Главная МТС Банк

Алгоритмы майнинга: сравнение и выбор лучшего. Тема: Майнинг: Крипто-алгоритмы майнинга

В этой статье мы решили собрать популярные криптовалюты созданные на алгоритме sha256. Что можно сказать есть пара другая толковых монет, но большая часть или развивается или явно скам без нормального сайта и сообщества.

Bitcoin

стоимость: $16 564.70;
капитализация: $277 203 413 279;
торгуется на биржах: На всех;

Думаю какие либо комментарии излишни, биткоин он и в Африке биткоин, только ленивый о нем не слышал.

Peercoin

стоимость: $3.44;
капитализация: $84 219 271;
торгуется на биржах: WEX, Bit-Z, Bittrex, Poloniex, YoBit, Cryptopia, HitBTC, LiteBit.eu;

Peercoin — одна из действительно уникальных валют. Ее код создан на основе цифрового золота Bitcoin, но сама она использует эту технологию немного иным способом. Так система Proof of Stake используется для защиты всей сети монеты. Также Proof of Work применяется в Peercoin, в роли механизма справедливого распределения монет.

Namecoin

стоимость: $3.00;
капитализация: $44 142 739;
торгуется на биржах: WEX, Poloniex, Livecoin, Cryptopia, YoBit, Coingi;

Namecoin — экспериментальная технология с открытым исходным кодом, которая улучшает децентрализацию, безопасность, защиту от цензуры, конфиденциальность и скорость определенных компонентов инфраструктуры Интернета, таких как DNS и идентификационные данные.
По сути, Namecoin — это система регистрации и передачи пары ключей / ценностей, основанная на технологии Bitcoin.

Если Биткоин освобождает деньги — Namecoin освобождает DNS, удостоверение личности и другие технологии.

Unobtanium

стоимость: $89.32;
капитализация: $17 677 687;
торгуется на биржах: Cryptopia, C-CEX, Bleutrade, CoinExchange;

Unobtanium — это криптовалюта созданная на алгоритме SHA256, уникальная для низкой инфляции, дефицита, справедливого запуска и распространения. Только 250 000 Uno когда-либо будут добыты в течение следующих 300 лет. Unobtanium объединяется с Bitcoin, что приводит к созданию надежной блокировки с высоким уровнем сложности, которая в 3 раза быстрее, чем биткоин. Uno редко встречается не только для выпускаемых монет, но и для его честного запуска и распространения. Uno не был предварительно запрограммирован. Запуск был предварительно объявлен Bitcointalk и, бесспорно, справедливо, с первых 1000 блоков, добытых при низкой награде, чтобы обеспечить майнерам время для настройки оборудования.

Deutsche eMark

стоимость: $0.047230;
капитализация: $1 530 697;
торгуется на биржах: Cryptopia, YoBit, CoinExchange;

Deutsche eMark — это цифровая валюта, которая работает с помощью технологии блокчейна, а она в свою очередь представляет собой цифровую сеть. В этой сети два человека могут напрямую передавать ценности, например деньги. Банки или фондовые биржи больше не нужны, поскольку обе стороны могут лично согласиться на обмен. Блокчейн запускает транзакцию в течение нескольких секунд. Иностранные денежные переводы, кредитование и торговля акциями — все это могло бы работать без вмешательства учреждений, благодаря блокчейну. Хорошо, как клиенту, вам не нужно платить больше за это.

Многие интересуются техническими основами криптовалют, но немногие знакомы с криптографией. Для того, чтобы докопаться до сути происходящего в биткойн-протоколе приходится продираться через дебри криптографических терминов, загадочных и неудобных акронимов типа SHA-256, Scrypt, base58check, RIPMD-160 и т.п. Мы уже освещали ранее некоторые аспекты биткойн-криптографии. В этой статье мы постараемся рассказать об одной из наиболее важных ее сторон – крипто-алгоритмах майнинга.

Классика: SHA-256

Начнем наш обзор, конечно же, с классического SHA-256, с которого все начиналось — именно на этом алгоритме построен биткойн-майнинг, как и майнинг подавляющего большинства биткойн-клонов (альткойнов).

Так что же это такое этот самый SHA-256? Это криптографическая хэш-функция, которая была разработана нашими «друзьями» – Агентством национальной безопасности США. Подождите, не спешите впадать в прострацию, здесь не о чем волноваться. Потерпите немного, обещаю, что скучать вы точно не будете.

Основная работа любой хэш-функции заключается в превращении (или хэшировании) произвольного набора элементов данных в значение фиксированной длины («отпечатка» или «дайджеста»). Это значение будет однозначно характеризовать набор исходных данных (служить как бы его подписью), без возможности извлечения этих исходных данных. Это официальное объяснение из Википедии, замечательное и научно-обоснованное, но вот только я, например, не говорю на таком языке. И уверен, что большинство из вас тоже. А посему позвольте мне объяснить значение этого «феномена», по-нашему, по-простому.

Как мы все знаем, при майнинге SHA-256 криптомонет, мы решаем поставленную задачу при помощи CPU, GPU или специализированного процессора. Процессы преобразования отображаются в интерфейсе программы, предназначенной для майнинга, например, в виде строки «Accepted 0aef41a3b». Значение 0aef41a3b - это и есть хэш. Он является как бы подписью большого набора данных (собственно, очередного блока транзакций с добавленным к нему случайным числом). Эта короткая строка как бы представляет собой блок, который состоит из нескольких тысяч, если не миллионов, подобных строк.

