строки – хеш-код имеет строго определенную длину;
имея хеш невозможно восстановить исходную информацию;
результат хефирования идентичных строк идентичный;
один хеш может иметь только одну исходную строку.

Как, я думаю всем понято, последнее утверждение, теоретически, бессмысленное; поскольку, пул символов ограничен и их количество в хеш-строке также. Но я сказал теоретически – поскольку это число(вариантов комбинаций) велико(для алгоритма SHA-256, в биткоин, их аж 2 в 256-ой степени).

Блокчейн

Блокчейн – это, по большому счету, всего лишь база данных(ну или бухгалтерская книга, коль разговор в контексте криптовалюты). Да, в связи с особенностями его использования – она окружена различными проверками входящих данных. В виду ее безопасности(об этом позже) я б, к примеру, использовал данную схему для проведения электронных выборов; но на данный момент, ничего лучше, чем хранить крипту или свои идентификационные данные, люди не придумали(кста, го в комменты – почему так?).

Предлагаю(а точнее – настаиваю, раз уж ты это читаешь) разобраться, как она устроена и что из себя представляет.

Теоретический взгляд

Данная схема хранения данных предусматривает зависимость каждого следующего блока данных от предыдущего, с английского – “цепочка блоков”. Кроме того, для пущей безопасности, блокчейн делают децентрализованным – т.е. копия БД и сопровождающее ее ПО хранятся у каждого, кто использует данную сеть, и все они равноправны.

Децентрализованный блокчейн могут подменить только >50% пользователей этой системы, с одинаково сфальсифицированными блоками.

Майнинг

Процесс майнинга это обычный процесс “угадывания” комбинации знаков методом перебора, которые, после определенных манипуляций должны соответствовать определенным требованиям. По сути, это брутфорс паролей…

Теория

В целом, майнинг с точки зрения блокчейна – это процесс упаковывания транзакций в блоки; для майнера же, это процесс добычи крипты + получение комиссии с каждой упакованной операции.

Технически, это поиск строки, которую нужно дополнить данными о транзакциях и фрагментом данных о предыдущем блоке, хеш которой даст строку с определенными параметрами. Параметр сложности этой строки подбирается так, чтоб время нахождения блока было около константой.

Рассмотрим на примере Биткоина. Первоначально, с полученных транзакций формируется дерево Меркла(о нем – ниже); после, берется корень этого дерева, конкатенируется с хешом предыдущего блока и случайной строкой(nonce-field); из полученной строки создается хеш и проверяется его сложность: если она выше, чем требует блокчейн для нового блока – составляется новый nonce-field и процесс повторяется, в ином случаи – создается новый блок, о чем оповещаются все майнеры.

Биткоин-блокчейн пересчитывает сложность хеша каждые 2016 блоков таким образом, чтоб процесс нахождения nonce-field(а соответственно, и создание блока) был равен 10 минутам.

Дерево Меркла

Дерево Меркла – это способ хранения информации в виде хешей. Оно строится так: каждая транзакция хешируется – таким образом, формируются листья первой очереди. Затем хеши соседних листьев складывают(по 2) и снова получают хеш этой строки. Эту операцию проделывают до тех пор пока не остается 1 строка – это и есть корень дерева Меркла.

Как ты заметил(наверное), листьев должно быть четное количество – по этому, если транзакций нечетное количество, последний лист дублируется.

Так зачем же оно надо? Дело в том, что каждая транзакция, после попадания в блок, находится в “замороженном” состоянии. Она получает окончательное одобрение системой только после нескольких подтверждений. Это подтверждение блок транзакций получает при постройке следующих блоков, в которые, замороженная транзакция также вносится; к примеру, в биткоине, для признания транзакции вырлаты награды полностью легальной, нужно 100 подтверждений(последующих блоков), а на оплату биткоинами 6. Так вот, каждая проверка подтверждения требует усилий сети, а такая структура их экономит. Кроме экономии вычислительных мощностей, эта структура позволяет строить “легкие” клиенты – хранящие только корни дерева.

Данные подтверждения, как я понял, нужны для предотвращения двойных трат средств.

Сказ о сложности

Дело в том, что хеш, который мы видим – это представление в шестнадцатеричной форме; его можно перевести в десятеричную – и тогда это будет обычное число. Сложность это разница между максимальным значением хеша и текущим хешем. Строка с максимальной сложностью это, по сути, шестнадцатеричная строка, состоящая с самого старшого символа в этом формате и переведенная в десятичный. Допустимыми символами в шестнадцатеричной системе есть десять цифр(0 – 9) и шесть первых букв латинского алфавита(a – f), таким образом – старший символ f. Формула перерасчета выглядит так

где d – порядковый номер символа(0 – 15), n – порядковый номер символа в строке.

Вот почему, когда говорят о сложности и цели в майнинге биткоин, большинство статей упоминают о предшествующих нулях в хеше – ведь они не вносят никакого влияния на величину хеша.

О майнинг-пулах

В начале, когда суммарные вычислительные мощности сети были малы – у каждого были шансы(они и сейчас есть) найти нонс–строку. Но когда крипта “выстрелила” и майнинг стал бизнесом, игроки стали обьеденять усилия для повышения своих шансов. Так умер соло-майнинг, потому как в кооперации можно договориться о разделении проверяемых значениях.

Кошелек и электронная подпись

Каждое перечисление или начисление крипты происходит с/на кошелек. Адрес кошелька это, по сути, хеш от каких-то персональных данных(либо, как у биткоин-кошельков, набор случайных символов) владельца. Однако, ввиду того, что блокчейн(как и любая компьютерная система) построен на недоверии – каждая транзакция требует подписи. Здесь и вступают на сцену публичный и секретный ключи. Работают они так: каждая транзакция содержит подпись(шифровку от хеша транзакции и секретного ключа) и публичный ключ; майнер, прежде чем внести новую информацию в блок, при помощи публичного ключа, дешифрует подпись; если хеш операции равен хешу после дешифрования – все ок.

Ремарка о подписи: в процессе шифрования используют хеш информации по причине экономии вычислительных мощностей.

По поводу баланса кошелька – система не хранит информацию о нем; он результат всех транзакций по адресу.

Что же такое криптовалюта?

Криптовалюта – это вознаграждение майнеру за формирование нового блока, т.е. за поддержание блокчейн-сети в рабочем состоянии. Оно состоит из фиксированной суммы(установленной сетью) и комисии с транзакций(также установленной сетью).

Например, в сети Биткоин, вознаграждение за первые 210 тыс. блоков было по 50 монет; спустя каждые 210 тыс. оно делится на 2. Примерно, к 2033 году эмиссия новых монет прекратится, т.е. майнеры будут получать только комиссию. И-да, ответить – как же их увидеть? – первая транзакция в начале каждого тела блока.

Заключение

Здесь я кратко прошёлся по основным моментам крипты и всем, что с ней связано. В одной из будущих статей реализуем свою валюту; не в виде токена на существующем блокчейне, а создадим с ничего… В общем, to be continue…

Блокчеин, крипта и майнинг – технический взгляд на вопрос