Декодування механізму майнінгу криптоактивів: від принципів до практики

Швидкий огляд ключових моментів

• Майнинг є ключовим процесом у блокчейн-мережі для верифікації транзакцій і створення нових монет.
• Майнери змагаються за допомогою обчислювальної потужності, щоб розв'язувати складні головоломки та отримувати винагороду за блоки.
• Обладнання для видобутку пройшло еволюцію від ЦП до ГП та АСІК, ефективність постійно зростає
• Витрати на електроенергію, вартість обладнання, коливання цін на монети та зміни в протоколах впливають на прибуток від майнінгу.
• Майнінгові пулі та хмарний майнінг надають можливість участі малим майнерам

Розуміння майнінгу з нуля

Уявіть собі глобальний розподілений реєстр, який фіксує кожну транзакцію криптовалюти. Цей реєстр потребує підтримки та перевірки — саме в цьому полягає основна місія майнінгу.

Майнери використовують професійне комп'ютерне обладнання для розгадування криптографічних задач (в основному це повторне вгадування чисел), щоб організувати та підтвердити транзакції, що очікують обробки. Той, хто першим розгадає задачу, отримує винагороду у формі криптовалюти. Цей механізм здається простим, але насправді несе відповідальність за захист безпеки всієї мережі.

Чому майнінг такий важливий?

Майнінг забезпечує безпеку криптовалют, таких як біткойн. Завдяки цьому процесу транзакції користувачів перевіряються та додаються до відкритого реєстру блокчейну. Майнінг є основою децентралізованої роботи мережі біткойн — без необхідності в центральному управлінні вся система продовжує ефективно працювати.

Водночас, майнінг також відповідає за введення нових монет в обіг. Хоча це звучить як “друк грошей”, проте майнінг криптовалюти підлягає суворим правилам. Ці правила закріплені в основному протоколі і виконуються мережею розподілених вузлів, щоб запобігти довільному випуску нових монет. Майнери витрачають обчислювальні ресурси для розв'язання головоломок і отримують новостворені токени як винагороду - це є витратним “створенням”, а не безкоштовним “випуском”.

Конкретний процес видобутку

спрощена версія

Перший крок: Упаковка транзакцій Коли користувач відправляє або отримує криптовалюту, всі очікуючі транзакції збираються в “блок” і чекають підтвердження.

Другий крок: розгадати головоломку Майнери за допомогою комп'ютерів постійно намагаються знайти спеціальне число (називається nonce). Коли це число поєднується з даними блоку, воно генерує результат, менший за цільове значення — як участь у цифровій лотереї з паролем.

Третій крок: Додавання блоку до ланцюга Перший майнер, який розв'язав задачу, отримує право додати свій блок до блокчейну. Інші вузли перевіряють дійсність цього блоку.

Четвертий крок: Отримання винагороди Переможці-майнери отримують два види доходу: новостворена криптовалюта + всі комісії за транзакції, що містяться в цьому блоці.

Глибокий аналіз

Усі нові транзакції спочатку потрапляють у зону очікування, що називається “пулом пам'яті”. Вузли перевірки перевіряють справжність цих транзакцій. Завдання майнерів полягає в тому, щоб витягувати транзакції з пулу пам'яті та організовувати їх у кандидати на блок.

Слід зазначити, що не всі майнери запускають вузли верифікації — хоча деякі майнери суміщають обидві ролі, але технічно майнінгові вузли і вузли верифікації відрізняються.

Блок можна розглядати як сторінку блокчейн-реєстру, на якій записуються кілька транзакцій та інших даних. Конкретніше, вузли майнінгу збирають непідтверджені транзакції та об'єднують їх в кандидатні блоки. Потім майнери намагаються перетворити кандидатний блок на підтверджений блок, що вимагає розв'язання складної математичної задачі, що потребує величезних обчислювальних ресурсів. За кожен успішно створений блок майнер отримує винагороду за блок — включаючи нові токени та комісії за транзакції.

