→ → Алгоритм майнинга sha 256. Объясняем крипто-алгоритмы майнинга. Где ещё используется

Алгоритм майнинга sha 256. Объясняем крипто-алгоритмы майнинга. Где ещё используется

С ростом популярности криптовалюты все больше и больше людей начинают воспринимать ее как перспективный финансовый инструмент. Однако, мало кто задумывается какую ценность она представляет для научно-технического прогресса. Ведь чтобы вникнуть в суть данного явления необходимо пробраться сквозь настоящие дебри криптографических понятий, а также непривычных и таинственных аббревиатур вроде SHA-256. О ней и пойдет речь в сегодняшней статье.

Что такое майнинг?

Майнинг - главная составляющая защитного механизма любой цифровой валюты. Принцип действия состоит в группировании майнерами совершенной операции в 1 блок, который уже преобразовали огромное количество раз для установления исключительного редкого хеш-кода, отвечающего особым требованиям. Если подобное значение отыскивается, блок майнится и добавляется в блокчейн монеты. Такая вычислительная деятельность не дает какой-либо пользы кроме повышения сложности генерации необходимого блока. С другой стороны, только благодаря ей пользователи электронной валюты могут быть уверены, что их площадка не будет взята под контроль и централизована.

Стандартная хеш-функция принимает на вход блок с определенной информацией, выдавая на выходе случайное и непредсказуемое значение. Она разработана таким образом, что не существует оптимального метода найти требуемый показатель, вам нужно снова и снова продолжать перебор до тех пор, пока не отыщите подходящий хеш-код.

Одним из самых популярных протоколов вычисления является SHA-256. Именно его использует первая криптовалюта в мире - Биткоин. Причем для повышения уровня безопасности алгоритм задействуется 2 раза и именуется уже двойным.

В Bitcoin критерием пригодности хеша считается необходимое количество «0» в его начале. Обнаружить подобное значение также невероятно трудно, как, например, отыскать номер автомобиля или сотового, кончающегося на пару 0. Разумеется, сделать такое для хеш-функции в много раз сложнее. В настоящее время, правильное значение должно включать приблизительно 17 начальных нулей, чему соответствует лишь одно из 1,4 умноженное на 10 в 20 степени. Проводя сравнение, отыскать подобный хеш значительно сложнее, нежели отыскать определенную песчинку среди всей нескончаемой массы песка на планете.

Первоначальная версия алгоритма SHA-256 была создана Агентством национальной безопасности США весной 2002 года. Спустя несколько месяцев Национальный метрологический университет опубликовал новоявленный протокол шифрования в принятом на федеральном уровне стандарте безопасной обработки данных FIPS PUB 180-2. Зимой 2004 года он пополнился второй версией алгоритма.

В течение следующих 3 лет АНБ выпустила патент на SHA второго поколения под лицензией Royalty-free. Именно это дало старт применению технологии в гражданских сферах.

Обратите внимание! Довольно интересный факт: каждый пользователь Всемирной паутины, сам того не зная, во время своих путешествий по интернету пользуется данным протоколом. Посещение любого веб-ресурса, защищенного сертификатом безопасности SSL, автоматически запускает выполнение алгоритма SHA-256.

Данный протокол работает с информацией, раздробленный на части по 512 бит (или другими словами 64 байта). Он производит ее криптографическое «смешивание», а затем выдаёт 256-битный хеш-код. В состав алгоритма входит сравнительно простой раунд, который повторяется 64 раза.

Кроме того, SHA-256 имеет довольно неплохие технические параметры:

  • Показатель размера блока (байт) – 64.
  • Предельно допустимая длина сообщения (байт) – 33.
  • Характеристика размера дайджеста сообщения (байт) – 32.
  • Стандартный размер слова (байт) – 4.
  • Параметр длины внутреннего положения (байт) – 32.
  • Число итераций в одном цикле – всего 64.
  • Достигаемая протоколом скорость (MiB/s) – примерно 140.

Работа алгоритма SHA-256 базируется на методе построения Меркла-Дамгарда, в соответствии с которым начальный показатель сразу после внесенного изменения разделяется на блоки, а те, в свою очередь, на 16 слов.

Набор данных проходит сквозь цикл, насчитывающий 80 или 64 итерации. Каждый этап характеризуется запуском хеширования из составляющих блок слов. Пара из них обрабатываются инструментарием функции. Далее результаты преобразования складываются, выдав в итоге верный показатель хеш-кода. Для генерации очередного блока используется значение предыдущего. Преобразовывать их отдельно друг от друга не получится.

Также стоит упомянуть 6 битовых операций, на основе которых функционирует протокол:

  • «and» - побитовая операция «И»;
  • «shr» - перемещает значение на требуемое количество бит вправо;
  • «rots» - команда аналогичная по действию предыдущий, с той лишь разницей, что осуществляется циклический сдвиг;
  • «||» или конкатенация - операция соединения частей линейной структуры, чаще всего строк;
  • «xor» - команда, убирающая «ИЛИ»;
  • «+» - обыкновенная операция сложения.

Как можно заметить, довольно типичный для любого алгоритма шифрования набор операций.

Дабы определить ценность данного алгоритма, необходимо обратиться к криптоанализу. Это дисциплина находит методы расшифровки информации без применения специализированного ключа.

Первые исследования SHA-256 на присутствие уязвимостей начали осуществляться специалистами с 2003 года. На тот момент ошибок в протоколе обнаружено не было.

Однако, уже в середине 2008 года группа экспертов из Индии смогла отыскать коллизии для 22 итераций архитектур семейства SHA. Через несколько месяцев был предложен способ разработки коллизий для усеченного варианта протокола, а затем и для 31 итерации хеширования непосредственного самого SHA-256.

Во время анализа функции свертки осуществляется тестирование ее сопротивляемости к 2 разновидностям атак:

  1. Наличие прообраза - дешифрование начального сообщения по его хеш-коду. Сопротивляемость подобному типу воздействия гарантирует надежную защиту результатам преобразования.
  2. Нахождение коллизий - схожие выходные данные при различных входных характеристиках. От устойчивости к такой разновидности атак находится в прямой зависимости защищенность электронной подписи с использованием актуального протокола.

