Hogyan működik a Bitcoin bányászat

Amint a Bitcoin az általános elfogadáshoz és elismeréshez közelít, alapvető, bányászatként jellemzett biztonsági modellje a figyelem középpontjába kerül és egyre inkább mindennaposabban vizsgálódik.

Az embereket egyre inkább aggasztja és érdekli a Bitcoin bányászatának környezeti hatása, az alapul szolgáló modell biztonsága és decentralizációjának mértéke, sőt egy kvantumszámítástechnikai áttörés potenciális hatása a Bitcoin és más kriptovaluták jövőjére.

Gyakran a munka igazolását „kriptográfiai rejtvénynek” írják le, de valójában mi is ez a rejtvény?

Ahhoz, hogy valóban megértse ezeket a kérdéseket (és az esetleges válaszokat), meg kell ismernie a Bitcoin bányászatát és annak fejlődését.

Ez a cikk megvizsgálja a munkavégzés igazolásának összes technikai és mozgó részét, valamint azt, hogy hogyan tudnak szinkronizálni zökkenőmentesen egymással, hogy a Bitcoin a mai decentralizált platform legyen.

Miért működik a bányászat: kriptográfiai egyirányú hash

A Bitcoin blokkláncot gyakran kriptográfiailag biztonságos és később megváltoztathatatlan adatbázisnak nevezik. A változhatatlanságot és biztonságot meghonosító alaptechnika a rejtjelezés.

A kriptográfiai kivonatoló függvény egy matematikai függvény, amely egyszerűen megfogalmazva bármilyen bemenetet felvesz és rögzített méretű karakterláncra térképezi fel.

Ezeknek a funkcióknak azonban négy speciális tulajdonsága van, amelyek felbecsülhetetlen értékűvé teszik őket a Bitcoin hálózat számára. Ők:

  1. Determinisztikus - a kriptográfiai kivonatoló funkció bármely bemenetéhez az eredő kimenet mindig ugyanaz lesz.
  2. Gyors - A hash függvény kimenetének kiszámítása, bármilyen bemenet mellett, viszonylag gyors folyamat (nem igényel nagy számítást)
  3. Egyedi - A függvény minden bemenetének teljesen véletlenszerű és egyedi kimenetet kell eredményeznie (más szóval, két bemenet nem eredményezi ugyanazt a kimenetet)
  4. Irreverzibilis - Ha egy kivonat készít egy kivonatoló funkciót, az eredeti bemenetet nem lehet megszerezni

Ezek a szabályok biztosítják az alapot, amely lehetővé teszi a Bitcoin bányászat számára a hálózat biztonságát.

Különösen a Bitcoin protokoll készítője, Satoshi Nakomoto az SHA-256 hash függvény használatát választotta a Bitcoin bányászatának alapjaként. Ez egy speciális kriptográfiai kivonatoló funkció, amely matematikailag igazoltan rendelkezik a fenti tulajdonságokkal. Mindig egy 256 bites számot ad ki (a legalapvetőbb számítási egységet), amelyet általában a hexadecimális számrendszer képvisel 64 karakterrel az emberi olvashatóság érdekében.

Az SHA-256 függvény kimenetét általában a bemenet hashjának nevezik .

Íme egy példa az SHA-256 funkció be- és kimenetére (itt maga is kipróbálhatja):

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

Érdekes módon a legtöbb helyen, ahol a hash-t használják a Bitcoin protokollban, kettős hash- t használnak. Ez azt jelenti, hogy az eredeti SHA-256 funkció kimenetét ezután közvetlenül visszahelyezik az SHA-256 funkcióba, hogy újabb kimenetet kapjanak. Így néz ki ez a folyamat:

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

A kettős hash-t használják a születésnapi támadások elleni védelemre. A születésnapi támadás olyan forgatókönyv, amikor a támadó teljesen más bemenet (ún. Ütközés ) segítségével képes előállítani ugyanazt a kivonatot, mint egy másik bemenet . Ez megtöri az egyediség harmadik tulajdonságát . Nélküle két teljesen különböző Bitcoin-blokkot képviselhet pontosan ugyanaz a hash, lehetővé téve a támadók számára, hogy potenciálisan kiváltsák a blokkokat.

Az SHA-256 funkcióval ennek a támadásnak a valószínűsége végtelenül kicsi. Ha ez nem lenne lehetetlen, akkor az SHA-256 töröttnek tekinthető.

Más hash funkciókat azonban a múltban „megszakítottak”. Annak érdekében, hogy a jövőben ez elkerülhető legyen az SHA-256-mal (és hatékonyan megtörje a Bitcoin biztonsági modelljét), a legjobb a hash kivonatolása . Ez felére csökkenti az ütközés bekövetkezésének valószínűségét, ami sokkal biztonságosabbá teszi a protokollt.

