Доказательство работы: майнинг и настройка сложности

Доказательство выполнения работы (PoW) требует, чтобы создатель блока выполнил вычислительно затратную задачу для добавления блока. Это препятствует спаму и делает переписывание цепочки дорогим. Проверка доказательства дёшева — достаточно одного хеша. Для выполнения работы требуется множество вычислений хеша.

PoW Биткоина: найдите такое значение nonce, чтобы SHA256d(block_header) < target. Целевое значение — 256-разрядное число. Чем меньше target, тем больше ведущих нулей требуется в результате хеширования, поэтому подходящие значения nonce встречаются реже и находятся труднее.

import hashlib def mine(data, difficulty): target = "0"*difficulty nonce = 0 while True: h = hashlib.sha256(f"{data}{nonce}".encode()).hexdigest() if h.startswith(target): return nonce, h nonce += 1 nonce, h = mine("block data", 4) print(nonce, h) # hash starts with "0000"

Заголовок блока Биткоина содержит поле «bits», кодирующее текущее целевое значение. Target = coefficient * 256^(exponent-3). Пример: bits=0x1703a30c → target = 0x03a30c * 2^(8*(0x17-3)) — 256-разрядное число, для которого требуется примерно 72 ведущих нулевых бита.

Биткоин корректирует сложность каждые 2016 блоков (примерно раз в 2 недели). Корректировка целевого значения: new_target = old_target * (actual_time / 2016 * 10 minutes). Если блоки находили быстрее, чем за 10 минут в среднем, target уменьшается, и задача усложняется. Если медленнее, target увеличивается, и задача упрощается. Это поддерживает среднее время создания блока около 10 минут.

Хешрейт сети (H/s) измеряет общую мощность майнинга. Чем выше хешрейт, тем меньше вероятность случайно найти подходящее значение nonce за единицу времени. Чтобы переписать k блоков, злоумышленнику требуется более 50% хешрейта сети, поддерживаемого в течение времени, пропорционального k*10 минутам.

Имея более 50% хешрейта, злоумышленник может: (1) добывать тайное ответвление цепочки, (2) включать или исключать транзакции, (3) совершать двойную трату, публикуя более длинную цепочку после подтверждения платежа. Он не может: красть чужие монеты, создавать монеты из ничего или отменять транзакции, находящиеся глубоко в цепочке.

Майнинг Биткоина с SHA256d контролируется ASIC (интегральными схемами специального назначения) — микросхемами, оптимизированными для одной хеш-функции. ASIC в 10^6 раз эффективнее CPU. Это сосредотачивает майнинг в крупных центрах обработки данных и усиливает опасения по поводу централизации.

Эфириум использовал Ethash (теперь устаревший) — PoW с высокой потребностью в памяти, требующий большого набора данных DAG. Высокие требования к памяти противодействуют ASIC, поскольку пропускную способность памяти трудно дёшево оптимизировать. Monero использует RandomX (оптимизированный для CPU и устойчивый к ASIC). Zcash использует Equihash (с высокой потребностью в памяти).

Стратегия эгоистичного майнинга: удержать найденный блок, добыть второй блок, а затем одновременно опубликовать оба. Если правильно выбрать время, честные майнеры потратят вычислительные ресурсы на осиротевший блок. Для прибыльности в среднем требуется около 33% хешрейта, а не 51%.

Доказательство доли владения (PoS, используемое Эфириумом после перехода) заменяет вычисления хеша криптовалютой, внесённой в залог. Валидаторы выбираются для предложения блоков пропорционально их доле. PoS потребляет на 99.95% меньше энергии, чем PoW. Компромисс: другие предположения о доверии и иная экономика атак.

PoW требует найти такое значение nonce, чтобы SHA256d(header) < target. Сложность корректируется каждые 2016 блоков. Хешрейт в 51% позволяет проводить атаки с двойной тратой. В майнинге Биткоина доминируют ASIC, а функции с высокой потребностью в памяти противодействуют ASIC. Далее: скрипт Биткоина и подписи UTXO.