Создатели второго поколения алгоритма SHA решили, что новый механизм шифрования будет функционировать на основе совершенно других принципов. Так, осенью 2012 года на свет появился протокол третьей серии - Keccak.

Практическое применение и сертификация технологии

Законодательством Соединенных Штатов Америки разрешается использование SHA-256 и прочих аналогичных методов хеширования в определенных государственных программах для защиты сведений. Кроме того, допускается применение алгоритма коммерческими компаниями.

Важно! Поэтому нет ничего удивительного в том, что данный протокол был использован в первой цифровой валюте. Выпуск новых монет Биткоина совершается путем нахождения строк по их указанной архитектуре SHA-256.

Как это сказывается на специализированных устройствах для добычи криптовалюты? Каждый шаг в этом алгоритме имеет довольно простой вид - примитивная битовая операция и 32-битное сложение (любой, кто знаком с основами схемотехники, сможет без труда представить, как подобное выглядит в железе). А потому для эффективной работы асик-майнеров нужно лишь располагать десятком блоков выполнения этапов алгоритма.

В противовес Bitcoin, Лайткоин, Догикоин и прочие схожие «коины» используют протокол шифрования Scrypt, который оснащен функцией повышения сложности. Данный алгоритм в ходе деятельности сохраняет 1024 различных значения хеш-функций, а уже на выходе соединяет их и получает преобразованный результат. Благодаря этому для реализации протокола нужны несравнимо большие вычислительные мощности.

Вывод

Подводя итог, можно сказать, что протокол SHA-256 оказался чересчур легким и сегодня имеется целое множество специализированных девайсов (так называемые майнеры), которые успешно обходят его. С их появлением отпала необходимость майнить на процессоре или собирать фермы из видеокарт, поскольку ASIC-устройства позволяют своим владельцам заработать намного больше. Однако, у этого есть и обратная сторона. Использование майнеров слишком сильно централизует криптовалюту, а значит, необходимо внедрение новых протоколов хеширования. Таким алгоритмом стал Scrypt - куда более продвинутый защитный механизм, который требует значительной производительности и поэтому теоретически лишает специальные приборы особого преимущества.

С позиции рядового пользователя нет никакой разницы между протоколами SHA-256 и Scrypt. Можно майнить цифровую валюту своим компьютером или фермой на любом из данных протоколов.

Алгоритм SHA-256 на сегодняшний день занимает более 40% всего рынка, однако, вне всякого сомнения, имеются и другие. И в скором времени они потеснят прославленного предшественника. Так, из сравнительно свежих необходимо упомянуть об особенно «майнероустойчивом» протоколе Dagger, который собираются использовать в децентрализованной площадке Эфириум. Возможно, именно он примет эстафету лидера в области хеширования и займет место SHA-256.

SHA-256 представляет собой однонаправленную функцию для создания цифровых отпечатков фиксированной длины (256 бит, 32 байт) из входных данных размером до 2,31 эксабайт (2⁶⁴ бит) и является частным случаем алгоритма из семейства криптографических алгоритмов SHA-2 (Secure Hash Algorithm Version 2 ) опубликованным АНБ США в 2002 году.

Хеш-функции семейства SHA-2 построены на основе структуры Меркла - Дамгарда.

Исходное сообщение после дополнения разбивается на блоки, каждый блок - на 16 слов. Алгоритм пропускает каждый блок сообщения через цикл с 64 итерациями. На каждой итерации 2 слова преобразуются, функцию преобразования задают остальные слова. Результаты обработки каждого блока складываются, сумма является значением хеш-функции. Так как инициализация внутреннего состояния производится результатом обработки предыдущего блока, то нет возможности обрабатывать блоки параллельно. Графическое представление одной итерации обработки блока данных:

На текущий момент известны методы для конструирования коллизий до 31 итерации. Ввиду алгоритмической схожести SHA-2 с SHA-1 и наличия у последней потенциальных уязвимостей принято решение, что SHA-3 будет базироваться на совершенно ином алгоритме. 2 октября 2012 года NIST утвердил в качестве SHA-3 алгоритм Keccak.

Алгоритм расчёта отпечатка в виде псевдокода:

