Bitcoin напоминает швейцарские механические часы: снаружи четко выполняет задачу, в понимании которой нет ничего сложного. Но если открыть заднюю крышку, то можно увидеть нетривиальный механизм, состоящий из множества шестеренок и прочих деталей. Однако полностью разобраться в том, как все это работает, технически подкованному человеку вполне реально.
Одно из первых подробных технических описаний Bitcoin на русском было опубликовано в начале десятых годов на Хабре в статье «Bitcoin. Как это работает». Как правильно написано: «У Bitcoin есть такая особенность — чем больше начинаешь в нем разбираться, тем больше возникает новых вопросов. Есть только два выхода —либо разобраться до конца, либо просто научиться пользоваться интерфейсом программы. Иначе не будет покидать чувство, что где-то обязательно должен быть подвох».
Что такое криптовалюта? Если кратко, то это децентрализованная валюта с защитой от повторного использования, основанной на достижениях современной криптографии. Идея состоит в том, что каждая транзакция необратима и подтверждается вновь генерируемыми блоками, отвечающими определенным требованиям. Эти блоки вычисляются всем сообществом, объединяются в цепочку и доступны всем для просмотра в виде единой базы данных. Процедура вычисления блоков называется майнинг.
Сеть построена таким образом, что один блок находится с определенной периодичностью, независимо от вычислительных мощностей, — то есть сложность вычислений саморегулируется. При этом, пока сеть растет, каждый вновь сгенерированный блок содержит еще и новые монеты. В случае с Bitcoin и еще некоторыми видами криптовалют количество монет, которые могут находиться в обращении, ограничено на уровнеротокола, и количество вновь добываемых монет постепенно уменьшается в геометрической прогрессии так, что оно никогда не превысит заданного лимита. Каждый пользователь, который сгенерировал блок, получает фиксированную награду, а также комиссию транзакций, которые он подтвердил, включив их в блок.
Технология Bitcoin является одним из первых успешных практических решений так называемой задачи о византийских генералах. Кратко она формулируется так: как установить доверие между сторонами, связанными только по каналу связи, которому нельзя доверять? Одним из ключевых моментов в решении служит криптографический метод proof-of-work — те самые «бесполезные» вычисления, которые заведомо должны проводиться долго, но доказательство того, что они были, должно проверяться моментально.
Bitcoin-клиенты делятся на два вида: толстые/тяжелые (Bitcoin-Qt, Armory) и тонкие/легкие (Electrum, Multibit). Отличие заключается в том, что толстые клиенты для своей работы требуют локальную копию всей базы данных с логом всех транзакций за все время существования сети, а тонкие клиенты выкачивают информацию из децентрализованной сети только по мере необходимости. Для существования сети необходимо наличие в ней толстых клиентов, однако и тонкие клиенты дают возможность полноценно использовать Bitcoin — например, это особенно логично на смартфонах.
Со временем размер базы данных будет только расти, так же как и емкость носителей информации. Из чего же состоит БД? БД — это блокчейн, цепочка блоков данных в формате JSON. Каждый блок содержит всю необходимую для функционирования сети информацию, свой порядковый номер и хеш-сумму предыдущего блока. Естественно, в самом первом блоке такой хеш-суммы нет. Причем к хешу (шестнадцатеричному числу) выдвигаются строгие требования: он должен начинаться с определенного количества нулей, а если точнее, должен быть меньше специального параметра под названием «bits». Обратно пропорциональный ему параметр называется «сложность». Этот механизм позволяет надежно хранить все прочие необходимые данные в распределенной сети, ведь если изменить хотя бы один символ в блоке, то его хеш изменится целиком и все нули моментально пропадут.
Что же за вычисления происходят при майнинге и как добиться таких красивых хешей, которые, по сути, являются абсолютно случайными числами? Майнинг — это не что иное, как брутфорс. Брутфорс, который осуществляется не с целью атаки, а с целью защиты. Система такова, что брутфорсить в ней с целью защиты намного выгоднее, чем с целью атаки. Просто потому, что с целью защиты брутфорсит большинство (а на практике все).
Несмотря на то что хеш-функция вычисляется по строгому математическому алгоритму, брутфорс с целью поиска красивого хеша возможен за счет параметра nonce. Программа-майнер просто перебирает различные значения nonce одно за другим, вычисляет хеш блока, и если в один прекрасный момент повезет и хеш будет отвечать параметру сложности, то счастливчик получит награду в виде новых биткоинов и комиссий всех транзакций, включенных в блок.