Технічні деталі: п'ять ключових кроків

Крок перший: Хешування транзакції

Перший етап видобутку полягає в отриманні транзакцій з пам'яті, обробляючи їх по одному за допомогою хеш-функції. Коли дані хешуються, майнери отримують результат фіксованого розміру — хеш-значення. У контексті майнінгу хеш кожної транзакції є ідентифікатором, що складається з ряду цифр і літер.

Окрім хешування та підтвердження окремих угод, майнери також додають особливу угоду, яка надсилає блокову винагороду їм самим. Цю угоду називають угодою coinbase, вона створює нові монети. Зазвичай угода coinbase спочатку додається до нового блоку, а потім йде черга угод, що очікують підтвердження.

Крок 2: Побудова дерева Меркла

Після завершення хешування транзакцій ці хеш-значення організовуються в структуру, яка називається деревом Меркла (або хеш-деревом). Дерево Меркла формується шляхом парування хешів транзакцій та повторного хешування. Новостворений хеш знову парує та хешується. Цей процес повторюється, поки не залишиться лише один хеш — кореневий хеш (або корінь Меркла). Цей кореневий хеш охоплює всі попередні хеші, які використовувалися для його створення.

Крок три: Знайти дійсний заголовок блоку

Заголовок блоку виступає єдиним ідентифікатором для кожного блоку. Під час створення нового блоку, майнери комбінують хеш попереднього блоку з кореневим хешем кандидата на блок, щоб отримати новий хеш блоку. Одночасно додається випадкове число (nonce). Щоб перевірити кандидат на блок, майнери повинні комбінувати кореневий хеш, хеш попереднього блоку та значення nonce, а потім виконати хешування. Цей процес триває до тих пір, поки не буде знайдений дійсний хеш.

Оскільки кореневий хеш і хеш попереднього блоку незмінні, майнери можуть змінювати лише значення nonce, поки не знайдуть дійсний хеш, який відповідає умовам. Цей хеш повинен бути меншим за цільове значення, визначене протоколом. У мережі біткойн хеш блоку повинен починатися з певної кількості нулів — це цільове значення називається складністю майнінгу.

Крок 4: Трансляція блоку

Майнери неодноразово виконують обчислення хешу заголовка блоку для різних значень nonce, поки не знайдуть дійсний хеш блоку. Після знаходження дійсного хешу, майнер транслює блок у мережу. Усі інші вузли перевіряють дійсність блоку, і якщо він проходить перевірку, то додають його до своїх копій блокчейну. У цей момент кандидатний блок стає підтвердженим блоком, і всі майнери переходять до видобутку наступного блоку. Майнери, які не змогли знайти дійсний хеш, відкидають свій кандидатний блок і починають новий цикл видобутку.

Ситуація, коли одночасно з'являються два блоки

Іноді два майнери майже одночасно транслюють дійсний блок, що призводить до появи двох конкурентних блоків у мережі. Користувачі починають майнити той блок, який вони отримали першими. Це тимчасово розділяє мережу на дві версії блокчейну. Конкуренція триває до того часу, поки не буде видобуто наступний блок, який перевершить усі конкурентні блоки. Після створення нового блоку попередній блок цього майнера визнається переможцем. Блок іншого майнера, що був відкинутий, називається ізольованим або відокремленим блоком. Майнер, який вибрав цей блок, негайно переключається на переможний блок, базуючи свою подальшу майнінг-діяльність на ньому.

Динамічна настройка складності видобутку

Складність видобутку постійно регулюється протоколом, щоб забезпечити стабільний ритм утворення нових блоків, що дозволяє передбачити випуск нових монет. Складність коливається в залежності від загальної обчислювальної потужності мережі (хеш-обчислення).