Пояснения:
Все переменные беззнаковые, имеют размер 32 бита и при вычислениях суммируются по модулю 232
message - исходное двоичное сообщение
m - преобразованное сообщение Инициализация переменных
(первые 32 бита дробных частей квадратных корней первых восьми простых чисел [от 2 до 19]):
h0:= 0x6A09E667
h1:= 0xBB67AE85
h2:= 0x3C6EF372
h3:= 0xA54FF53A
h4:= 0x510E527F
h5:= 0x9B05688C
h6:= 0x1F83D9AB
h7:= 0x5BE0CD19 Таблица констант
(первые 32 бита дробных частей кубических корней первых 64 простых чисел [от 2 до 311]):
k :=
0x428A2F98, 0x71374491, 0xB5C0FBCF, 0xE9B5DBA5, 0x3956C25B, 0x59F111F1, 0x923F82A4, 0xAB1C5ED5,
0xD807AA98, 0x12835B01, 0x243185BE, 0x550C7DC3, 0x72BE5D74, 0x80DEB1FE, 0x9BDC06A7, 0xC19BF174,
0xE49B69C1, 0xEFBE4786, 0x0FC19DC6, 0x240CA1CC, 0x2DE92C6F, 0x4A7484AA, 0x5CB0A9DC, 0x76F988DA,
0x983E5152, 0xA831C66D, 0xB00327C8, 0xBF597FC7, 0xC6E00BF3, 0xD5A79147, 0x06CA6351, 0x14292967,
0x27B70A85, 0x2E1B2138, 0x4D2C6DFC, 0x53380D13, 0x650A7354, 0x766A0ABB, 0x81C2C92E, 0x92722C85,
0xA2BFE8A1, 0xA81A664B, 0xC24B8B70, 0xC76C51A3, 0xD192E819, 0xD6990624, 0xF40E3585, 0x106AA070,
0x19A4C116, 0x1E376C08, 0x2748774C, 0x34B0BCB5, 0x391C0CB3, 0x4ED8AA4A, 0x5B9CCA4F, 0x682E6FF3,
0x748F82EE, 0x78A5636F, 0x84C87814, 0x8CC70208, 0x90BEFFFA, 0xA4506CEB, 0xBEF9A3F7, 0xC67178F2 Предварительная обработка:
m:= message ǁ [единичный бит ]
m:= m ǁ , где k - наименьшее неотрицательное число, такое что
(L + 1 + K) mod 512 = 448, где L - число бит в сообщении (сравнима по модулю 512 c 448)
m:= m ǁ Длина (message) - длина исходного сообщения в битах в виде 64-битного числа с порядком байтов от старшего к младшему Далее сообщение обрабатывается последовательными порциями по 512 бит:
разбить сообщение на куски по 512 бит
для каждого куска разбить кусок на 16 слов длиной 32 бита (с порядком байтов от старшего к младшему внутри слова): w Сгенерировать дополнительные 48 слов:
для i от 16 до 63
s0:= (w rotr 7) xor (w rotr 18) xor (w shr 3)
s1:= (w rotr 17) xor (w rotr 19) xor (w shr 10)
w[i] := w + s0 + w + s1
Инициализация вспомогательных переменных:
a:= h0
b:= h1
c:= h2
d:= h3
e:= h4
f:= h5
g:= h6
h:= h7 Основной цикл:
для i от 0 до 63
Σ0:= (a rotr 2) xor (a rotr 13) xor (a rotr 22)
Ma:= (a and b) xor (a and c) xor (b and c)
t2:= Σ0 + Ma
Σ1:= (e rotr 6) xor (e rotr 11) xor (e rotr 25)
Ch:= (e and f) xor ((not e) and g)
t1:= h + Σ1 + Ch + k[i] + w[i] h:= g
g:= f
f:= e
e:= d + t1
d:= c
c:= b
b:= a
a:= t1 + t2 Добавить полученные значения к ранее вычисленному результату:
h0:= h0 + a
h1:= h1 + b
h2:= h2 + c
h3:= h3 + d
h4:= h4 + e
h5:= h5 + f
h6:= h6 + g
h7:= h7 + h Получить итоговое значения хеша:
digest = hash = h0 ǁ h1 ǁ h2 ǁ h3 ǁ h4 ǁ h5 ǁ h6 ǁ h7

Алгоритм используется:

  • Bitcoin  - эмиссия криптовалюты через поиск отпечатков с определёнными рамками значений
  • DNSSEC  - дайджесты DNSKEY
  • DSA  - используется для создания электронной цифровой подписи
  • IPSec  - в протоколах ESP и IKE
  • OpenLDAP  - хеши паролей
  • PGP  - используются для создания электронной цифровой подписи
  • S/MIME  - дайджесты сообщений
  • SHACAL-2  - блочный алгоритм шифрования
  • X.509  - используются для создания электронной цифровой подписи сертификата

Многие интересуются техническими основами криптовалют, но немногие знакомы с криптографией. Для того, чтобы докопаться до сути происходящего в биткойн-протоколе приходится продираться через дебри криптографических терминов, загадочных и неудобных акронимов типа SHA-256, Scrypt, base58check, RIPMD-160 и т.п. Мы уже освещали ранее некоторые . В этой статье мы постараемся рассказать об одной из наиболее важных ее сторон – крипто-алгоритмах .

Классика: SHA-256

Начнем наш обзор, конечно же, с классического SHA-256, с которого все начиналось — именно на этом алгоритме построен биткойн-майнинг, как и майнинг подавляющего большинства биткойн-клонов ().

Так что же это такое этот самый SHA-256? Это криптографическая хэш-функция, которая была разработана нашими «друзьями» – Агентством национальной безопасности США. Подождите, не спешите впадать в прострацию, здесь не о чем волноваться. Потерпите немного, обещаю, что скучать вы точно не будете.

Основная работа любой хэш-функции заключается в превращении (или хэшировании) произвольного набора элементов данных в значение фиксированной длины («отпечатка» или «дайджеста»). Это значение будет однозначно характеризовать набор исходных данных (служить как бы его подписью), без возможности извлечения этих исходных данных. Это официальное объяснение из Википедии , замечательное и научно-обоснованное, но вот только я, например, не говорю на таком языке. И уверен, что большинство из вас тоже. А посему позвольте мне объяснить значение этого «феномена», по-нашему, по-простому.

Как мы все знаем, при майнинге SHA-256 криптомонет, мы решаем поставленную задачу при помощи CPU, GPU или специализированного процессора. Процессы преобразования отображаются в интерфейсе программы, предназначенной для майнинга, например, в виде строки «Accepted 0aef41a3b». Значение 0aef41a3b - это и есть хэш. Он является как бы подписью большого набора данных (собственно, очередного блока транзакций с добавленным к нему случайным числом). Эта короткая строка как бы представляет собой блок, который состоит из нескольких тысяч, если не миллионов, подобных строк.

Это также объясняет то, почему вам нужно решить перебором множество задач, прежде чем удастся отыскать нужный хэш для нового блока. Ведь мы ищем не какой попало хэш, а тот, который начинается на определенное количество нулей. У вас имеется один шанс на тысячу, десятки, сотни тысяч, миллионы решений, что случайно получившийся хэш будет иметь нужное количество нулей в начале. Сколько именно? Определяется параметром сложности, которое задает ваш майнинг-пул. Заранее понять, получится у вас «красивый хэш» или нет, невозможно. Это похоже на игру в лотерею, но с машинами, которые могут выполнять вычисление выигрышной комбинации быстрее и лучше, чем любой из нас.

Вы считаете, что для решения задач, связанных с хэшированием при использовании протокола SHA-256, вам потребуется мощное ? В этом есть определенный смысл. Чем больше используется вычислительной мощности, тем лучше, так как увеличиваются шансы на добычу монет. Но имейте в виду, что вы не единственный, кто занимается майнингом. Есть люди, которые располагают более . Не расстраивайтесь, у вас есть все шансы на выигрыш. Это похоже на игру в лотерею, вы никогда не знаете, когда повезет!

