Продолжим изучение протоколов. Ведь все надо изучать, как сами понимаете… Тем более, что сами биткоины удивительно напоминают офшорные трансакции, которые типа «совершенно законны», да только все ж понимают, какая это подлость.

К тому же и биткоины вводятся под теми же предлогами, под которыми когда-то объяснялось преимущество офшоров, просто многие об этом запамятовали, а напомнить и недолго.

Отправка средств в офшоры тоже подавалась спекуляциями на наших наболевших проблемах. В руководстве у нас сплошные «Незнайки на Луне», рубль к доллару привязали нарочно, чтобы деньги с продажи нефти и других природных ресурсов было легче тырить, ввели субсидиарную политику, чтоб ни за что не отвечать, а делать вид, будто оказывают «государственные услуги». А главное, сами орут как потерпевшие при дефолте Кипра, бесстыдно проговариваясь, что спустили туда и бюджетные средства…

Как тут… не задуматься над протоколами? Детей ведь тоже кормить надо, не одно полоротое ворье, которое не только не скажет «спасибо», но непрменно в душу нагадит?

Доказательство проведённой работы

Вспомним, что в Биткоин используются криптографические хэш-функции, конкретно – SHA-256 (но не она одна). Особенностью крипотграфически стойких хэш-функций является то, что для них чрезвычайно сложно вычислить прообраз – то есть, найти такие входные данные, значение хэш-функции от которых будет равно данному: для современных хэш-функций такая задача на практике неразрешима (пока что). При этом выполнение прямой операции – найти значение хэша для заданных входных данных – не представляет трудностей. Биткоин использует следующий трюк: для включения блока в blockchain нужно найти связанное с ним значение хеша (SHA-256), меньшее заданного порога. В реальности вычисляется хэш от заголовка блока, но эти детали можно опустить. Результатом SHA-256 является 256-битное число, например в шестнадцатеричной форме, c21f3ac6b5f… Задача может быть сформулирована так: подобрать входные данные таким образом, чтобы хэш начинался с трёх нулей: 000аcbe7… Предположим, что у нас есть неизменная строка “bitcoin”, и мы можем приписывать к ней цифры (“bitcoin123”). Тогда для решения нашей задачи нужно перебирать различные варианты цифр до тех пор, пока значение хэш-функции от полученной строки не будет начинаться с трёх нулей. Так как обратное преобразование для хэш-функции практически не реализуемо, решение потребует именно перебора входных строк, с вычислением хэша для каждой из них. Это и есть вычислительная работа. Если несколько упростить ситуацию, то можно сказать, что в случае с блоком blockchain фиксированную часть формируют транзакции, включаемые в блок, хэш предыдущего блока и несколько служебных параметров, а переменную – специальное поле в заголовке. (Естественно, вычислитель волен модифицировать и любые другие доступные параметры блока, если при этом блок остаётся в рамках протокола.)

Узлы должны быть как-то мотивированы, чтобы тратить электричество на вычисление блоков. В сети Биткоин такой мотивацией служит то, что каждый новый блок содержит специальную транзакцию, начисляющую некоторое число биткоинов на произвольный адрес (в произвольный кошелёк), то есть вычисливший блок может забрать себе премию. Сейчас базовая сумма – 25 биткоинов (но это число будет уменьшаться). Кроме того, в премиумную транзакцию входят все вознаграждения (комиссии) за проведение транзакций: в системе существует механизм добровольного начисления части биткоинов, переводимых в рамках транзакции, тому, кто такую транзакцию включит в блок, вошедший в blockchain (это своего рода сбор – комиссия, стимулирующая оперативную обработку транзакции).

Биткоин в рублях на сегодня:

 1 bitcoin (BTC) равняется 39 484.47 российский рубль (RUB)
1 российский рубль (RUB) равняется 0.000025 биткоинов (BTC)

Упомянутый порог, задающий критерии поиска хэша, определяет сложность вычислений, то есть то, сколько вариантов заголовка блока нужно будет перебрать, чтобы блок мог быть включен в главную книгу, в blockchain. Отмечу, что тут не идёт речи о решении некоторой “головоломки”, как об этом часто пишут. Используется простой перебор. Из-за математических свойств хэш-функции, процесс имеет все черты лотерии: теоретически, можно угадать нужный хэш с первой попытки, ну, или со второй; вероятность угадать растёт с ростом числа попыток. Чем больше попыток делается в единицу времени, тем больше шансов “выиграть” блок на заданном промежутке времени. Число попыток определяется доступной вычислительной мощностью, скоростью перебора хэшей. Поэтому для максимизации прибыли максимизируют именно вычислительную мощность.

