Как работает майнинг Bitcoin?

Майнинг Bitcoin — это процесс, который добавляет новые блоки транзакций в блокчейн. Майнеры объединяют ожидающие транзакции, а затем соревнуются в поиске заголовка блока, хеш которого окажется ниже целевого значения, заданного сетью. Победитель получает вновь выпущенные BTC плюс комиссии в этом блоке, а каждый узел проверяет выполненную работу перед её принятием.

Что делает майнер с каждым блоком

Майнер запускает программу, которая отслеживает пул неподтверждённых транзакций, ожидающих в сети и часто называемый мемпулом. Из этого пула он выбирает транзакции, которые хочет включить, обычно начиная с тех, что платят наибольшую комиссию за единицу места в блоке. Наше руководство по комиссиям за транзакции в блокчейне объясняет, как устанавливается эта ставка комиссии.

Прежде чем добавить чужие транзакции, майнер создаёт свою. Эта первая запись называется координатной транзакцией (coinbase transaction), и с её помощью майнер платит сам себе: она создаёт новые BTC, разрешённые протоколом, и собирает комиссии со всех остальных транзакций блока. Остальная часть блока состоит из выбранных транзакций, упорядоченных так, чтобы один отпечаток, корень Меркла (Merkle root), обобщал все они.

На этом этапе у майнера есть блок-кандидат. Он корректен во всех отношениях, кроме одного: у него ещё нет доказательства работы.

Заголовок блока и гонка хеширования

Майнинг происходит на заголовке блока — сводке блока размером 80 байт. Заголовок содержит шесть полей:

Рисунок: Как блок переходит от ожидающих транзакций к цепочке.

Майнер дважды пропускает заголовок через хеш-функцию SHA-256 и смотрит на результат. Если число меньше целевого значения, блок решён. Если нет, майнер меняет nonce и пробует снова. Когда все примерно четыре миллиарда значений nonce исчерпаны, майнер меняет что-то ещё, например дополнительное поле внутри координатной транзакции. Это меняет корень Меркла и открывает новый диапазон попыток.

Каждый хеш фактически является лотерейным билетом. Никто не может предсказать, какой входные данные дадут достаточно низкий результат, поэтому единственная стратегия — пробовать быстрее всех остальных. Именно поэтому индустрия измеряет майнеров в хешах в секунду, о чём рассказывается в нашем руководстве по хешрейту Bitcoin.

Как сеть задаёт целевое значение

Если бы майнеры добавляли больше оборудования, а ничего другого не менялось, блоки появлялись бы всё быстрее и быстрее. Bitcoin предотвращает это, пересчитывая целевое значение каждые 2016 блоков, с расчётом на в среднем один блок каждые 10 минут. Когда блоки появлялись слишком быстро, целевое значение снижается, и задача становится сложнее. Когда блоки появлялись медленно, она становится проще.

Корректировка ограничена коэффициентом четыре в любую сторону за один период. Это не позволяет одному необычному отрезку времени слишком сильно раскачать систему. В нашем материале о сложности майнинга Bitcoin разобраны расчёты.

Сколько зарабатывают майнеры

Майнер, который решил блок, получает две вещи:

• Субсидию блока. Новые BTC, созданные протоколом. Изначально она составляла 50 BTC за блок в 2009 году и уменьшается вдвое каждые 210 000 блоков. Начиная с блока 840 000 от 20 апреля 2024 года она составляет 3,125 BTC. Наше руководство по халвингу Bitcoin описывает это расписание.
• Комиссии за транзакции. Всё, что заплатили транзакции блока за включение в него.

В большинстве случаев основную долю составляет субсидия, но комиссии могут удивить. В блоке 840 000, том самом, где субсидия снизилась до 3,125 BTC, также было около 37,6 BTC комиссий, примерно в 12 раз больше новой субсидии. Это был необычный блок. Тем не менее он напоминает, что доход майнеров зависит как от графика эмиссии, так и от спроса на место в блоке.

Новые монеты нельзя потратить сразу. Правила биткоина требуют, чтобы выход coinbase ожидал 100 блоков, прежде чем его можно будет перевести, — так блок, который позже выпадет из цепочки, не сможет оставить после себя потраченные монеты, которых никогда не существовало.