Теперь вернемся к алгоритму SHA-256. Криптовалюта — это не единичный пример, где используется SHA-256. Есть несколько протоколов, о которых вы, скорее всего, слышали и которые используют данный алгоритм. Это протоколы SSL, SSH, PGP и многие другие. Каждый раз, когда вы заходите на защищенный веб-сайт с помощью сертификата SSL, используется SHA-256. Бьюсь об заклад, вы не задумывались об этом, не так ли? Все мы узнаем что-то новое со временем!

Именно алгоритм SHA-256 реализован во всех выпущенных на настоящий момент специализированных ASIC-майнеров, ASIC-оборудование для других алгоритмов майнинга пока только разрабатывается. Помимо Биткойна, майнинг, основанный на SHA-256, используется в ряде других цифровых валют-клонов. Например, такие альткойны как Peercoin и Namecoin его используют. В последнее время наблюдается всплеск новых SHA-256 монет: Zetacoin, Ocoin, Tekcoin и десятки других.

Задачки посложнее: Scrypt

Алгоритм SHA-256 - не единственный алгоритм, который интересен для майнеров. Вторым по популярности майнинг-алгоритмом в мире криптовалют является Scrypt. История появления Scrypt связана с тем, что уже на ранних этапах существования биткойна стало очевидно, что простота функции SHA-256 позволяет сделать аппаратные решения, которые будут выполнять такие вычисления гораздо эффективнее, чем на обычном компьютерном процессоре (CPU). И действительно, биткойн-майнинг очень быстро мигрировал с CPU на графические процессоры (GPU), затем на программируемые аппаратные устройства (FPGA), после чего вышли специально под него заточенные микросхемы (ASIC). специализированной ASIC-мощности представляет проблему для децентрализованной валюты.

Функция хэшинга Scrypt специально разрабатывалась с целью усложнить аппаратные реализации путем увеличения количества ресурсов, требуемых для вычисления. Поэтому (по крайней мере в теории) такой концентрации майнинг-ресурсов как в биткойне не должно произойти, и он останется децентрализованным.

По своей сути, Scrypt-майнинг не сильно отличается от биткойн-майнинга. На вход подается блок данных, к нему применяется хэш-функция, на выходе мы пытаемся получить «красивый хэш». Вот только сама хэш-функция гораздо сложнее в вычислении. Данный алгоритм использует более значительное количество оперативной памяти (памяти с произвольным доступом), чем SHA-256. Память в Scrypt используется для хранения большого вектора псевдослучайных битовых последовательностей, генерируемых в самом начале алгоритма. После создания вектора его элементы запрашиваются в псевдослучайном порядке и комбинируются друг с другом для получения итогового ключа.

Так как алгоритм генерации вектора известен, в принципе возможна реализация scrypt, не требующая особенно много памяти, а высчитывающая каждый элемент в момент обращения. Однако вычисление элемента относительно сложно, и в процессе работы функции scrypt каждый элемент считывается много раз. В Scrypt заложен такой баланс между памятью и временем , что реализации, не использующие память, получаются слишком медленными.

Эта искусственно созданная сложность, весь этот трудоемкий вычислительный процесс и требования к памяти приводят к тому, что любое специализированное оборудование для Scrypt-майнинга не будет на порядки эффективнее универсальных устройств (GPU, CPU). В идеале, добыча монет, основанных на Scrypt, должна осуществляться на одном (или нескольких) компьютерах с большим количеством памяти. Здесь большое значение уделяется видеокартам. Если вы рассматриваете покупку видеокарт для майнинга с использованием Scrypt протокола, то наилучшим вариантом станет приобретение изделия от фирмы ATI. В силу архитектурных различий, производительность майнинга на видеокартах ATI сейчас гораздо выше, чем на Nvidia, хотя в будущем все может измениться.

В конечном счете, все сводится к следующему: протоколы SHA-256 и Scrypt работают ради одной цели – получить перебором «красивый хэш», который даст нам (или, скорее, пулу, на который мы работаем) право удлинить блокчейн и получить за это вознаграждения. Они просто решают поставленную задачу по-разному: в SHA-256 упор на технические возможности аппаратного обеспечения — чем выше производительность, тем лучше результат. А Scrypt требует в работе большой объем памяти. Соответственно, производительность напрямую зависит от размера оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и видеокарт, установленных в компьютере.

Самым известным альткойном из использующих в майнинге Scrypt является Litecoin. Есть и Dogecoin, Digitalcoin, Franco, Bottlecaps и многие другие. Популярность Scrypt-монет, особенно лайткойна, существенно возросла после того как биткойн-майнинг массово мигрировал на ASIC и бывшие майнеры с видеокартами остались не у дел — их оборудование не может конкурировать со специализированными комбайнами. Вот они и приспособили свои видюшки к лайткойн-майнингу, или к добыче другой экзотики, которую пока еще можно сбыть доверчивым горе-инвесторам, .

Крипто-танцы: Scrypt-Jane


Знакомьтесь – это Джейн! Нет, нет, она и Scrypt не состоят в браке, хотя между ними все же есть некие родственные отношения. Scrypt-Jane подобно любой другой девушке любит хорошо провести время. А ее способности к перемешиванию данных и приятели-алгоритмы унесут вас в самые экзотические места! Не понимаете? Сейчас все объясню.

Scypt-Jane поддерживает не менее трех различных систем поточного шифрования. Прежде всего, у нас есть Salsa20/8. Нет, это не латиноамериканский танец — на самом деле, это довольно простая функция. Основная ее работа заключается в приеме 192-байтной строки (из букв или цифр) и дальнейшем ее преобразовании в 64-байтную строку Salsa20 (х).

Непонятно, не так ли? Хорошо, постараюсь использовать меньше теории. Salsa20 состоит из двух частей: потокового шифра для шифрования данных (это, должно быть, звучит более знакомо) и функции сжатия (так называемый алгоритм Rumba20), предназначенной для сжимания строки в 192 байта до 64-байтного значения. Используя лексикон «чайника», можно сказать так: ваша строка может быть длиннее 64 байт, пока не сравняется со значением в 192 байта, при этом строка будет сжата (читай: конвертирована) до 64-байтной строки.