Это также объясняет то, почему вам нужно решить перебором множество задач, прежде чем удастся отыскать нужный хэш для нового блока. Ведь мы ищем не какой попало хэш, а тот, который начинается на определенное количество нулей. У вас имеется один шанс на тысячу, десятки, сотни тысяч, миллионы решений, что случайно получившийся хэш будет иметь нужное количество нулей в начале. Сколько именно? Определяется параметром сложности, которое задает ваш майнинг-пул. Заранее понять, получится у вас «красивый хэш» или нет, невозможно. Это похоже на игру в лотерею, но с машинами, которые могут выполнять вычисление выигрышной комбинации быстрее и лучше, чем любой из нас.

Вы считаете, что для решения задач, связанных с хэшированием при использовании протокола SHA-256, вам потребуется мощное аппаратное обеспечение? В этом есть определенный смысл. Чем больше используется вычислительной мощности, тем лучше, так как увеличиваются шансы на добычу монет. Но имейте в виду, что вы не единственный, кто занимается майнингом. Есть люди, которые располагают более производительным аппаратным обеспечением. Не расстраивайтесь, у вас есть все шансы на выигрыш. Это похоже на игру в лотерею, вы никогда не знаете, когда повезет!

Теперь вернемся к алгоритму SHA-256. Криптовалюта — это не единичный пример, где используется SHA-256. Есть несколько протоколов, о которых вы, скорее всего, слышали и которые используют данный алгоритм. Это протоколы SSL, SSH, PGP и многие другие. Каждый раз, когда вы заходите на защищенный веб-сайт с помощью сертификата SSL, используется SHA-256. Бьюсь об заклад, вы не задумывались об этом, не так ли? Все мы узнаем что-то новое со временем!

Именно алгоритм SHA-256 реализован во всех выпущенных на настоящий момент специализированных ASIC-майнеров, ASIC-оборудование для других алгоритмов майнинга пока только разрабатывается. Помимо Биткойна, майнинг, основанный на SHA-256, используется в ряде других цифровых валют-клонов. Например, такие альткойны как Peercoin и Namecoin его используют. В последнее время наблюдается всплеск новых SHA-256 монет: Zetacoin, Ocoin, Tekcoin и десятки других.

Задачки посложнее: Scrypt

Алгоритм SHA-256 - не единственный алгоритм, который интересен для майнеров. Вторым по популярности майнинг-алгоритмом в мире криптовалют является Scrypt. История появления Scrypt связана с тем, что уже на ранних этапах существования биткойна стало очевидно, что простота функции SHA-256 позволяет сделать аппаратные решения, которые будут выполнять такие вычисления гораздо эффективнее, чем на обычном компьютерном процессоре (CPU). И действительно, биткойн-майнинг очень быстро мигрировал с CPU на графические процессоры (GPU), затем на программируемые аппаратные устройства (FPGA), после чего вышли специально под него заточенные микросхемы (ASIC). Высокая концентрация специализированной ASIC-мощности представляет проблему для децентрализованной валюты.

Функция хэшинга Scrypt специально разрабатывалась с целью усложнить аппаратные реализации путем увеличения количества ресурсов, требуемых для вычисления. Поэтому (по крайней мере в теории) такой концентрации майнинг-ресурсов как в биткойне не должно произойти, и он останется децентрализованным.

По своей сути, Scrypt-майнинг не сильно отличается от биткойн-майнинга. На вход подается блок данных, к нему применяется хэш-функция, на выходе мы пытаемся получить «красивый хэш». Вот только сама хэш-функция гораздо сложнее в вычислении. Данный алгоритм использует более значительное количество оперативной памяти (памяти с произвольным доступом), чем SHA-256. Память в Scrypt используется для хранения большого вектора псевдослучайных битовых последовательностей, генерируемых в самом начале алгоритма. После создания вектора его элементы запрашиваются в псевдослучайном порядке и комбинируются друг с другом для получения итогового ключа.

Так как алгоритм генерации вектора известен, в принципе возможна реализация scrypt, не требующая особенно много памяти, а высчитывающая каждый элемент в момент обращения. Однако вычисление элемента относительно сложно, и в процессе работы функции scrypt каждый элемент считывается много раз. В Scrypt заложен такой баланс между памятью и временем, что реализации, не использующие память, получаются слишком медленными.

Эта искусственно созданная сложность, весь этот трудоемкий вычислительный процесс и требования к памяти приводят к тому, что любое специализированное оборудование для Scrypt-майнинга не будет на порядки эффективнее универсальных устройств (GPU, CPU). В идеале, добыча монет, основанных на Scrypt, должна осуществляться на одном (или нескольких) компьютерах с большим количеством памяти. Здесь большое значение уделяется видеокартам. Если вы рассматриваете покупку видеокарт для майнинга с использованием Scrypt протокола, то наилучшим вариантом станет приобретение изделия от фирмы ATI. В силу архитектурных различий, производительность майнинга на видеокартах ATI сейчас гораздо выше, чем на Nvidia, хотя в будущем все может измениться.