Здесь мы подошли к первому расхожему мифу, связанному с биткоинами – он гласит, что “биткоины вычисляют на компьютере”. Биткоины не вычисляют, вычисляют хэши блоков, но новые биткоины появляются в системе вместе с каждым новым блоком, строго определёнными порциями. Согласно протоколу, число новых биткоинов будет уменьшаться с ростом количества блоков и однажды станет равным нулю. С этого момента, – а наступит он нескоро: примерно в 2140 году, если биткоины ещё сохранят хождение, – премия за вычисление блока будет формироваться исключительно за счёт сборов с транзакций. Неподалёку от первого мифа находится миф второй: каждый следующий биткоин вычислять всё сложнее, поэтому на вычисление последнего биткоина потребуются все ресурсы мира (или даже вселенной). Это не так: биткоины вводятся в оборот в заданных протоколом объёмах. Сеть подстраивает свою работу таким образом, чтобы вычислять определённое количество блоков за заданный интервал времени, поэтому биткоины будут поступать, вплоть до последнего, по расписанию, вне зависимости от того, насколько сложно вычислить очередной блок.

А сложность вычисления блоков действительно изменяется. Дело в том, что число узлов, вычисляющих блоки за биткоины – так называемых “майнеров” (от англ. mining – добыча), сейчас постоянно растёт. В погоне за прибылью растёт и вычислительная мощность каждого узла. Таким образом, если бы сложность не ограничивалась, то блоки сейчас вычислялись бы с огромной скоростью, что не предусмотрено протоколом. Для поддержания скорости поступления блоков на более или менее стабильном уровне (целевым значением служит 2016 блоков за 14 суток) и регулируется сложность: то есть, пороговое значение хэш-функции сдвигается, обычно в сторону увеличения сложности (увеличения количества начальных нулей). Так компенсируется возросшая мощность сети.

Так как ключевое значение имеет последовательность блоков, то каждый следующий блок содержит хэш предыдущего блока, выстраивается цепочка. Для того, чтобы заменить какой-то из блоков, сохранив целостность blockchain, потребуется заново вычислить все последующие блоки. Это важный момент, защищающий систему от ряда атак. В процессе генерации blockchain может ветвиться. Например, такое ветвление происходит, если два “узла-майнера” практически одновременно вычислили очередной блок. Согласно протоколу, “узлы-майнеры” должны добавлять свои блоки в ту ветку, которая имеет большую суммарную сложность (в большинстве случаев этому соответствует большее число блоков в ветви). Из двух одинаковых блоков узлы могут выбрать какой-то один и продолжить строить blockchain от него, обозначив главную ветку. Таким образом “ответвления” достаточно оперативно удаляются из цепочки, а потраченные на их вычисление ресурсы теряются. Транзакции, не попавшие в основную ветвь, должны быть обработаны заново, в составе нового блока. Одним из эффектов подобной особенности протокола является то, что с уверенностью о подтверждении транзакции можно сказать лишь после того, как соответствующий ей блок опустился в цепочке на достаточную глубину (например, в пять-шесть блоков). Транзакции, попавшие в самый верхний блок, могут быть быстро отменены с весьма заметной вероятностью. Так как скорость добавления новых блоков строго ограничена, гарантированное проведение транзакции в биткоинах всегда будет занимать заметное время (до часа и даже более).

Ветвление blockchain.

Итак, основу сети Биткоин составляет общая главная книга, которая называется blockchain. Здесь, в результате вычислительной работы большого количества “узлов-майнеров”, записываются все транзакции, для которых указываются суммы, перечисленные с одного биткоин-адреса на другой. Баланс каждого биткоин-адреса может быть вычислен при помощи подсчёта транзакций в blockchain, а для вывода средств с того или иного адреса требуется знать соответствующий секретный ключ.

Из этого всего безусловно понятно одно — предполагается фиксированная, точнее плановая эмиссия. Причем, судя по всему, с обратной связью. А это ключевой момент во всем управлении.