Коли нові майнери приєднуються до мережі і конкуренція посилюється, складність хешування зростає, щоб запобігти скороченню часу генерації блоків. І навпаки, якщо велика кількість майнерів виходить з мережі, складність хешування знижується, що робить створення нових блоків відносно легким. Цей механізм автоматичної регуляції підтримує стабільність часу генерації блоків, незалежно від змін у загальній обчислювальній потужності мережі.

Різні способи видобутку

Обладнання та процеси видобутку криптовалюти постійно оновлюються в міру розвитку нових технологій та алгоритмів консенсусу. Майнеры зазвичай використовують спеціалізоване обчислювальне обладнання для вирішення складних криптографічних рівнянь. Ось кілька найбільш поширених способів:

Видобуток на ЦП

Майнінг за допомогою центрального процесора (ЦП) включає використання ЦП комп'ютера для виконання хеш-операцій під моделлю консенсусу Proof of Work (PoW). На початку існування біткойна, вартість майнінгу була низькою, а бар'єри для участі також були низькими, звичайний комп'ютер міг справлятися із завданнями. Тоді будь-хто міг спробувати займатися майнінгом.

Однак, зі збільшенням кількості майнерів та зростанням хеш-потужності мережі, складність прибуткового видобутку також зросла. З появою професійного обладнання, його обчислювальна потужність значно перевищує споживчі процесори, що робить видобуток на ЦП поступово неконкурентоспроможним. Сьогодні видобуток на ЦП вже не є реалістичним, оскільки більшість майнерів перейшли на професійне обладнання.

GPU майнінг

Графічні процесори (GPU) були спроектовані для одночасної обробки великої кількості операцій. Хоча зазвичай їх використовують для відеоігор або графічного рендерингу, GPU також можуть бути використані для майнінгу. GPU відносно недорогі, і на відміну від спеціалізованого майнінгового обладнання, вони можуть виконувати різні завдання. GPU також можуть бути використані для майнінгу деяких альткоїнів, але ефективність залежить від конкретного алгоритму та складності майнінгу.

ASIC-майнінг

Спеціалізовані інтегральні схеми (ASIC) розроблені для виконання однієї конкретної мети. У сфері криптовалют ASIC відноситься до апаратного забезпечення, спеціально розробленого для майнінгу. Ефективність майнінгу на ASIC дуже висока, але вимагає відносно великого початкового інвестування. Оскільки ASIC є передовою технологією майнінгу, вартість таких пристроїв значно перевищує вартість CPU або GPU. Крім того, ASIC постійно оновлюються та вдосконалюються, а попередні моделі швидко втрачають актуальність. Саме тому майнінг на ASIC є одним із найдорожчих способів, але за умови масового використання його ефективність є найвищою, а потенціал прибутку - найбільшим.

майнінговий пул

Оскільки блокові винагороди надаються лише першому успішному шахтареві, ймовірність того, що окремий шахтар видобуде блок, надзвичайно низька. Шахтарі з обмеженою обчислювальною потужністю майже не мають шансів самостійно знайти наступний блок. Для вирішення цієї проблеми виникли майнінг-пули.

Майнінговий пул — це колектив майнерів, які об'єднують обчислювальні ресурси (хеш-потужність) для збільшення ймовірності знаходження блоку та поділу винагороди. Коли майнінговий пул успішно знаходить блок, винагорода розподіляється пропорційно до роботи, виконаної кожним майнером. Майнінгові пули є привабливими для незалежних майнерів, оскільки вони знижують витрати на обладнання та електроенергію. Однак ці пули також збільшують ризик централізації та потенційної загрози атаки 51%.

Хмарне видобування

Хмара-майнери не потрібно купувати обладнання, а замість цього вони орендують обчислювальні потужності у постачальників послуг хмара-майнінгу. Це відносно простий спосіб почати майнінг, але з ним пов'язані ризики шахрайства та загроза зниження прибутків. Якщо ви плануєте спробувати хмара-майнінг, слід обирати постачальників з гарною репутацією.