В конечном счете, все сводится к следующему: протоколы SHA-256 и Scrypt работают ради одной цели – получить перебором «красивый хэш», который даст нам (или, скорее, пулу, на который мы работаем) право удлинить блокчейн и получить за это вознаграждения. Они просто решают поставленную задачу по-разному: в SHA-256 упор на технические возможности аппаратного обеспечения — чем выше производительность, тем лучше результат. А Scrypt требует в работе большой объем памяти. Соответственно, производительность напрямую зависит от размера оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и видеокарт, установленных в компьютере.

Самым известным альткойном из использующих в майнинге Scrypt является Litecoin. Есть и Dogecoin, Digitalcoin, Franco, Bottlecaps и многие другие. Популярность Scrypt-монет, особенно лайткойна, существенно возросла после того как биткойн-майнинг массово мигрировал на ASIC и бывшие майнеры с видеокартами остались не у дел — их оборудование не может конкурировать со специализированными комбайнами. Вот они и приспособили свои видюшки к лайткойн-майнингу, или к добыче другой экзотики, которую пока еще можно сбыть доверчивым горе-инвесторам, ожидающим чуда.

Крипто-танцы: Scrypt-Jane

Знакомьтесь – это Джейн! Нет, нет, она и Scrypt не состоят в браке, хотя между ними все же есть некие родственные отношения. Scrypt-Jane подобно любой другой девушке любит хорошо провести время. А ее способности к перемешиванию данных и приятели-алгоритмы унесут вас в самые экзотические места! Не понимаете? Сейчас все объясню.

Scypt-Jane поддерживает не менее трех различных систем поточного шифрования. Прежде всего, у нас есть Salsa20/8. Нет, это не латиноамериканский танец — на самом деле, это довольно простая функция. Основная ее работа заключается в приеме 192-байтной строки (из букв или цифр) и дальнейшем ее преобразовании в 64-байтную строку Salsa20 (х).

Непонятно, не так ли? Хорошо, постараюсь использовать меньше теории. Salsa20 состоит из двух частей: потокового шифра для шифрования данных (это, должно быть, звучит более знакомо) и функции сжатия (так называемый алгоритм Rumba20), предназначенной для сжимания строки в 192 байта до 64-байтного значения. Используя лексикон «чайника», можно сказать так: ваша строка может быть длиннее 64 байт, пока не сравняется со значением в 192 байта, при этом строка будет сжата (читай: конвертирована) до 64-байтной строки.

Теперь, когда мы немного разогрелись после сальсы и румбы, пришла пора вводить вторую функцию – ChaCha20. Честно, это не я выдумываю такие названия. ChaCha20 очень похож Salsa20: это такой же поточный шифр. И, тем не менее, он предлагает некоторые дополнительные услуги, такие как увеличение устойчивости к криптоанализу. Он также улучшает перемешивание данных на раунд. То есть, если вы занимаетесь добычей криптовалюты в составе майнерского пула, то вы можете увидеть, что один майнерский раунд (период времени, в течение которого пул находит один блок) может составлять либо длинный, либо короткий промежуток времени. Длительность подобных раундов частично зависит и от улучшенного перемешивания, предлагаемого ChaCha20 из Scrypt-Jane. Есть и другие факторы, влияющие на снижение времени раунда, но об этом позже.

И, наконец, последняя, но не менее важная третья функция перемешивания данных — Salsa6420/8. Сексуальное название, не так ли? Salsa6420/8 является доказательством правильности концепции 64-байтной версии Salsa20/8. Это просто улучшенная версия Salsa20/8, которая позволяет работать с более высокобайтными блоками. Я мог бы продолжить в том же духе выдавать подробную техническую информацию, но, боюсь, что половина из вас, мои дорогие читатели, уже заснула, а остальные принялись за игрушки на своих смартфонах, так что давайте не будем заострять на этом внимание. Просто помните о том, что у Scrypt-Jane имеется три отличных «миксовых партнера».

Но вернемся к реальности! Scrypt-Jane также поддерживает несколько хэш-функций. Одна из них уже очень хорошо известна всем нам – это SHA-256. Она также поддерживает более продвинутый вариант SHA-512. Другие поддерживаемые хэш-функции включают BLAKE256/512, Skein512 и Keccak256/512 (или просто SHA -3).

BLAKE256-512 отличается очень простой разработкой для применения и опирается на уже проанализированные нами компоненты: структуру HAIFA (не будем ее рассматривать в данный момент) и основную функцию ChaCha (которую мы затронули ранее). Наиболее характерные особенности BLAKE – это высокий запас надежности (довольно важная характеристика, но о ней не сейчас) и высокопроизводительная универсальность (что тоже очень важно для майнеров). Что нужно запомнить о BLAKE, так это то, что она может и будет работать быстрее, чем SHA- 2(56) на ряде платформ.

С другой стороны, у нас же есть Skein512. Тех, кто придумывает такие великолепные имена, нужно наградить медалью… Skein («лялька» в переводе на русский) представляет собой хэш-функцию, представленную на конкурсе криптографических хэш алгоритмов. Она сочетает в себе скорость, безопасность, простоту и гибкость. Все мы это очень любим, не так ли? Она также очень эффективна на различных платформах как в аппаратной, так и в программной среде. Вы можете найти алгоритм Skein и на маленьких смарт-картах, с которыми большинство из нас имеет большой опыт работы.