Вот, скажем, понадобится неким гражданам в высшей иерархии государственного управления (не будем показывать пальцем), аккурат перед выборами подкрутить рейтинг, ВВП и вообще зарплаты с пенсиями раздать. И придет в их не отягощенную техническим образованием юридическую голову мысль — этих самых денег дополнительно напечатать эмитировать, ну… сколько требуется прямо сейчас для «убедительной победы».

А тут рраз…  нашлепал больше 2016 блоков за две недели? — вот тебе песочку в шестеренки типографского станка, чтоб очень не шустрил. Для биткоинов, пожалуй, точнее будет аналогия: каждая третья банка с краской заменяется на банку с водой. Вроде и работал, электричество жег, а на выходе одна «программа повышения эффективности … и импортозамещения». Говоря по-русски, пшик.

Биткоины и blockchain

Blockchain ведётся от изначального блока. Это так называемый Genesis Block с особыми свойствами. Первые биткоины были введены в систему разработчиком протокола Сатоси Накомото, при помощи первой программы-клиента. Собственно, деятельность сети Биткоин началась с того момента, как появилась первая программа-клиент, а не с момента разработки протокола. Это логично, так как для использования биткоинов требуется хотя бы несколько узлов.

На настоящий момент blockchain включает более 276 тыс. блоков. Технически blockchain может быть представлен в виде файла, размер которого по нынешним меркам не так уж велик – около 12 Gb. Отмечу, что для проверки конкретных транзакций не обязательно обрабатывать все “исторические” транзакции в blockchain: протокол позволяет провести ряд оптимизаций, поэтому транзакции успешно обрабатываются сотнями.

12 гигабайт это ведь сущие пустяки, особенно если сравнивать с тем, что нам всем бесстыжая Яровая начирикала в Думе. Сколько это, бишь, получается… у меня вышло 35 миллисекунд общероссийского трафика. Чуть меньше, чем ничего. Если не прав, можете пересчитать сами.

С другой стороны, мне, как практикующему домашнему бухгалтеру-самоучке, все эти блоки уже порядком надоели. Есть ведь устоявшаяся терминология, непременно нужно придумывать новые понятия. В общем, залез я на первый попавшийся сайт, оказавшийся люксембуржским (признавайтесь, вы ведь тоже обожаете этот уютный отстойничек выведенных из России денег?), и вот что оттуда выудил:

Глядя на первую строчку «Количество транзакций» остается предполагать, что блок это как пару листочков из главной книги. На этих вот листочках судя по всему записано 2384 проводки. Причем число не фиксированное — сколько желающих к моменту вычисления блока возникло, столько в него и вписалось. Вроде бы так.

“Майнинг” и пулы

“Майнинг” – это вычисление новых блоков, включающих транзакции в blockchain. Как мы уже разобрались, результатом такого включения является начисление на связанный с новым блоком биткоин-адрес некоторой суммы биткоинов, в результате специальной транзакции. Сейчас эти транзакции вводят новые биткоины в систему (в отдалённом будущем появление новых биткоинов прекратится). Таким образом, участие в добыче (“майнинге”) биткоинов позволяет получать некоторый доход, выражающийся в этих же самых биткоинах. Без “майнеров” сеть не сможет работать.

В качестве средства добычи может быть использовано практически любое электронное вычислительное устройство, в том числе такие экзотические варианты, как домашние WiFi-роутеры. Однако на какой-то заметный доход сейчас нельзя рассчитывать, даже если для “майнинга” используется современный персональный компьютер с мощной игровой видеокартой. Использование для вычислений видеокарт было первой аппаратной оптимизацией, существенно увеличившей возможности “майнеров”. Но так как следом за ростом мощности сети увеличивается сложность вычислений, в настоящий момент вероятность вычисления блока “компьютером с видеокартой” исчезающе мала, при этом непрерывно работающий компьютер потребляет электричество, которое стоит денег.

Очевидно, что на ввод новых биткоинов в оборот тратится электричество, но это же электричество требуется для того, чтобы сеть работала, так как процесс ввода биткоинов пока неотделим от обработки транзакций. Поэтому неверно оценивать стоимость всех биткоинов, находящихся в обороте, через затраты на электричество, которое потребовалось для их создания, и вообще как-то сранивать “ценность” данной виртуальной валюты со стоимостью киловатт-часов. Например, если бы не произошло взрывообразного роста вычислительной мощности сети в погоне за добычей биткоинов, то транзакции могли бы сейчас обсчитываться сотней маломощных настольных компьютеров, причём на скорость появления новых блоков это никак бы не повлияло.