Теперь, когда мы немного разогрелись после сальсы и румбы, пришла пора вводить вторую функцию – ChaCha20. Честно, это не я выдумываю такие названия. ChaCha20 очень похож Salsa20: это такой же поточный шифр. И, тем не менее, он предлагает некоторые дополнительные услуги, такие как увеличение устойчивости к криптоанализу. Он также улучшает перемешивание данных на раунд. То есть, если вы занимаетесь добычей криптовалюты в составе майнерского пула, то вы можете увидеть, что один майнерский раунд (период времени, в течение которого пул находит один блок) может составлять либо длинный, либо короткий промежуток времени. Длительность подобных раундов частично зависит и от улучшенного перемешивания, предлагаемого ChaCha20 из Scrypt-Jane. Есть и другие факторы, влияющие на снижение времени раунда, но об этом позже.

И, наконец, последняя, но не менее важная третья функция перемешивания данных — Salsa6420/8. Сексуальное название, не так ли? Salsa6420/8 является доказательством правильности концепции 64-байтной версии Salsa20/8. Это просто улучшенная версия Salsa20/8, которая позволяет работать с более высокобайтными блоками. Я мог бы продолжить в том же духе выдавать подробную техническую информацию, но, боюсь, что половина из вас, мои дорогие читатели, уже заснула, а остальные принялись за игрушки на своих смартфонах, так что давайте не будем заострять на этом внимание. Просто помните о том, что у Scrypt-Jane имеется три отличных «миксовых партнера».

Но вернемся к реальности! Scrypt-Jane также поддерживает несколько хэш-функций. Одна из них уже очень хорошо известна всем нам – это SHA-256. Она также поддерживает более продвинутый вариант SHA-512. Другие поддерживаемые хэш-функции включают BLAKE256/512, Skein512 и Keccak256/512 (или просто SHA -3).

BLAKE256-512 отличается очень простой разработкой для применения и опирается на уже проанализированные нами компоненты: структуру HAIFA (не будем ее рассматривать в данный момент) и основную функцию ChaCha (которую мы затронули ранее). Наиболее характерные особенности BLAKE – это высокий запас надежности (довольно важная характеристика, но о ней не сейчас) и высокопроизводительная универсальность (что тоже очень важно для майнеров). Что нужно запомнить о BLAKE, так это то, что она может и будет работать быстрее, чем SHA- 2(56) на ряде платформ.

С другой стороны, у нас же есть Skein512. Тех, кто придумывает такие великолепные имена, нужно наградить медалью… Skein («лялька» в переводе на русский) представляет собой хэш-функцию, представленную на конкурсе криптографических хэш алгоритмов. Она сочетает в себе скорость, безопасность, простоту и гибкость. Все мы это очень любим, не так ли? Она также очень эффективна на различных платформах как в аппаратной, так и в программной среде. Вы можете найти алгоритм Skein и на маленьких смарт-картах, с которыми большинство из нас имеет большой опыт работы.

Да уж, танцевально-криптографическая терминология тут просто зубодробительная. Но хватит теории, давайте посмотрим на то, что Scrypt-Jane может сделать для нас. Scrypt-Jane имеет свой ​​собственный вариант масштабирования сложности проблем. Scrypt-Jane использует N-фактор (который является числом), и это число определяет количество памяти, необходимой для решения задач. Значение числа N-фактора возрастает через определенные промежутки времени. Обычно это происходит тогда, когда в блокчейне найдено определенное количество блоков. Всякий раз, когда это число N-фактора увеличивается, снижается эффективность добычи криптовалют, так как требуется все больший объем памяти на выполнение тех же задач. Говоря простым языком, количество выполненных задач снизится, то есть упадет и вероятность нахождения решения.

Scrypt-Jane первоначально была предназначена для майнинга только на процессорах CPU как еще более замороченная замена Scrypt. Но увы, доминирование CPU-майнинга и тут длилось недолго. Майнеры, работающие на GPU, как вороны кружили вокруг Scrypt-Jane монет, стремясь увеличить эффективность добычи и, соответственно, прибыль. Вы можете подумать, что даже в случае уменьшения прибыли, вы сможете вести добычу с GPU в течение более длительного времени по сравнению с майнингом на CPU? Боюсь, что вы ошибаетесь. В конце концов, значение N-фактора будет настолько высоко, что для добычи на Scrypt-Jane GPU будут менее эффективным, чем процессоры CPU. В связи с этим, Scrypt-Jane не так-то легко перевести в специализированный ASIC-майнинг, как SHA-256 или даже Scrypt.

Одной из первых Scrypt-Jane-монет, получивших некоторую популярность, была Yacoin (да, да, Yet Another Coin — «еще одна монета»), правда, популярность этой монеты быстро упала вместе с уменьшением интереса к ней майнеров. Совсем недавно мы были свидетелями появления монет, подобных Copperbars (эффективность майнинга на GPU также упала), и самые свежие дополнения к списку – это валюты TIX и Cryptonerd.

Далее везде

Три описанных алгоритма покрывают более 90% всего зоопарка криптовалют, но, конечно же, есть и другие. Чуть ли не еженедельно появляются предложения относительно все более новых и хитромудрых алгоритмов майнинга — все и не осветить. Из относительно новых можно упомянуть особо «асикоустойчивый» алгоритм , который собираются использовать в криптовалютной платформе нового поколения .

Надеемся, эта статья дала вам лучшее представление о том, что представляют из себя наиболее распространенные криптоалгоритмы майнинга. Если вы занимаетесь майнингом, вы теперь лучше понимаете, что именно происходит в недрах вашего гудящего и перегревающегося майнинг-комбайна, и на что конкретно уходит ваше электричество.

Ушедший 2017 год стал годом взрывной популярности криптовалют и такого же стремительного роста курса «главной» криптомонеты Bitcoin. Эти обстоятельства подогрели интерес не только к спекуляциям и майнингу, но и к самой сути явления. Все больше людей желают докопаться до сути – как же это все работает?