Да уж, танцевально-криптографическая терминология тут просто зубодробительная. Но хватит теории, давайте посмотрим на то, что Scrypt-Jane может сделать для нас. Scrypt-Jane имеет свой собственный вариант масштабирования сложности проблем. Scrypt-Jane использует N-фактор (который является числом), и это число определяет количество памяти, необходимой для решения задач. Значение числа N-фактора возрастает через определенные промежутки времени. Обычно это происходит тогда, когда в блокчейне найдено определенное количество блоков. Всякий раз, когда это число N-фактора увеличивается, снижается эффективность добычи криптовалют, так как требуется все больший объем памяти на выполнение тех же задач. Говоря простым языком, количество выполненных задач снизится, то есть упадет и вероятность нахождения решения.

Scrypt-Jane первоначально была предназначена для майнинга только на процессорах CPU как еще более замороченная замена Scrypt. Но увы, доминирование CPU-майнинга и тут длилось недолго. Майнеры, работающие на GPU, как вороны кружили вокруг Scrypt-Jane монет, стремясь увеличить эффективность добычи и, соответственно, прибыль. Вы можете подумать, что даже в случае уменьшения прибыли, вы сможете вести добычу с GPU в течение более длительного времени по сравнению с майнингом на CPU? Боюсь, что вы ошибаетесь. В конце концов, значение N-фактора будет настолько высоко, что для добычи на Scrypt-Jane GPU будут менее эффективным, чем процессоры CPU. В связи с этим, Scrypt-Jane не так-то легко перевести в специализированный ASIC-майнинг, как SHA-256 или даже Scrypt.

Одной из первых Scrypt-Jane-монет, получивших некоторую популярность, была Yacoin (да, да, Yet Another Coin — «еще одна монета»), правда, популярность этой монеты быстро упала вместе с уменьшением интереса к ней майнеров. Совсем недавно мы были свидетелями появления монет, подобных Copperbars (эффективность майнинга на GPU также упала), и самые свежие дополнения к списку – это валюты TIX и Cryptonerd.

Далее везде

Три описанных алгоритма покрывают более 90% всего зоопарка криптовалют, но, конечно же, есть и другие. Чуть ли не еженедельно появляются предложения относительно все более новых и хитромудрых алгоритмов майнинга — все и не осветить. Из относительно новых можно упомянуть особо «асикоустойчивый» алгоритм Dagger, который собираются использовать в криптовалютной платформе нового поколения Ethereum.

Надеемся, эта статья дала вам лучшее представление о том, что представляют из себя наиболее распространенные криптоалгоритмы майнинга. Если вы занимаетесь майнингом, вы теперь лучше понимаете, что именно происходит в недрах вашего гудящего и перегревающегося майнинг-комбайна, и на что конкретно уходит ваше электричество.

Многие из вас наверняка еще с самого начала задались вопросом «А как там оно все таки работает?». Я постараюсь максимально подробно и доступно ответить на этот вопрос. Не зря алгоритмы, да и все что связано с данной темой, имеет приставку крипто-. Это не спроста. Так как для того чтобы докопаться до сути – придется пробираться через дебри криптографических терминов типа SHA-256, Scrypt, RIPMD-160, base58check и т.д. Я не зря решил собрать все в одну статью. Так как материала будет не много и он хорошо усваивается. А так же можно будет сравнить и выявить слабые и сильные стороны каждого метода.

Сразу скажу вам одну интересную вещь. Вы даже не задумывались, но вы каждый день, лазая по просторам интернета, пользуетесь этим алгоритмом. Каждый раз заходя на сайт, который защищен сертификатом SSL, используется алгоритм SHA-256. Так же этот алгоритм используют протоколы SSH, PGP и многие другие. Но нас интересует какую роль он выполняет в майнинге.

Немного истории

SHA-256 - это криптографическая хэш-функция. Разработало ее Агенство национальной безопасности США.

Основная работа любой хэш-функции заключается в превращении (или хэшировании) произвольного набора элементов данных в значение фиксированной длины («отпечатка» или «дайджеста»). Это значение будет однозначно характеризовать набор исходных данных (служить как бы его подписью), без возможности извлечения этих исходных данных. (Википедия)

Как-то слишком по научному, не находите? Ну а теперь давайте разбираться в то что все это значит.

При майнинге криптомонет, SHA-256 решает поставленную задачу при помощи процессоров (CPU), видеокарт (GPU) или специализированных устройств типа ASIC. Итак, как происходит решение этой задачи: Итак пулл (место где собираются майнеры чтобы объединить свои мощности в одну большую, для скорейшего и более эффективного майнинга монет) выдает нам новый блок, который состоит огромного набора данных. Из тысяч или даже миллионов строк. Но блок этот представлен всего одной строкой. Его «цифровой подписью» – очередным блоком транзакций с добавленным к нему случайным числом. Это строка называется ХЭШ.