Тем не менее, идущая сейчас гонка производительности “майнеров” закономерно движется в направлении снижения потребляемой электрической мощности в рассчёте на вычисление одного хэша. Самые современные высокопроизводительные устройства добычи биткоинов – это специализированные вычислители, построенные на особых, заказных чипах (ASIC – Application-specific integrated circuit), сконструированных именно для вычисления хэшей заголовков блоков blockchain. Такой майнер содержит набор микросхем, работающих параллельно, и позволяет перебирать хэши со скоростью, не сравнимой с другими решениями. Заявлены “майнеры” с производительностью в несколько “терахэшей” (10¹² вычислений значения хэша блока) в секунду. Объявленная стоимость таких устройств – несколько тысяч долларов. Потребляемая мощность (опять же, заявленная производителями) – один-два киловатта. Ни для каких задач, кроме вычисления блоков, такой вычислитель не годится. Поэтому, в частности, неверно сравнивать мощность сети Биткоин с мощностью мировых суперкомпьютеров – последние являются достаточно универсальным устройствами, в отличие от Биткоин, где решается одна узкоспециальная проблема.

С этим аспектом связан ещё один миф о биткоинах: якобы, сеть обладает огромной “криптографической мощностью” и может решать какие-то задачи из области криптоанализа. В реальности сеть Биткоин вычисляет лишь значения SHA-256. Причём, для “вложенной” функции: SHA-256(SHA-256(M)), где M – заголовок блока. Заголовок блока имеет фиксированную структуру, поэтому нет возможности даже перебирать заданные тексты, сколь-нибудь отличающиеся от этой структуры. Более того, в сети нет центрального распределения задач, каждый считает, что хочет, а это делает невозможным координацию использования мощностей.

Впрочем, в сети существуют крупные объединения узлов, имеющие некое центральное управление и занимающиеся коллективным “майнингом” – так называемые “майнинг-пулы”. Пулы объединяют мощности участников для вычисления одного блока, с тем, чтобы поделить полученную премию по той или иной схеме. Кроме того, обычно, часть премии уходит пулу. Такая стратегия позволяет обеспечить регулярное поступление небольших сумм в биткоинах на счета участников пула. При этом ожидаемый доход для каждого участника не увеличивается по сравнению с “одиночной добычей”, но оказывается размыт по времени, и мелкие начисления можно начать получать в обозримом будущем. Вовсе не факт, что эти начисления покроют затраты на электричество, которое требуется для работы компьютера, выделенного под эту задачу. Известны пулы, сконцентрировавшие заметную часть мощности всей сети под своим управлением – им принадлежат единицы и десятки процентов от всей мощности. Тенденция по концентрации вычислительных ресурсов отмечается давно и, в целом, несёт в себе некоторую угрозу, о которой – чуть позже.

Существует развитая субкультура по размещению задач “майнинга” на мощностях, которые либо простаивают, либо за них платит кто-то другой, а не разместивший задачу. Возможны варианты с использованием ботнета, в который входят заражённые специальным зловредом пользовательские компьютеры, оснащённые игровыми видеокартами. Зловред использует видеокарту тогда, когда ничего не подозревающий владелец компьютера не играет. Скрипты добычи внедряются на взломанные сервера, доступные в Интернете, и решают блоки на их мощностях, иногда отъедая существенную часть ресурсов процессора.

Легальные варианты изобретательной добычи биткоинов включают размещение специального скрипта на веб-страницах (вычисления проводят браузеры посетителей сайта) или встраивание добывающего кода в приложения для мобильных устройств – и первый, и второй случай, формально, представляют собой способы получения вознаграждения за предоставляемый пользователям контент. Впрочем, вряд ли какой-то из этих экзотических способов приносит заметное количество новых биткоинов.