Мы открываем серию материалов, в которых постараемся в максимально доступной форме объяснить, что стоит за этими загадочными акронимами вроде Scrypt, SHA-256, Х11 и прочими. Начнем с важнейшего (но не самого лучшего) для мира криптовалют алгоритма — SHA-256. Именно он является основой разработки Bitcoin. Но перед этим определимся с ключевой терминологией – определим значения терминов «майнинг» и «хэш».

Что такое майнинг?

Вопреки распространенному мнению, майнинг – это не только и не столько добыча самих криптографических денежных знаков, сколько меры по защите этой самой криптовалюты от мошеннический действий. Речь не только о подделке – еще более важной является защита, к примеру, от повторного использования одним и тем же человеком одних и тех же монет. Заработок новых криптомонет при этом тесно сопряжен с их эмиссией и формируется из вознаграждения за нахождение нового блока, отвечающего условиям алгоритма майнинга.

То есть, для того, чтобы «появилась» очередная криптомонета, нужно провести целый комплекс сложнейших вычислений, и найти тот самый заветный «правильный» блок. Этим и занимаются энтузиасты на своем оборудовании. Схема сама себя поддерживает – чтобы повысить защиту криптовалюты и эмитировать новые единицы, необходим майнинг, а чтобы им был смысл заниматься, майнеры получают вознаграждение.

Вкратце, программное обеспечение для майнинга группирует совершенные прежде вычислительные операции в единый блок, который затем преобразовывается немыслимое количество раз для обнаружения хеш-кода особого вида. Обнаружить такой хеш-код, который бы отвечал требованиям алгоритма тем сложнее, чем больше участников вовлечено в процесс. «Правильный» хеш крайне редок, и его обнаружение сродни выигрышу в лотерею.

Что такое хэш?

Выше был упомянут далеко не каждому понятный термин «хеш». Это одно из фундаментальных понятий в шифровании вообще и в алгоритме SHA-256 в частности. Разъясним, что это значит, и пройдемся по важнейших сопутствующих моментах.

Итак, хеширование – это процесс превращения входящего набора данных произвольного объема в исходящую цифровую строку. Это превращение осуществляется по заранее разработанному алгоритму, а исходящая строка полностью уникальна, и служит неким «отпечатком» входящего массива. Именно эту строку и называют хеш-суммой, хеш-кодом или просто хешем. А алгоритм превращения – это хеш-функция.

Приведем пример. Мы можем «скормить» хеш-функции, скажем, текст романа в стихах А. С. Пушкина «Евгений Онегин», и получим на выходе шестнадцатеричный код приблизительно такого вида:. Обратно «развернуть» этот код и превратить его в «Евгения Онегина», конечно же, нельзя. Но стоит только в поэме поменять один-единственный знак, даже просто добавить один пробел, как результирующий хеш преобразится до неузнаваемости. Объем тоже никак не влияет на длину хеш-кода. Так, можно подать на вход функции один символ «а», и на выходе получится точно такой же набор псевдослучайных символов ровно такой же длины.

Теперь подробнее о том, зачем это нужно, и какие по ходу дела возникают сложности. Все интересующиеся темой знают, что майнинг криптовалют на протоколе SHA-256 может осуществляться посредством мощностей центрального процессора, графической карты или специализированного ASIC-устройства. Собственно, в разрезе Биткойна, первый способ уже совершенно не актуален, а майнинг видеокартами доживает свои последние времена. Слишком значительно возросла сложность вычислений, и полумеры уже не подходят.

В интерфейсе программного обеспечения для майнинга процессы преобразования блоков в хеш-суммы отображаются в виде лаконичной строки вида «Accepted 0aef59a3b». Блок может состоять из тысяч или даже сотен тысяч подобных строк, но только одна может служить той самой «подписью» блока, в поиске которой и заключается суть майнинга.

Поиск правильного хеша осуществляется простым перебором результатов решения огромного числа задач. В алгоритме SHA-256 «правильность» хеша определяется количеством нулей в начале хеш-суммы. Вероятность узнать такой хеш-код путем определенных алгоритмом вычислений ничтожно мала – один шанс на миллионы решений. Точная вероятность определяется текущим уровнем сложности в децентрализованной системе конкретной криптовалюты.

Примечательный факт. С алгоритмом SHA-256 каждый из нас неоднократно имел дело, сам того не подозревая, даже безотносительно майнинга криптовалют. Речь о сертификате безопасности SSL, которым защищены очень многие веб-сайты. При посещении такого сайта вы автоматически взаимодействуете с SHA-256, на котором построена работа SSL.

Особенности протокола SHA-256

Для начала немного истории. Изначально алгоритм шифрования SHA-256, вернее, его прототип, был придуман в стенах «зловещего» АНБ (Агентства национальной безопасности США) в теперь уже далеком 2002 году. Уже через пару месяцев он был видоизменен и официально представлен Национальным метрологическим университетом на федеральном уровне. Через два года вышла его вторая, усовершенствованная версия.

Последующие три года Агентство работало над улучшением алгоритма и в конце концов издало патент на его вторую редакцию. Это было сделано под лицензией Royalty-free, что и дало возможность применять новейшую технологию в «мирных» целях.

В конечном счете SHA-256 лег в основу создания первой в мире криптовалюты – Bitcoin. При этом протокол задействуется дважды для повышения защиты.

При проведении вычислений в рамках майнинга в системе Bitcoin признаком пригодности получаемого хеш-кода является число нулей в начале строки. По состоянию на конец 17-го, начало 18-го годов количество требуемых начальных нулей равно 17 (+/-). Вероятность обнаружения такого кода составляет приблизительно 1 к 1.4*10 20 . Это чудовищно малое число, не поддающееся осмыслению и сравнимое с вероятностью отыскать песчинку определенной формы на всех песчаных пляжах нашей планеты. Вот почему майнинг Биткойна требует таких огромных вычислительных мощностей и столько электроэнергии.