Для того чтобы подобрать нужный хэш к новому блоку, нужно путем перебора решить множество задач. Так как ищем мы определенный хэш, который начинается на определенное количество нулей. Шанс что случайно получившийся хэш будет иметь нужное количество нулей в начале – примерно 1 к 1 000 000. Все зависит конечно же от параметра сложности, который задает пул. Т.е. заранее понять получится у вас или нет – не возможно. Но с компьютерами которые способны вычислять такие комбинации все становится проще.

Естественно что для того чтобы повысить свои шансы, вам необходимо располагать мощным оборудованием. Но всегда есть те у кого больше. Это не значит что у вас нет шансов. Нет, они есть. Например на «молодых» криптовалютах: таких как peercoin, namecoin, zetacoin, ocoin, tekcoin и еще десятки других. Или в кооперации с пулом.

На этом пожалуй все о SHA-256 и мы переходим к следующему алгоритму.

Scrypt является вторым по популярности алгоритмом в мире криптовалют. Создавался этот алгоритм специально для того чтобы усложнить процесс добычи криптовалюты. Так как алгоритм SHA-256 очень быстро мигрировал с процессоров (CPU) на видеокарты (GPU) и на программируемые аппаратные устройства (FPGA) и в дальнейшем на специально заточенные под этот процесс микросхемы ASIC, ввиду того что такие вычисления выполняются на таких устройствах значительно быстрее.

И вот для этого был задуман алгоритм хэшинга Scrypt, который (по крайней мере в теории) усложнить аппаратные реализации путем простого увеличения аппаратной мощности требуемой для процесса вычисления.

В принципе Scrypt-манинг мало чем отличается от привычного биткоин-майнинга (SHA-256):

На вход подается блок данных, к нему применяется хэш-функция, на выходе мы пытаемся получить «красивый хэш». Вот только сама хэш-функция гораздо сложнее в вычислении. Данный алгоритм использует более значительное количество оперативной памяти (памяти с произвольным доступом), чем SHA-256. Память в Scrypt используется для хранения большого вектора псевдослучайных битовых последовательностей, генерируемых в самом начале алгоритма. После создания вектора его элементы запрашиваются в псевдослучайном порядке и комбинируются друг с другом для получения итогового ключа.
Так как алгоритм генерации вектора известен, в принципе возможна реализация scrypt, не требующая особенно много памяти, а высчитывающая каждый элемент в момент обращения. Однако вычисление элемента относительно сложно, и в процессе работы функции scrypt каждый элемент считывается много раз. В Scrypt заложен такой баланс между памятью и временем, что реализации, не использующие память, получаются слишком медленными.

Таким образом созданная искусственная сложность и требования к памяти приводят к тому, что специализированные устройства для майнинга стали сильно уступать CPU и GPU устройствам (хотя уже и это рубеж постепенно преодолевают). Т.е. в идеале добыча монет должна осуществляться исключительно на компьютерах. Если вы уже задумались о то какую конфигурацию собрать себе для майнинга – то не торопитесь. В сети вы найдете массу информации о том что ATI видеокарты превосходят Nvidia в плане практичности. Т.е. соотношение цена/килохэши лежит на стороне ATI видеокарт. Но так было еще год назад. Теперь ситуация стремительно меняется и по сути большой разницы нет. Хотя ATI лидирует так же по некоторым другим параметрам, но это тема для отдельного разговора.

Итак мы подводим итог. По сути и SHA-256 и Scrypt созданы для одной цели – путем перебора получить красивый хэш, удлинить тем самым блокчейн и таким образом получить за это вознаграждение. Но решают поставленную задачу каждый по разному. SHA-256 старается использовать по максимуму аппаратные возможности любого устройства которое для этого было создано – чем выше производительность, тем лучше результат. Ну а Scrypt требует большой объем памяти и как результат этого, производительность ОЗУ (оперативно запоминающего устройства) и видеокарт, которые установлены в компьютере/компьютерах.

Самые известные монетки которые добываются при помощи Scrypt алгоритма: Litecoin, dogecoin, digitalcoin, franco, bottlecaps и еще много других. Популярность таких монет сильно возрасла когда биткоин-манинг мигрировал на ASIC устройства и все те майнеры которые честно майнили валюту видеокартами остались не у дел, так как их оборудование не может конкурировать в следующих категориях как цена, энергозатраты, размеры, шум (т.е. в принципе во всем). Таким образом все кто вложился в оборудование и еще не успел его окупить перешли на Scrypt-майнинг.

Описанные алгоритмы заняли более 90% среди всех добываемых валют. Хотя есть и другие, но они на мой взгляд пока не заслуживают внимания. Так как каждую неделю очередной умник предлагает все более хитроумный алгоритм, так что за ними и не успеть. О самых интересных я буду рассказывать вам в следующих статьях.

Перевод

В один прекрасный момент мне захотелось прикинуть, насколько быстро можно майнить биткойны вручную. Оказалось, что для майнинга используется хеширование SHA-256, а оно достаточно простое и может быть вычислено даже без компьютера. Само собой, процесс очень небыстрый и совершенно непрактичный. Но, пройдя все шаги на бумажке, можно хорошо разобраться в деталях работы алгоритма.