Ключевой аспект “майнинга” биткоинов состоит в том, что введение в сеть новых мощностей неминуемо приводит к тому, что увеличивается сложность вычислений, и эта сложность увеличивается для всех “майнеров”. То есть, если сто участников, решив инвестировать средства, купили сотню сверхпроизводительных “майнеров”, то через некоторое время после запуска этих майнеров сложность будет повышена и майнеры перестанут приносить тот доход, который они приносили бы при предыдущем показателе сложности. Тут нетрудно увидеть признаки “пирамиды”, особенно если вспомнить, что число биткоинов, вводимых в единицу времени, ограничено, а число “узлов-майнеров”- увеличивается. С чисто экономической точки зрения ситуацию несколько улучшает тот факт, что часть дохода майнеров составляют не вновь вводимые биткоины, а плата за проведение транзакций. Однако эта плата может быть начислена только в результате вычисления блока, да и объём её очень мал.

Вот тут уже сплошной лохотрон и скрещивание ужика с ежиком, то бишь попытка натянуть плановую эмиссию на рыночную экономику. Все хором бросаются «майнить», закупаются вообще говоря бесполезной техникой.

А в итоге всего лишь по обратной связи вырастает сложность вычислений. То есть все усилия фактически приводят не к тому, что ты начинаешь зарабатывать больше, нет, просто остальные начинают зарабатывать меньше. Такой вот выверт.

Анонимность биткоинов

Как я писал ранее, сеть Биткоин не гарантирует анонимности пользователям. Все транзакции по всем биткоин-адресам открыты для публичного просмотра. Поэтому утверждение о том, что платежи в биткоинах анонимны – это ещё один миф. Анонимны платежи наличными деньгами, но не биткоинами. Сеть Биткоин стремится к сохранению приватности пользователей, то есть в протоколе не заложены специальные механизмы идентификации личности в момент предоставления доступа к счетам. Не более того. Гарантии анонимности здесь нет.

Транзакции в сети никак не шифруются. Поэтому дополнительную информацию о том, кто и какие платежи проводит, какими адресами пользуется, можно получить путём анализа интернет-трафика. Если проводить анализ на большой выборке, параллельно наблюдая и активность по другим протоколам, то можно сопоставить заданный биткоин-адрес с конкретным интернет-пользователем даже в том случае, если для осуществления транзакций он использует средства анонимизации, независимые от сети Биткоин. Строгая анонимность – это одно из свойств, ожидаемых от настоящей “криптовалюты”. Биткоины таким свойством не обладают.

Обычное поведение для всяких штучек из интернета, там ведь тоже информация об отправителе-получателе не особо спрятана, но и не то, чтобы совсем открытая. Последнее время, правда, усилились тенденции к всеобщему шифрованию, прям удивительно синхронно с Яровой. Той вдруг срочно понадобилось гражданам в трусы трафик залезть, а все крупные компании бросились ей препятствовать. Интересное совпадение (?).

Вы, если откроете сайт с биткоинами, там сбоку зеленым засветится, вроде такого или аналогичного:

Так вот такая штука означает, что данный от вашего компьютера к сайту и обратно шифруются, то есть подслушать такие данные сложнее (конечно, это если нет специально обученной Яровой).

Биткоины и сильный игрок

В одной из предыдущих записок по теме дана весьма приблизительная оценка затрат на захват сети Биткоин. Считается, что полностью децентрализованная сеть не может быть взята под контроль. Однако протокол Биткоин основан на допущении, что большая часть вычислительной мощности принадлежит добросовестным участникам, которые не пытаются манипулировать сетью. Это ключевой момент.

Мы разобрались, что новые транзакции признаются системой после того, как они будут включены в blockchain (напомню: это главная книга). Если некоторый сильный игрок, обладающий большой вычислительной мощностью, сможет вычислять новые блоки гарантированно быстрее всех других участников вместе взятых, то содержимое blockchain окажется в его распоряжении. Такой “захватчик” не сможет выводить средства с произвольных кошельков, так как это потребовало бы знания соответствующих секретных ключей, но он может установить свои правила работы системы: например, принимать к обработке только определённые адреса, ввести обязательную пошлину за проведение транзакции и так далее. Так как новые биткоины появляются в системе только через вычисление блоков, то игрок, контролирующий blockchain, оказывается в позиции центрального эмитента биткоинов. Да, он не может ограничить скорость появления новых биткоинов, но он сможет концентрировать их на своих счетах, что экономически эквивалентно.