Специфіка майнінгу біткоїнів

Біткойн є найвідомішою криптовалютою, яка пройшла перевірку часом. Майнинг біткойнів базується на алгоритмі консенсусу Proof of Work (PoW). PoW був створений Сатоші Накамото, в 2008 році був представлений у білому папері біткойна як механізм консенсусу блокчейну. PoW визначає, як мережа блокчейну досягає консенсусу між усіма розподіленими учасниками без необхідності у третіх сторонах.

Зловмисникам важко маніпулювати такими мережами, оскільки потрібно витратити величезні кошти на електроенергію та обчислювальні ресурси. Як зазначалося раніше, у мережах PoW транзакції, які очікують обробки, організовуються майнерами та додаються до блоків. Майнер використовують спеціалізоване обладнання для швидкого розв'язання задач. Перший майнер, який знайде відповідь, отримує право додати свій блок до блокчейну. Якщо вузли верифікації приймають цей блок, майнер отримує винагороду за блок.

Конкретна сума винагороди за криптовалюту залежить від використовуваної блокчейн-технології. Наприклад, в блокчейні біткоїна (станом на грудень 2024 року) майнери отримують винагороду в розмірі 3.125 BTC за кожен блок.

Біткоїн використовує механізм наполовину, який зменшує винагороду за BTC на 50% кожні 210 000 блоків (приблизно кожні чотири роки). Цей дизайн забезпечує передбачуваність і дефіцит загальної пропозиції біткоїнів.

Аналіз прибутковості майнінгу

Заробіток через майнінг можливий, але вимагає глибокого розуміння процесу, управління ризиками та достатнього дослідження. Інвесторам слід обережно вкладати кошти та враховувати витрати на обладнання, коливання цін на криптовалюту та можливі зміни в протоколах. Користувачі вживають заходів управління ризиками та оцінюють потенційні витрати та вигоди від майнінгу.

Прибутковість майнінгу залежить від кількох факторів, серед яких зміна ціни на криптовалюту є ключовою. Коли ціна зростає, вартість майнінгових винагород у фіатній валюті також збільшується. І навпаки, падіння ціни знижує прибутковість.

Ефективність обладнання для майнінгу є ключовим фактором, що визначає прибуток. Вартість апаратного забезпечення для майнінгу висока, і майнери повинні зважити інвестиції в обладнання та потенційні прибутки. Вартість електроенергії є ще одним важливим змінним. Занадто висока вартість електроенергії може перевищити доходи, роблячи майнінг нерентабельним.

Крім того, обладнання для видобутку потрібно регулярно оновлювати, оскільки воно швидко застаріває. Нові моделі мають кращу продуктивність, а шахтарі, які не мають коштів для оновлення, втратять конкурентоспроможність.

Зміни на рівні протоколу також не можна ігнорувати. Наприклад, халвінг біткоїна вплине на дохідність майнінгу, оскільки він зменшить винагороду за блок удвічі. У деяких випадках майнінг може бути замінений іншими механізмами верифікації. Наприклад, Ethereum у вересні 2022 року перейшов з механізму консенсусу PoW на Proof of Stake (PoS), що повністю поклало кінець діяльності з майнінгу в мережі.

Підсумок

Майнінг криптовалют є ключовим компонентом біткоїну та інших PoW блокчейнів, закладаючи основу для безпеки цих мереж та стабільного випуску монет. Майнінг має як переваги, так і недоліки. Найочевиднішою перевагою є можливість отримати прибуток від нагород за блоки. Однак прибуток від майнінгу залежить від багатьох факторів, включаючи витрати на електроенергію та ринкову ситуацію.

Якщо вам цікаве видобування криптовалют, спочатку проведіть особисте дослідження, всебічно оцініть потенційні ризики та можливості, дійте відповідно до своїх можливостей, уникаючи сліпого слідування моді.