Майнинг и Proof of Work

Зачем это блокчейну?

Каждые ~10 минут один из тысяч майнеров находит число (nonce), при котором хеш заголовка блока оказывается меньше определённой цели. Это Proof of Work — вычислительная лотерея, обеспечивающая безопасность Bitcoin. Без неё любой мог бы добавить произвольный блок в цепочку, отменить транзакции или потратить монеты дважды.

# Суть майнинга в 5 строках:
import hashlib

header = b"version|prev_hash|merkle_root|timestamp|bits|nonce"
hash_result = hashlib.sha256(hashlib.sha256(header).digest()).digest()
target = 0x00000000FFFF0000000000000000000000000000000000000000000000000000
print("Блок найден!" if int.from_bytes(hash_result, 'big') < target else "Пробуем снова...")

Интуитивное объяснение: лотерея с костями

Представьте, что вам нужно бросить 100-гранную кость и выбросить число меньше 5. Вероятность — 4/100 = 4%. В среднем придётся бросить кость ~25 раз.

Теперь усложним: нужно выбросить число меньше 2. Вероятность — 1/100 = 1%. Придётся бросить ~100 раз.

Proof of Work — это бросание хеш-костей:

• Кость — это SHA-256 от заголовка блока
• «Выбросить число меньше N» — это найти хеш меньше target
• Единственный способ повлиять на результат — менять nonce и пересчитывать хеш
• Чем ниже target (выше сложность), тем больше попыток нужно

Никакой «хитрости» нет — только перебор. Это и есть доказательство работы: чтобы найти блок, майнер доказывает, что совершил огромное количество вычислений.

Алгоритм майнинга

while true:
    header = version + prev_hash + merkle_root + timestamp + bits + nonce
    hash = SHA256(SHA256(header))     # двойной SHA-256
    if hash < target:
        Блок найден! Рассылаем по сети.
        break
    nonce += 1
    if nonce > 2^32:
        Обновить timestamp / транзакции / extraNonce

Ключевые моменты:

1. Двойной SHA-256 (SHA-256d) — хеш от хеша. Защита от атак length-extension.
2. 80 байт заголовка — вычисляется хеш только от заголовка, не от всего блока.
3. Детерминизм — один и тот же заголовок всегда даёт один и тот же хеш.
4. Лавинный эффект — изменение nonce на 1 полностью меняет хеш (вспомните CRYPTO-03).

Симулятор майнинга

Попробуйте найти блок вручную! Нажмите «+1 Nonce» или запустите автоматический майнинг:

Что заметили?

• При сложности 1 (один ведущий ноль) блок находится быстро — за ~16 попыток в среднем
• При сложности 2 — за ~256 попыток
• Каждый дополнительный ноль увеличивает сложность в 16 раз

Хеш ниже цели: визуализация

Представьте все возможные 256-битные числа как отрезок от 0 до 2^256. Target делит этот отрезок: хеши левее target (зелёная зона) — валидные блоки, правее (красная) — невалидные.

Чем ниже target, тем уже зелёная зона и тем труднее «попасть» в неё случайным хешем. Вероятность нахождения валидного блока за одну попытку:

P = target / 2^256

Что если nonce переполнится?

Поле nonce в заголовке блока — всего 4 байта (2^32 = ~4.3 миллиарда значений). Современные ASIC-майнеры перебирают все 4 миллиарда за доли секунды. Что делать дальше?

1. Extra Nonce в coinbase-транзакции — майнер меняет данные coinbase-транзакции, что меняет Merkle root (а значит, и весь заголовок).
2. Timestamp — допустимо варьировать на несколько секунд.
3. Порядок транзакций — изменение порядка меняет Merkle root.

Фактически, пространство поиска бесконечно — nonce лишь один из параметров.

Блок-награда и Halving

Майнер, нашедший блок, получает блок-награду (block subsidy) — новые монеты, которых раньше не существовало. Это единственный способ эмиссии Bitcoin.

Каждые 210 000 блоков (~4 года) награда уменьшается вдвое — это halving. Геометрическая прогрессия гарантирует, что всего будет создано ~21 миллион BTC. Последний сатоши будет намайнен примерно в 2140 году.

Помимо блок-награды, майнер получает комиссии (fees) со всех включённых в блок транзакций.

Математический уровень

Ожидаемое количество хешей

Если target задаёт вероятность p = target / 2^256 нахождения блока за одну попытку, то ожидаемое количество попыток:

E[hashes] = 1/p = 2^256 / target

Хешрейт

Скорость перебора хешей измеряется в хешах в секунду:

• TH/s = 10^12 хешей/с (террахеш)
• PH/s = 10^15 хешей/с (петахеш)
• EH/s = 10^18 хешей/с (эксахеш)

Глобальный хешрейт сети Bitcoin в 2025 году — порядка 600—800 EH/s.

Среднее время нахождения блока

t_avg = E[hashes] / hashrate = 2^256 / (target * hashrate)

Сеть подстраивает target так, чтобы t_avg ≈ 600 секунд (10 минут).

Связь с SHA-256

Proof of Work работает благодаря свойствам хеш-функций, которые мы изучали в Phase 1:

1. Устойчивость к прообразу (CRYPTO-03): невозможно вычислить nonce, дающий нужный хеш, кроме перебора.
2. Лавинный эффект (CRYPTO-03): изменение одного бита nonce полностью меняет хеш — нельзя «приблизиться» к цели постепенно.
3. Равномерное распределение (CRYPTO-04): хеши распределены равномерно, поэтому каждая попытка — независимый эксперимент с фиксированной вероятностью.

Без этих свойств PoW был бы бесполезен: если бы можно было «угадывать» nonce, вычислительная лотерея не работала бы.

Практика

Реализуйте майнинг в Python, постройте Genesis-блок и исследуйте зависимость числа попыток от сложности:

Notebook: labs/crypto/notebooks/12-bitcoin-mining.ipynb

Что дальше?

Мы увидели, что сложность (target) определяет, сколько вычислительной работы нужно для нахождения блока. Но кто и как меняет target? В следующем уроке разберём механизм автоматической корректировки сложности — самонастраивающийся алгоритм, который поддерживает 10-минутный интервал между блоками.