Один криптографический раунд

Майнинг

Ключевая часть всей системы безопасности биткойна - майнинг. Основная идея заключается в том, что майнеры группируют биткойн-транзакции в один блок, который уже подвергают хэшированию неисчислимое число для нахождения очень редкого значения хэша, подпадающего под специальные условия. Когда такое значение находится, блок считается смайненным и попадает в цепочку блоков. Само по себе хэширование не несёт никакой полезной цели кроме увеличения сложности поиска правильного блока. Таким образом, это одна из гарантий того, что никто в одиночку с любым существующим набором ресурсов не сможет взять под контроль всю систему. Подробнее про майнинг можно почитать в моей прошлой статье .

Криптографическая функция хэширования на вход получает блок с данными, а выдаёт небольшой, но непредсказуемый, выход. Она спроектирована так, что не существует быстрого способа получить нужный выход, и вы должны продолжать перебор пока не найдёте подходящее значение. Биткойн использует SHA-256 в качестве такой функции. Причём для усиления стойкости SHA-256 применяется к блоку дважды и называется уже двойным SHA-256.

В биткойне критерием валидности хэша является достаточное число нулей в его начале. Найти такой хэш так же сложно, как, к примеру, найти номер машины или телефона, заканчивающийся на несколько нулей. Но, конечно, для хэша это экспоненциально сложнее. На текущий момент, правильный хэш должен содержать примерно 17 стартовых нулей, чему удовлетворяет только 1 из 1.4x10 20 . Если провести аналогию, то найти такое значение сложнее, чем обнаружить конкретную частичку среди всего песка на Земле .

Синие блоки нелинейно перемешивают биты для усложнения криптографического анализа. Причём для еще большей надежности используются разные функции перемешивания (если вы сможете найти математическую лазейку для быстрого генерирования валидных хэшей, то возьмёте под контроль весь процесс майнинга биткойнов).

Функция большинства (Ma блок) побитово работает со словами A, B и C. Для каждой битовой позиции она возвращает 0, если большинство входных битов в этой позиции - нули, иначе вернёт 1.

Блок Σ0 циклически сдвигает A на 2 бита, затем исходное слово A циклически сдвигается на 13 бит, и, аналогично, на 22 бита. Получившиеся три сдвинутые версии A побитово складываются по модулю 2 (обычный xor, (A ror 2) xor (A ror 13) xor (A ror 22) ).

Ch реализует функцию выбора. На каждой битовой позиции проверяется бит из E, если он равен единице, то на выход идёт бит из F с этой позиции, иначе бит из G. Таким образом, биты из F и G перемешиваются, исходя из значения E.

Σ1 по структуре аналогичен Σ0, но работает со словом E, а соответствующие сдвиговые константы - 6, 11 и 25.

Красные блоки выполняют 32-битное сложение, формируя новые значения для выходных слов A и E. Значение W t генерируется на основе входных данных (это происходит в том участке алгоритма, который получает и обрабатывает хэшируемые данные. Он вне нашего рассмотрения). K t - своя константа для каждого раунда.

На схеме сверху заметно, что только A и E меняются за один криптографический раунд. Остальные слова не меняются, но сдвигаются на выходе - старое A превращается в выходное B, старое B - в новое C, и так далее. Хотя отдельный раунд алгоритма не сильно изменяет данные, но после 64 раундов, входная информация будет полностью зашифрованной.

Майним вручную

На видео я показываю как можно пройти все описанные шаги с помощью ручки и бумаги. Я выполнил первый раунд хэширования для майнинга блока. Заняло это у меня 16 минут, 45 секунд.

Немного поясню что происходит: я записал слова от A до H в шестнадцатеричной форме, и под каждым сделал перевод в двоичный вид. Результат выполнения блока Ma находится под словом C, а значения A после сдвигов и сам выход Σ0 располагаются над строкой с A. Функция выбора появляется под G, и, наконец, соответствующие сдвинутые версии E и значение после блока Σ1 идут над строкой с E. В нижнем правом углу произвёл сложение, результат которого участвует в вычислении и нового A, и нового E (первые три красных блока суммирования). Справа сверху я рассчитал новое значение A, а посерёдке располагается уже расчет нового значения E. Все эти шаги обсуждались выше и легко могут быть отслежены на схеме.

Кроме того раунда, что показан в видео, я провёл еще один - последний 64-ый хэшируюший раунд для конкретного биткойн-блока. На фотографии значение хэша выделено желтым. Количество нулей подтверждает, что это валидный биткойн-хэш. Заметьте, что нули располагаются в конце хэша, а не в начале, как я писал ранее. Причина заключается в том, что биткойн, просто-напросто, переворачивает байты полученные SHA-256.

Последний раунд SHA-256, в результате которого виден успешно смайненный биткойн-блок

Что всё это значит для проектирования «железных» майнеров?

Каждый шаг в SHA-256 очень просто выглядит в цифровой логике - простые битовые операции и 32-битные суммирования (если вы когда-либо изучали схемотехнику, то, скорее всего, уже представили себе как это может выглядеть в железе). Поэтому ASIC-микросхемы реализуют SHA-256 очень эффективно, размещая параллельно сотни блоков исполнения SHA-256 раундов. Фотография ниже показывает микросхему для майнинга, которая может вычислять 2-3 миллиарда хэшей в секунду. На Zeptobars можно поглядеть больше фото.