Nagyon magas szinten a Bitcoin bányászat olyan rendszer, amelyben az összes Bitcoin tranzakciót elküldik a Bitcoin bányászainak. A bányászok egy megabájt értékű tranzakciókat választanak ki, az SHA-256 funkció bemeneteként kötegelik, és megkísérelnek megtalálni egy adott kimenetet, amelyet a hálózat elfogad. Az első bányász, aki megtalálta ezt a kimenetet és közzétette a blokkot a hálózaton, jutalmat kap tranzakciós díjak és új Bitcoin létrehozása formájában.

Vegyünk egy lépést tovább, és merüljünk el magában a Bitcoin blokkláncban, hogy lássuk, mi is pontosan az, amit a bányászok tesznek a hálózat biztonságossá tétele érdekében.

Bitcoin bányászat: technikai bevezetés

A bányászatot a kettős költés problémájának megoldásaként vezették be. Ha van 1 Bitcoinom, és elküldöm Bobnak, majd megpróbálom ugyanazt a Bitcoin-ot elküldeni Alice-nek, a hálózat biztosítja, hogy csak egy tranzakciót fogadjanak el. Ezt a bányászatnak nevezett jól ismert folyamaton keresztül teszi.

Mielőtt belemerülnénk a technikai részletekbe, fontos megérteni, miért van szükség a bányászatra a hálózat biztonságához. Mivel a fiat pénznem már létezik, a nálunk használt valutát egy szövetségi tartalék hozza létre és érvényesíti. Mivel a Bitcoin a decentralizáció és a konszenzus merev feltételezése mellett működik, nem létezhet olyan központi hatóság, amely érvényesítené és időbélyegzővé tenné az adott valuta kibocsátását és az adott valutával történő bármely tranzakció érvényesítését.

Satoshi Nakamoto akkoriban az egyetlen ismert megoldást javasolta ennek az érvényesítési problémának konszenzusorientált rendszerben történő megoldására. A Bitcoin munkalapjának a munka bizonyítékaként titulált sémája elegánsan igazolja, hogy a tranzakciókat azok validálják, akik hajlandók elegendő fizikai számítási energiát és időt elkölteni erre, miközben ösztönzőket vezetnek be a piaci verseny kiváltására. Ez a verseny lehetővé teszi a decentralizáció tulajdonságainak az ökoszisztémán belüli szerves megjelenését és szerves fejlődését.

Pillantás egy blokk belsejében

A Bitcoin blokk elsősorban két komponensből áll:

1. Tranzakciók, merkle fa formájában

A bányászati ​​számítógépek annyi tranzakciót gyűjtenek, hogy egy blokkot kitöltsenek, és egy merkle fába csomagolják őket.

A merkle fa viszonylag egyszerű fogalom: a tranzakciók a fa alján fekszenek, mint levelek, és az SHA-256 függvény segítségével kivonatolhatók. Két levéltranzakció kombinációját ismét az SHA-256 függvény segítségével kivonatolják, hogy a levelek szülője legyen. Ez a szülő a hash-tranzakciók többi szülőjével együtt folyamatosan felfelé hasít, amíg egyetlen gyökér nem jön létre. Ennek a gyökérnek a kivonata tulajdonképpen az alatta lévő tranzakciók egyedi ábrázolása.

A merkle fa gyöke a fa minden tranzakciójának hash-ja.

Recall that for any any input to a hash function, the output is entirely unique. Therefore, once most nodes on the network receive a mined block, the root of the merkle tree hash acts as an unchangeable summary of all the transactions in that given block.

If a malicious actor were to try and change the contents of a transaction in a block, its hash would be changed. This change of a hash would be propagated up the transaction’s merkle tree until the hash of the root is changed. Any node can then quickly catch this malicious act by comparing the root of the changed block’s merkle tree to that of a valid block’s merkle tree.

2. The block header

The block header is a summary of the contents of the block itself. It contains the following six components:

  • 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:

  • Why cryptographic one way hashing is vital to proof-of-work
  • A breakdown of the construction of a Bitcoin block
  • The actual mining process and iteration itself
  • How nodes can easily validate other blocks
  • How the network manages to maintain the algorithm and competitiveness by monitoring the block time and adjusting the target

You should now be able to understand and explain how proof-of-work actually functions and why it is considered to be an entirely secure algorithm that enables decentralization and consensus!

Follow me on Twitter and Medium if you’re interested in more in-depth and informative write-ups like these in the future!