Почему другие узлы принимают или отклоняют блок

Нахождение корректного хеша не даёт майнеру последнее слово. Когда блок транслируется, каждый полный узел проверяет его самостоятельно: хеш должен быть ниже целевого значения, каждая транзакция должна быть корректной, ни одна монета не может быть потрачена дважды, а coinbase не может получить больше субсидии плюс комиссии. Блок, не прошедший любую из этих проверок, отклоняется независимо от того, сколько электроэнергии в него было вложено.

Иногда два майнера находят блок почти одновременно. Какое-то время в сети существуют две конкурирующие версии последнего блока. Узлы следуют за цепочкой с наибольшим накопленным объёмом работы, поэтому, как только следующий блок появляется на одной из сторон, другой блок становится устаревшим, и его награда пропадает. Это одна из причин, по которой биржи ждут несколько блоков, прежде чем зачислить депозит, как объясняется в нашем руководстве о том, почему важны подтверждения сети.

Почему большинство майнеров присоединяются к пулу

Соло-майнинг — это бизнес с высокой дисперсией. Майнер с крошечной долей хешрейта сети в среднем может находить блок раз в несколько лет, а на практике ждать и дольше. Майнинг-пулы решают проблему денежного потока. Участники направляют свои машины на общий шаблон блока, пул отслеживает вклад каждого участника через «шары» (хеши, которые были бы корректными при более лёгком целевом значении), а награды делятся пропорционально этим шарам за вычетом комиссии пула.

Пулы делают доход более стабильным, но они концентрируют решения о том, какие транзакции попадают в блоки. Небольшое число крупных пулов создаёт значительную долю всех блоков, поэтому распределение хешрейта между пулами внимательно отслеживают те, кто следит за состоянием сети.

Почему соло-майнинг редко имеет смысл: цифры

Рассмотрим одну современную машину, выдающую 200 TH/s, при хешрейте сети около 600 EH/s, примерно на уровне апреля 2024 года. (Иллюстративные цифры.) Машина обеспечивает примерно одну три-миллионную часть хешрейта сети. При примерно 144 найденных блоках в день она ожидала бы найти блок примерно раз в 20 800 дней, или примерно раз в 57 лет.

Ожидаемый доход одинаков, работает ли майнер в одиночку или в пуле: около 15 000 сатоши в день субсидии при 3,125 BTC за блок, до учёта комиссий. Меняется то, как этот доход поступает. В одиночку он приходит одной крупной наградой, которая может так и не прийти за срок работы машины. В пуле он приходит небольшими, регулярными выплатами. Пулы существуют, чтобы превратить лотерею в зарплату, поэтому почти вся хеш-мощность объединена в пулы.

Оборудование, электроэнергия и место майнинга

Майнинг биткоина сегодня работает на ASIC — чипах, созданных только для вычисления хешей SHA-256. Их ключевой показатель — эффективность, измеряемая в джоулях на терахеш (Дж/TH): сколько энергии машина тратит на получение триллиона хешей. Каждое новое поколение снижает этот показатель, а старые машины выходят из игры, когда их счёт за электроэнергию превышает заработок.

Поскольку электроэнергия — самая большая постоянная статья расходов, майнеры идут туда, где электричество дешёвое, избыточное или «запертое». Именно поэтому дебаты об энергопотреблении биткоина никогда полностью не утихают: безопасность сети обеспечивается реальными затратами, и то, как вы оцениваете эти затраты, зависит от того, сколько, по вашему мнению, стоит сеть. Если вы хотите посчитать цифры для одной машины, наш пример расчёта по оценке прибыльности майнинга биткоина показывает расчёт.

От ноутбуков до складов: как менялось оборудование для майнинга

В первый год существования биткоина майнеры использовали основные процессоры обычных компьютеров. В 2010 году ранние участники обнаружили, что видеокарты могут выполнять те же вычисления гораздо быстрее, и майнинг на GPU быстро стал доминирующим. Затем появились программируемые микросхемы, известные как FPGA, а после них — специализированные интегральные схемы (ASIC), чипы, созданные только для максимально эффективного вычисления хешей SHA-256.

Каждый шаг делал предыдущее поколение оборудования неконкурентоспособным. Сегодня доминируют ASIC-машины, и эффективность машины, измеряемая в энергии на единицу хешрейта, определяет, будет ли она прибыльной. Именно поэтому майнинг переместился из домашних комнат энтузиастов на крупные объекты, расположенные там, где электричество дешевле всего.