Снимок кремниевого кристалла ASIC-микросхемы Bitfury, которая может майнить биткойны со скоростью в 2-3 гигахэшей в секунду. Картинка с Zeptobars . (CC BY 3.0)

В противоположность биткойну, Litecoin, Dogecoin и другие похожие альтернативные -coin системы используют алгоритм хэширования scrypt , в котором изначально заложена сложность реализации в железе. Этот алгоритм во время выполнения хранит в памяти 1024 разных значений хэша, а уже на выходе комбинирует их для получения конечного результата. Поэтому требуется куда больше памяти и схематики для вычисления scrypt-хэшей по сравнению с SHA-256-хэшами. Влияние изменения алгоритма хэширования наглядно видно при сравнении соответствующего аппаратного обеспечения для майнинга - версии под scrypt (Litecoin и прочие) в тысячи раз медленнее, чем версии под SHA-256 (биткойн).

Заключение

SHA-256 неожиданно оказался настолько простым, что может быть вычислен даже вручную (алгоритм на эллиптических кривых, который используется для подписи биткойн-транзакции, был бы куда более мучительным, так как содержит кучу перемножений 32-байтных чисел). Расчет одного раунда SHA-256 занял у меня 16 минут, 45 секунд. С такой производительностью хэширование всего биткойн-блока (128 раундов ) займёт 1,49 суток, то есть получаем скорость хэширования в 0,67 хэшей в день (на самом деле, конечно же, с практикой процесс бы ускорился). Для сравнения, текущее поколение биткойн-майнеров производит несколько терахэшей в секунду, что примерно в квинтиллион раз быстрее меня. Думаю, очевидно, что ручной майнинг биткойнов не очень практичен.

Читатель с reddit"a спросил о моих затратах энергии. Так как я не прилагаю каких-то серьезных физических усилий, то можно предположить что скорость метаболизма будет 1500 килокалорий в день, тогда получаем, что ручное хэширование требует почти 10 мегаджоулей за хэш. Типичное потребление энергии для железного майнера - 1000 магехэшей за джоуль. Таким образом, я менее энергоэффективен чем специализированная железка в 10^16 раз (10 квадриллионов). Другой вопрос в стоимости энергии. Дешевым источником питания являются пончики по 23 цента за 200 килокалорий. Электроэнергия у меня стоит 15 центов за киловатт-час, что дешевле пончиков в 6.7 раз. В итоге, стоимость энергии в пересчете на хэш для меня, как человека-майнера, в 67 квадриллионов раз выше. Да-а-а, понятно, что я не ухвачу удачу за хвост ручным майнингом биткойнов, и это еще не учитывая стоимость бумаги и ручек!

HF17TOPBTC3

Алгоритм майнинга – это способ добычи криптовалют – биткоинов, лайткоинов и других. Сегодня существует и активно применяется большое количество разных методик.

SHA-256 – традиционный способ

SHA-256 – это классический алгоритм заработка Bitcoin, а также большинства его клонов. Он является хэш-функцией, позволяющей превращать даже крупный объем информации в значение с фиксированным количеством символов. Значение является подписью исходных данных.

Майнинг по этому методу осуществляется за счет мощности специального, центрального или графического процессора. При использовании ПО для добычи криптовалюты, программа отображает преобразовательные процессы, к примеру значение «Accepted 0aef41a3b». Набор цифр и букв – это подпись набора данных, способного включать в себя тысячи и даже миллионы строк.

Чтобы получить подходящую запись приходится перебирать огромное количество вариантов, что усложняет процедуру производства монет и делает ее более продолжительной по времени. При работе нужно получить не просто запись, а определенный хэш, имеющий в начале некоторое количество нулей, число которых определяется заданной сложностью.

Для майнинга по SHA-256 алгоритму требуется максимально мощное оборудование. Чем большей мощностью будет обладать используемое устройство, тем выше будет шанс подбора подходящей записи, которая принесет «шахтеру» заветные Bitcoin.
Именно постоянно увеличиваемые мощности используемого оборудования стали причиной, по которой с помощью обычного компьютера на заработок уже рассчитывать не приходится. Существуют мощнейшие фермы, стоимостью по несколько миллионов долларов, конкурировать с которыми попросту невозможно.

Чтобы повысить свои шансы на составление удачного блока при работе по методике SHA используют специальные ASIC-майнеры. Это специализированные устройства, которые применяются исключительно для хэширования, они обладают намного большей производительностью, чем обычные домашние или игровые компьютеры.

Еще больше шанс успешной добычи вырастает, при объединении большого количества ASIC-устройств в пулы, которые совместно перебирают комбинации, а при нахождении успешного блока, полученные биткоины делят между всеми участниками по мере сделанного ими вклада. Описываемый метод подходит не только для производства Bitcoin, но также для Peercoin, Tekcoin и т. д.

Методика Scrypt – особенности и достоинства

Еще один очень популярный метод майнинга – Scrypt. Его стали активно использовать из-за того, что простота шифра SHA-256 позволила создавать специализированное оборудование, намного более успешно выполняющее необходимые вычисления и операции, нежели CPU. Именно из-за этого сначала стали применяться для хэширования не процессоры компьютеров, а видеокарты, а еще позже АСИКи.

Scrypt усложняет процесс майнинга монет из-за увеличенной нагрузки на оперативку компьютера. По своей сути Scrypt мало чем отличается от SHA-256, он также предполагает обработку информации и ее хэширование, для которого требуются вычисления высокой сложности. Для создания блоков требуется много оперативки. Память хранит вектор битовых последовательностей, которые создаются в начале работы. Когда вектор создан начинается генерация его компонентов, что в конечном итоге приводит к созданию ключа.

Метод создания вектора известен, а потому возможна реализация технологии Scrypt с минимальными затратами памяти, если каждый элемент будет высчитываться в момент обращения. Создатели заложили в систему баланс между временем выполняемых процедур и затрачиваемой оперативкой устройства, то есть процессы, не использующие память, будут занимать очень много времени.

Это искусственное усложнение необходимо, чтобы применение специального оборудования не было слишком эффективным, чтобы с ним могли конкурировать обычные домашние компьютеры с достаточным объемом памяти.

Для повышения эффективности майнинга необходимо использовать мощные видеокарты, желательно от компании ATI. Из-за архитектурных различий, такое оборудование дает лучшие результаты работы, чем GPU карточки от фирмы Nvidia.

В целом, и SHA-256, и Scrypt работают за счет перебора огромного количества хэша для получения подходящего блока, который подойдет для создания блокчейна, а владелец устройства, нашедшего подходящую комбинацию, получит полагающееся ему вознаграждение.

Методики просто предполагают различные варианты решения поставленной задачи. Для SHA-256 важнее всего технические характеристики используемого оборудования, его производительность. Для Scrypt важнее объем памяти ОЗУ и производительность видеокарты.

Существует большое количество альткоинов, добываемых на алгоритме Scrypt. Наиболее популярный и известный – Litecoin, хотя существуют и другие. Популярность метода стала стремительно расти после того, как добыча биткоинов полностью перешла на ASIC-устройства, которым обычные персональные компьютеры не могли создать сколько-нибудь существенной конкуренции.

Другие популярные методы и системы

Scrypt-Jane – еще один популярный алгоритм, главной особенностью которого является одновременная поддержка трех систем криптографии. Scrypt-Jane имеет уникальное средство изменения сложности решаемых проблем. Система использует числовой фактор N. Он определяет объем памяти, требующийся для решения задач. Со временем исходное значение N будет увеличиваться, чаще всего увеличение происходит после нахождения определенного числа записей. При очередном увеличении значения N эффективность майнинга снижается так как для поиска нового блока понадобится больше памяти.

Scrypt-Jane изначально использовали для добычи Yacoin, но интерес к этой валюте был не очень долгим. Затем появились монеты Copperbars, Tix и т. д., но они пока не сумели даже приблизиться к популярности и стоимости биткоинов.

Еще один популярный метод – Ethash или Dagger-Hashimoto . Он используется для получения монет системы Ethereum, Ubiq, Ethereum Classic, Expanse и т.д. Этот алгоритм предполагает использование специального DAG-файла, который представляет собой блок данных размер которого изначально составлял 1 Гб. Файл используется для нахождения новой записи и получения вознаграждения. Во время добычи этот файл загружается в графическую память.

С течением времени, через каждые 30 тысяч найденных блоков, DAG растет. Увеличение файла называется сменой эпох. Каждую новую эпоху файл растет на 8 Мб. Время обнаружения нового блока у разных криптовалют отличается: для Ethereum – 30 секунд, для Ethereum Classic – 90 секунд, для Expanse – 15 секунд.

Для расчета используется видеокарта и к ней предъявляются основные требования при вычислениях. В настоящее время размер DAG составляет 2,15 Гб, что делает невозможным производство валюты с помощью карт, объем памяти которых составляет только 2 Гб. Сейчас для расчетов требуется более мощное и современное оборудование.

Для добычи криптовалюты Dash, известной также как Darkcoin и XCoin используют алгоритм x11 . Он использует 11 раундов хэширования за счет использования разных функций. Это делает методику одной из самых защищенных в мире. В отличие от SHA256 для взлома придется найти уязвимости во всех 11 функциях одновременно, если же будет взломана только 1 функция, разработчики успеют заменить ненадежный хэш.

Алгоритм создавался не только с целью повысить надежность и защиту от взлома, но еще и защитить майнинг от использования ASIC. По принципам работы X-11 мало чем отличается от описанных выше методик. Однако выгодно отличается от них безопасностью, анонимностью, а также существенно меньшим нагревом оборудования. По сравнению со Skrypt для использования X11 требуется на 30, а иногда и на все 50% меньше ресурсов на охлаждение используемого оборудования.

Описанные алгоритмы не очень сильно отличаются друг от друга, однако между ними часто приходится выбирать. Делать свой выбор необходимо с учетом имеющихся у вас возможностей. Для добычи биткоинов подходит SHA, но с ее помощью вряд ли удастся хоть сколько-нибудь заработать, если изначально не вложить несколько тысяч долларов в ASIC и даже с ним сегодня на хорошие результаты работы можно рассчитывать, только если присоединиться к существующему пулу.

Scrypt – менее требовательная методика, но и она очень популярна, а потому уровень конкуренции в работе с Лайткоинами не намного ниже, чем в сфере биткоинов, однако здесь с достаточно мощным компьютером и, войдя в хороший пул, можно надеяться на заработок, отличный от нулевого.