Не существует какого-либо способа оптимизировать поиск «правильного» хеша. В протоколе SHA-256 хеш-функция, принимая блок данных, выдает на выходе совершенно непредсказуемое значение. Поэтому нужна итерация (повторение) за итерацией, пока подходящий код не будет найден, еще раз подчеркнем – абсолютно случайным образом .

Теперь мы вынуждены немного «подгрузить» читателя сложной технической информацией, иначе наш рассказ о SHA-256 будет неполным. Если совсем ничего не понятно – просто переходите к следующему разделу статьи.

Работа протокола подразумевает разбиение информации на фрагменты по 512 бит каждый (или 64 байта, что то же самое, так как 1 байт = 8 бит). Затем происходит криптографическое «перемешивание» по заложенной в алгоритме схеме, и на выходе издается хеш-код размером в 256 бит. Операция хеширования производится в 64 итерации, что относительно немного, особенно на фоне новых появившихся криптографических алгоритмов.

Основные технические параметры SHA-256 следующие:

  • Размер блока: 64 байт;
  • Максимальная длина сообщения: 33 байт;
  • Размер результирующего хеш-кода: 32 байт;
  • Количество повторений в одном раунде: 64;
  • Максимальная скорость: около 140 MiB/s (мебибайт в секунду).

В своей работе алгоритм использует известную методику Меркла-Дамгарда, которая подразумевает разделение начального показателя на блоки сразу после внесения изменений. Блоки, в свою очередь, делятся на 16 слов каждый.

Массив данных проходит через раунд из 64 повторений. Каждое из них запускает процесс хеширования слов, составляющих блок. Пары слов обрабатываются функцией, после чего полученные результаты складываются, и получается корректный хеш-код. Каждый следующий блок вычисляется на основе значения предыдущего. Это безразрывный процесс – вычислять блоки отдельно друг от друга невозможно.

Эволюция SHA-256

Чтобы осознать криптографическую ценность данного алгоритма, снова обратимся к истории. Всерьез испытывать его на прочность начали практически сразу после создания – в 2003 году. Делом занимались профессионалы, но никаких уязвимостей или ошибок найдено не было.

Прошло целых пять лет, когда в 2008 году индийские эксперты все-таки смогли выявить коллизии для целых 22 итераций. Через несколько месяцев упорной работы было предложено успешное решение проблемы.

В ходе анализа работы функциональной части алгоритма тестировалась его устойчивость к двум видам возможных способов обрушения защиты:

  • через прообраз: имеется в виду обратное дешифрование изначального сообщения на основе только хеш-строки;
  • через обнаружение коллизий: здесь подразумеваются совпадение исходящих данных при условии различия входящих сообщений. То есть, входящие блоки разные, а исходящий хеш одинаков – такого быть не должно.

После того как первая версия SHA-256 провалила испытания по второму признаку, разработчики решили создавать новый механизм шифрования, основанный на кардинально иных принципах. Что и было сделано – в 2012 году был представлен протокол нового поколения, полностью лишенных вышеописанных недостатков.

Недостатки алгоритма

То, что разработчикам удалось исправить собственные ошибки, отнюдь не значит, что SHA-256 им получилось довести до совершенства. Протокол избавился от явных уязвимостей, но его «родные» недостатки остались.

Применение SHA-256 в качестве основы Биткойна стало возможным не в последнюю очередь благодаря тому, что само законодательство США лояльно относилось к этому протоколу. Его разрешалось применять для защиты данных в некоторых госпрограммах, а также допускалось использование в коммерческой сфере.

Отсюда и проистекает ирония судьбы – протокол создавался для одних целей, а наиболее широкое применение нашел в совершенно других. И для тех, первых целей он был более чем эффективным и целесообразным. А вот, для криптовалют оказался слишком простым. Шутка ли, когда в том же Китае уже существуют даже не фермы, а целые «заводы», забитые асик-майнерами.

Каждая итерация в рамках алгоритма выглядит довольно примитивно – элементарная двоичная операция плюс 32-разрядное сложение. Именно поэтому асики на SHA-256 появились столь молниеносно, умножив на ноль все надежды «домашних» майнеров, располагающих только процессором и парочкой видеокарт.

Времена и условия сильно меняются, и протоколу SHA-256 уверенно наступают на пятки другие, более совершенные решения. Тот же Scrypt в процессе вычислений фиксирует сначала 1024 разных хеш-строк, и только после этого проводит сложение и получает окончательный результат. Это несоизмеримо более сложная схема с высочайшими показателями защиты и безопасности криптовалюты.

Резюме

Алгоритм шифрования SHA-256 считался вполне эффективны и надежным до тех пор, пока не начался бум на криптовалюты. На сегодняшний день становится ясно, что на фоне новых решений он уже выглядит довольно слабо. Настолько, что это дало возможность создать специальные устройства, «заточенные» строго на его обход. Это и есть те самые ASIC-майнеры, которые фактически уничтожили майнинг на центральных процессорах и уже добивают майнинг на видеокартах.

Казалось бы, ничего плохого в этом нет – здоровая конкуренция ведь. Но на самом деле использование асиков довольно ощутимо централизует криптовалюту, тем самым нивелируя саму ее идею. Этот факт не мог не подтолкнуть талантливых энтузиастов к созданию новых, более совершенных алгоритмов хеширования. И они не заставили себя ждать.

Протокол SHA-256 на нынешний момент занимает львиную долю рынка криптовалют, но новые альтернативы его уже сейчас уверенно теснят. Например, вторая по популярности и «дороговизне» крипта – Ethereum использует протокол Ethash, который раньше назывался Dagger. Протокол настолько хорош, что Ethereum по сей день держит максимальную децентрализацию, и ASIC-майнеров для его добычи до сих пор не существует в природе. Возможно, именно Ethash придет на смену явно морально устаревшему SHA-256.

Одним из первых альтернативных алгоритмов стал Scrypt, на котором основана одна из самых популярных альткоинов – Litecoin. Это гораздо более продвинутое решение, которое уже не дает асикам таких бесспорных преимуществ. Тем не менее, сверхприбыли от майнинга заставили специалистов Поднебесной вложить массу усилий в разработку технологических решений под Scrypt, и асики на этом протоколе все-таки появились.