Майнинг как бизнес

Майнинговая операция получает субсидию за блок плюс комиссии за каждый блок, который найдет она сама или её пул, и оплачивает оборудование, электроэнергию, охлаждение и персонал. Доход растёт вместе с ценой биткоина и комиссиями; он снижается с каждым халвингом и по мере того, как больше вычислительной мощности конкурирует за одни и те же награды. Майнеры часто отслеживают «hashprice» — ожидаемый доход на единицу хешрейта в день, который объединяет цену, комиссии и сложность в одно число. Когда hashprice падает ниже текущих расходов машины, её выключают. См. что определяет прибыльность майнинга биткоина.

Энергия: затраты, которые обеспечивают безопасность

Потребление электроэнергии при майнинге — не побочный эффект, а то, что заставляет систему работать. Энергия, затраченная на хеширование, — это то, что атакующему пришлось бы воспроизвести, чтобы переписать историю. То, как генерируется эта электроэнергия и стоит ли безопасность такой энергии, — один из самых спорных вопросов о биткоине. Майнеры, как правило, ищут самую дешёвую доступную энергию, которая может включать излишки или иначе неиспользуемую энергию, а некоторые могут быстро отключаться, когда спрос в местной энергосети достигает пика.

Почему майнинг делает реестр трудно переписываемым

Каждый блок опирается на предыдущий. Чтобы изменить транзакцию, погружённую на несколько блоков вглубь, атакующему пришлось бы заново выполнить доказательство работы для этого блока и каждого последующего, а затем обогнать честную цепочку, которая тем временем продолжает расти. В white paper биткоина это описывается как гонка, в которой атакующий с каждым новым блоком отстаёт всё сильнее, пока честные майнеры контролируют большую часть хешрейта.

Это практический смысл «доказательства работы» (proof of work). Работа дорого создаётся и тривиально проверяется, поэтому вся сеть может согласиться с одной историей, не доверяя ни одному отдельному майнеру. Это также связывает майнинг с вопросом долгосрочного предложения: по мере того как субсидия продолжает уменьшаться в результате халвингов, комиссии должны нести всё большую часть бюджета безопасности. Этот сдвиг рассматривается в статье что произойдёт, когда будут добыты все 21 миллион биткоинов.

Более широкую картину того, как актив и сеть связаны между собой, можно получить, начав с нашего руководства о том, что такое биткоин.

Частые вопросы о майнинге биткоина

Можно ли всё ещё майнить биткоин дома?

Вы можете запустить майнер дома, но с одной машиной вы конкурируете с промышленными операциями, у которых дешевле электроэнергия. Большинство домашних майнеров присоединяются к пулу, чтобы получать регулярные небольшие выплаты. Окупается ли это, зависит почти полностью от вашей цены на электроэнергию и эффективности оборудования.

Сколько времени занимает добыча одного биткоина?

Майнинг не производит монеты по одной. Сеть создаёт блок примерно каждые 10 минут, и этот блок выплачивает фиксированную субсидию — сейчас 3,125 BTC — плюс комиссии. Сколько из этого получает конкретный майнер, зависит от его доли в общей вычислительной мощности сети.

Что произойдёт с майнингом, когда субсидия закончится?

Субсидия стремится к нулю примерно к 2140 году. После этого майнеры получают оплату только за счёт комиссий за транзакции. Хватит ли комиссий для поддержания безопасности сети, — открытый спор среди исследователей и разработчиков.

Эта статья носит образовательный характер и не является финансовой, инвестиционной, юридической или налоговой консультацией. Цифровые активы волатильны, и вы можете потерять вложенную сумму.

Источники

• Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System — Satoshi Nakamoto, октябрь 2008
• Исходный код Bitcoin Core, pow.cpp (корректировка сложности и ограничение в четыре раза) — Bitcoin Core, GitHub
• Исходный код Bitcoin Core, chainparams.cpp (интервал халвинга 210 000 блоков, целевой интервал 10 минут) — Bitcoin Core, GitHub
• Исходный код Bitcoin Core, consensus.h (созревание coinbase через 100 блоков) — Bitcoin Core, GitHub
• Блок 840 000 — Blockchain.com Explorer