Интересно, что держатель большей части мощности сети не может просто остановить вычисление блоков на своих мощностях: в таком случае он потеряет всякий контроль над сетью. Сложность через некоторое время автоматически снизится, а оставшиеся “узлы-майнеры” продолжат наполнять blockchain транзакциями. Однако, можно поставить цель не контролировать сеть, а помешать её работе. Тогда сильный игрок может, например, намеренно вызывать ветвление blockchain, включая в свои блоки минимум транзакций и придерживая вычисленные блоки до определённого момента “в рукаве”. Тем самым, вычислительная работа добросовестных участников сети будет сводиться на нет, а проведение платежей катастрофически замедлится. Возможны и другие варианты атак.

Сильным игроком в рамках протокола Биткоин оказывается тот, кто может очень быстро вычислять значения SHA-256. Вовсе не обязательно, чтобы этот игрок ещё и оптимизировал своё “потребление электричества”, максимизируя потенциальную прибыль – всё зависит от задач, которые перед ним стоят.

Сценарии развития

У сети есть разные варианты развития. Возможно, биткоины стабилизируются, курс их перестанет прыгать, и систему продолжат использовать для проведения расчётов. Стоит ли говорить, что такой сценарий развития не только подозрительно прозаичен, но и наименее вероятен?

Есть более захватывающие сценарии. Например, если вдруг выяснится, что сеть Биткоин уже захватила какая-то организация, часть сообщества может уйти “в другую ветку”, вплоть до того, что разветвят существующий сейчас blockchain. Последний вариант, впрочем, скорее всего приведёт к краху.

Сейчас есть большое количество клонов биткоинов, работающих на том же протоколе, но по слегка изменённым правилам. Нельзя исключать вариант, когда одна из этих цифровых валют тоже обретёт популярность. Среди потенциальных кандидатов на роль соперника биткоинов называют, например, litecoin – аналогичную систему, основанную на другой хэш-функции, которая менее пригодна для вычисления на быстрых “ASIC-майнерах”.

Гонка “майнеров” обязательно повлияет на будущее сети Биткоин. Возможно, что с быстрым ростом затрат, необходимых для того, чтобы майнинг приносил какой-то доход, мощности “майнеров” сами собой сосредоточатся в руках нескольких крупных провайдеров, которые смогут между собой сговориться. Вряд ли это приведёт к чему-то хорошему. При этом в протоколе нет механизмов, позволяющих как-то защитить сеть от негативных последствий гонки “майнеров”.

Протокол Биткоин не так хорошо исследован, как можно подумать. Но сейчас интерес к нему со стороны исследователей возрос. Вполне вероятно, что будет обнаружена какая-нибудь серьёзная уязвимость. Уже само сообщение об уязвимости обрушит курс биткоина, а попытка исправить сеть окончательно добъёт её.

Некоторое время назад люди, наделённые технократическим чувством юмора, запустили сайт directory.io, на котором “опубликовали” все секретные ключи сети Биткоин, со ссылками, ведущими на описания соответствующих биткоин-адресов. Так как многие пользователи не понимают принципов работы биткоинов, возникла нездоровная шумиха, а курс биткоина упал. Между тем, валидным секретным ключём в Биткоин является практически любое 256-битное число, поэтому разработчикам сайта ничего не мешает просто вычислять эти ключи влёт, небольшими порциями. Именно поэтому слово “опубликовали” пару предложений назад стоит в кавычках: перебрать на современном вычислительном оборудовании подряд все секретные ключи, а их около 2²⁵⁶, можно, но на это потребуется слишком много времени, настолько много, что даже сто миллиардов лет покажутся мгновением. Подумайте сами, если вы способны планировать свою деятельность на столь долгий срок, то зачем вам биткоины?

Все эти «захватывающие сценарии» отчетливо попахивают  Лубянкой. Разнести, развалить и изгадить, то, что уже есть, потом отряхнуть и совать всем под нос, как свое собственное.

Знакомый прием, верно? И пробуют этот самый биткоин на прочность вполне профессионально, специально обученные люди то бишь. Такое впечатление, что японцем созданна достаточно полезная конструкция.

Помните «патент на полезную модель»? Вот, вроде такого, может еще не совсем готовая к практическому применению, но достаточно близко. А вот в какую фигу ее хотят вывернуть любители всего захватывающего, это совсем другой вопрос.