Если рассматривать майнинг с позиции обывателя, не искушенного в технических нюансах, то никакой разницы между алгоритмами Scrypt и SHA-256 он не почувствует. Асики на обоих протоколах выглядят почти одинаково, потребляют приблизительно столько же электроэнергии и совершенно одинаково завывают вентиляторами. Другое дело – курсы криптовалют, которые эти самые асики добывают, но это уже совсем другая история.

Следующий материал в рамках данной темы мы посвятим упомянутому альтернативному протоколу шифрования Scrypt.

Для чего создавался SHA — 256

SHA 256 — сокращение от Secure Hashing Algorithm — это популярный криптографический алгоритм хэширования , разработанный National Security Agency — Агентством национальной безопасности США . Задача SHA — 256 состоит в том , чтобы сделать из случайного набора данных определённые значения с фиксированной длиной , которое послужит идентификатором этих данных .

Полученное значение сравнивается с дубликатами исходных данных , извлечь которые невозможно . Основная сфера применения алгоритма — использование в различных приложениях или сервисах , связанных с защитой информации , где функция и получила широкое распространение . Также она используется как технология для майнинга криптовалют .

Этот алгоритм относится к группе шифровальных алгоритмов SHA — 2 , которые в свою очередь разработаны на базе алгоритма SHA — 1 , впервые созданного в 1995 году для использования в гражданских целях . Сам SHA — 2 разработан Агентством национальной безопасности США весной 2002 года. В течение трёх лет АНБ США выпустили патент на использование технологии SHA в гражданских проектах .

В 2012 году в Национальном институте стандартов и технологий создан обновлённый вариант алгоритма : SHA — 3 . Со временем новый алгоритм будет вытеснять как текущий основной алгоритм SHA — 2 , так и уже устаревший , но ещё используемый SHA — 1 .

Хэш — сумма не является технологией шифрования данных в классическом понимании , этим обусловлена невозможность расшифровки данных в обратную сторону . Это односторонняя шифровка для любого количества данных . Все алгоритмы SHA базируются на методе Меркла — Дамгарда : данные разделяют на равномерные группы , каждая из которых проходит через одностороннюю функцию сжатия . В результате этого длина данных уменьшается .

У такого метода есть два значительных достоинства :

  • быстрая скорость шифрования и практически невозможная расшифровка без ключей;
  • минимальный риск появления коллизий (одинаковых образов ).

Где ещё используется

Ежедневно каждый пользователь Сети , зная или нет , использует SHA — 256 : сертификат безопасности SSL , которым защищён каждый веб — сайт , включает в себя алгоритм SHA — 256 . Это необходимо для установления и аутентификации защищённого соединения с сайтом .

Плюсы SHA — 256

SHA — 256 — самый распространённый алгоритм майнинга среди всех остальных . Он зарекомендовал себя как устойчивый к взломам (за редким исключением ) и эффективный алгоритм как для задач майнинга , так и для других целей .

Минусы SHA — 256

Главным недостатком SHA — 256 является его подконтрольность майнерам : обладатели самых больших вычислительных мощностей получают большую часть криптовалюты , что исключает один из основополагающих принципов криптовалют — децентрализованность .

После того как крупные инвесторы начали вкладывать деньги в вычислительные мощности для промышленного майнинга биткоина , сложность майнинга многократно выросла и стала требовать исключительных вычислительных мощностей . Этот недостаток исправлен в других протоколах , более современных и « заточенных » под использование в майнинге криптовалют , таких как Scrypt . Несмотря на то, что сегодня SHA — 256 занимает большую часть рынка криптовалют , он будет ослаблять своё влияние в пользу более защищённых и продвинутых протоколов .

Через какое-то время алгоритмы SHA — 1 перестали давать необходимый уровень надёжности из — за вероятного возникновения коллизий . SHA — 256 , как и SHA — 512 более защищены от этого недостатка , но вероятность возникновения все равно присутствует .

Использование в криптовалютах

Майнинг на SHA — 256

Майнинг на SHA — 256 , как и на любом другом алгоритме — это процесс решения какой — либо сложной криптографической задачи , которую генерирует программа для майнинга на основе данных с предыдущих блоков .

Майнить с использованием функции SHA — 256 можно тремя способами :

  • CPU (центральный процессор );
  • GPU (графический процессор );
  • специализированный процессор : ASIC.

В майнинге хэш — сумма используется в качестве идентификатора уже имеющихся блоков и создания новых на основе предыдущих . Процесс майнинга отображается в интерфейсе в виде « accepted f33ae3bc9 …». Где f33ae3bc9 — это хэш — сумма , часть данных , предназначенная для дешифровки . Основной блок состоит из огромного количества подобных хэш — сумм .

То есть , майнинг с алгоритмом SHA — 256 представляет собой безостановочный подбор правильного значения хэш — суммы , перебор чисел для создания нового блока . Чем больше ваши вычислительные мощности , тем больше шансов получить правильный блок : скорость перебора различных хэш — сумм зависит от мощностей .

Ввиду того , что Bitcoin построен на алгоритме SHA — 256 , для конкурентоспособного майнинга на нём необходимы крайне большие вычислительные мощности . Это связано с тем , что для майнинга биткоина достаточно давно налажено производство « асиков » — application specific integrated circuit , т . е . интегральная схема специального назначения . Асики позволяют майнить биткоины и другие криптовалюты на алгоритме SHA — 256 гораздо быстрее , эффективнее и дешевле .

Какие криптовалюты используют алгоритм SHA — 256

SHA — 256 это классический алгоритм для криптовалют : на нем построена основная криптовалюта — Bitcoin . Соответственно , и в форках биткоина используется этот алгоритм : в Bitcoin Cash , Gold , Diamond .

Помимо них , SHA — 256 используется также в :

  • Steemit;
  • DigiByte;
  • PeerCoin;
  • NameCoin;
  • TeckCoin;
  • Ocoin;
  • Zetacoin;
  • EmerCoin.

Также алгоритм SHA-256 используется как подпрограмма в криптовалюте Litecoin, а основным алгоритмом для майнинга там является Scrypt.

 

 
Это интересно: