シャオミンの勉強ノート |マイニングプールの仕組みを1つの記事で理解する

編集者注: ブロックチェーンには、インターネットの基礎から神秘的な暗号化まで、さまざまな技術が関わっていますが、通貨の価格に注目する人が多く、技術を研究する人は少ない傾向にあります。強気相場では、誰もが暗号通貨を取引するために一生懸命勉強するでしょう。弱気相場では、どうせ何もすることはないですから、もっと勉強してもいいと思います。文系の学生である私には、もちろん理系の学生が愚かだと思うような疑問がたくさんあります。ジャーナリストである私にとって、業界内で物事を分かりやすい言葉で説明してくれる知識豊富な人を見つけることは難しくありませんし、彼らはたいてい私を面と向かって嫌うことはありません。

これはシャオミンの学習ノートの第6号です。他にも興味深い質問がある場合は、ぜひ投稿して質問してください。

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振り返ってみると、シャオミンの勉強ノートは毎週の更新から毎月の更新に変わり、この記事は以前のものと比較すると四半期ごとの更新と言えます。今の仕事は編集がメインなので、取材や執筆には記者を連れていくことが多く、一人で記事を書くことは少ないので、勉強ノートの更新はエンドレスになりそうです。

今回の問題はマイニングプールに関するものです。まず最初に、xDAG のコア開発者である Xie Rui に感謝したいと思います。彼はxDAG公式マイニングソフトウェアの設計者でもあります。彼は何年も前にこの分野について私に多くの知識を教えてくれました。

私がこの業界について初めて知ったのは、2017年にViaBTCにインタビューしたときでした。当時、ヤン・ハイポ氏は、マイニングプールはマイナーの同盟のようなもので、みんなが集まってマイニングを行うものだとまとめていました。これは確かにマイニングプールの非常に本質的かつ一般的な説明です。

ビットコインで生まれた PoW コンセンサス メカニズムのマイニング プロセスは、本質的には乱数の衝突であることは誰もが知っています。乱数を推測した人は、記録する権利を獲得し、このラウンドのブロックプロデューサーになることができます。ランダムな推測なので、単位時間内に推測する回数が増えるほど、正しく推測できる確率が高くなります。

専門的なマイニングマシンやその他の機器の登場により、ビットコイン、ライトコイン、その他の通貨のマイニング計算能力が向上しました。ほとんどのマイナーにとって、単独マイニングでコインを採掘することが困難になり、マイニングプールが誕生しました。マイニング プールは、分散しているマイナーやマイニング ファームを結集して共同でマイニングを行い、計算能力の割合に応じてマイナーに利益を分配する同盟のようなものです。これにより、コインのマイニングの確率が高まるだけでなく、マイナーの収入も安定します。同時に、マイニングプールが提供するテクノロジーもマイニング効率の低下につながります。

マイニングプールはマイナーにどのようなタスクを割り当てますか?

Shenyu はかつて、マイニングプールは実際には全員にタスクを割り当てていると結論付けました。しかし、もっと詳しく知りたいのですが、つまり、マイナーは正確に何を計算しているのでしょうか?マイニングプールはどのようにタスクを割り当てますか?

記事「マイニング プールとマイニング ファーム (マイニング プール) に関する簡単な説明」では、マイニング プロセスを説明する例が示されています。「マイニング プールは、ブロックの難易度を多数の小さなタスクに分割し、計算のためにマイナーに割り当てます。マイナーはタスクを完了すると、その結果をマイニング プールに送信します。これをシェアの送信と呼びます。ネットワークの難易度によって n の値が 100、つまり最初の 100 ビットが 0 であることが要求されると仮定すると、マイニング プールはマイナーにタスクを割り当て、最初の 30 ビットが 0 であることを求め、送信されたすべてのタスクから最初の 100 ビットがたまたま 0 であるターゲット値を探します。」

Xie Rui 氏は、理論的には、マイニング プールがマイナーにタスクを割り当てる方法は 2 つあると語りました。

1 つ目は、マイニング プールは単なるノードであり、トランザクションをパッケージ化するのはマイナーであるということです。マイニング プールはタスクの完全な情報をマイナーに提供し、マイナーはトランザクションをパッケージ化してブロードキャストします。マイナーは完全な情報を知っていますが、多くの情報を入力する必要があり、署名もマイナーによって署名されます。

2 番目のタイプのマイニング プール ノードは、結果の中間状態または不完全な情報を直接パッケージ化し、マイナーに提供し、マイナーは入力する必要のある情報を入力します。ブロックの最終的な組み立ては、マイニング プールによって行われます。マイナーはナンスをマイニングプールに送信し、署名はマイニングプールです。

「変わらないのは、マイニングプールとデータを同期する方法だけです。」

上記の 2 つの方法を見ると、ほとんどの商用マイニング プールが 2 番目の方法を選択し、マイニング収入の分配が署名に基づいていることは明らかです。私がマイナーであり、マイニングプールの所有者でもある場合、両者の間に違いはなく、最初のものを選択できます。

上記の nonce 値を見ると、少し混乱するかもしれません。これは実際には、PoW プロセス中に衝突するとよく言われる乱数であり、以下で説明します。

『Mastering Bitcoin』という本によると、マイニングの目的は、ブロック ヘッダー ハッシュを難易度目標よりも小さくする nonce を見つけることです。前提として、選択されたトランザクションが決定されている必要があります。この時点で、ビットコインのブロックヘッダー構造について学ぶ必要があります。

この表は「Mastering Bitcoin」より引用

ブロック ヘッダーでは、基本的に、マイニング ノードが変更できるのは、トランザクションと nonce の 2 つだけです。マイニングの目標はブロック ヘッダーのハッシュ値を目標値より小さくすることであるため、全体的な手順は基本的に次のようになります。パッケージ化するトランザクションを決定し、対応するマークル ツリーのルートを形成する - ノンスを推測する - ブロック ヘッダーにノンスを入れてハッシュする - それが目標ハッシュ値より小さいかどうか、つまり目標難易度より大きいかどうかを確認する。

したがって、基本的に、選択したトランザクションと nonce は、最終的なハッシュ値を「予測」するのに役立ちません (nonce 値が大きいほど、ブロック ヘッダー ハッシュが大きくなるか小さくなるとは限りません)。各ステップで推測することしかできません。他の人は一回で正解できるかもしれませんが、あなたは何万回も正解を推測してもまだ正解できません。あなたにできる唯一のことは、同じ時間内に他の人よりも多く推測することだけです。マイニングマシンはまさにこれを実行し、すべてのエネルギーを 1 つの作業に集中させています。

マイニングマシンのアンチAISC特性についてお話しましょう

マイニングマシンといえば、ASIC 耐性アルゴリズムは本当に存在するのかと尋ねました。 Xie Rui 氏は、一般的に ASIC に固有の耐性はないと考えていますが、アルゴリズムが異なると ASIC マイニング マシンの製造コストが高くなると考えています。

どの PoW 通貨にもマイニング アルゴリズム/ソフトウェアのセットがあり、ASIC チップはこのソフトウェアを回路に焼き付けます。最も初期のチップはすべて専用でした。たとえば、ラジオ内のチップはラジオに関連することしか実行できませんでした。 FPGA (Field Programmable Gate Array) は、プログラム可能なアレイです。シリコン チップに電圧を印加すると、AND ゲートを NOT ゲートに変えることができます。このタイプのチップは、より幅広い用途に使用できます。まず第一に、コストは ASIC よりも高くなります。より汎用性を高めるために冗長性は残っており、ASIC ほど効率的ではありません。そのため、今では誰もがコンピューターで設計し、FPGA で設計し、その後 ASIC を焼き付けることになります。同様に、GPU や CPU もさらに多くの種類の計算を実行できます。 FPGA が CPU や GPU よりも効率的である理由を知りたい場合は、この記事を参照してください。

なぜ冗長性があるのですか?仮定の例（正確ではありませんが、理解に役立ちます）を挙げてみましょう。たとえば、5+5 の場合、FPGA には 5 という概念がないため、1+1+1+1+1 とする必要がありますが、ASIC では 5+5 を直接計算できます。これは、Odaily Planet Dailyのインタビューで王家平氏が言ったことを思い出させます。「コンピューターの分野では、柔軟性/汎用性と効率性はしばしば矛盾します。」

「ASICの最大の強みは並列コンピューティングですが、FPGAはやや劣っています。実際、本質的には反ASICはありません。逆プロセスの各ステップをより困難にするだけです。たとえば、計算のためにメモリに物を入れる必要があります。たとえば、分散を計算する必要がある場合は、各データをメモリに入れる必要があります。GPUからFPGA、そしてASICまで、（ASIC）に必要なメモリチップはGPUの100倍になる可能性があります。（特定の通貨用のASICマイニングマシンを開発するかどうかは）コストと利益だけに依存します。」簡単に言えば、イーサリアムをマイニングするための ASIC マイニングマシンの開発は、ビットコイン用の ASIC マイニングマシンの開発よりも難しく、同時期に開発されたチップは、通常の CPU/GPU と比較して明らかな改善点がないことがわかります。ビットコインは数千倍、あるいは数十倍に増加したかもしれないし、イーサリアムは数倍、あるいは数十倍に増加したかもしれないが、その効果はそれだけの価値はない。

同様の分析は、Erduo Finance の次の一節のような公開情報にも見られます。

「イーサリアムは、以前はダガーアルゴリズム（Vitailkによって発明）として知られていたEthashアルゴリズムを使用しており、これはASICマイナーに対抗するように設計されています。ASICマイナーに対抗するにはどうすればよいでしょうか？マイニングをメモリ帯域幅とバンドルすることで、つまり他のハードウェアのコンピューティングの利点を減らすことで、マイニング機器の平等という概念が実現されます。」

Ethash アルゴリズムは ASIC マイニング マシンの出現を阻止することはできず、出現時期を遅らせただけです。

メモリ帯域幅をバインドすると、メモリ帯域幅の速度を上げることで計算能力を高めることができるか、同じメモリ帯域幅の速度で消費電力を削減できることを意味します。しかし、現在のメモリ帯域幅の価格は高すぎ、ETH の価格は低すぎます。コストを考慮すると、ASIC マイニング マシンは GPU に比べて費用対効果が高くありません。

Litecoin は、暗号学者でありプログラマーでもある Colin Percival が 2009 年の論文「Stronger Key Derivation via Sequential Memory-hard Functions」で発明した scrypt アルゴリズムを使用しています。この原理は Ethash と似ており、どちらもマイニング中のメモリ使用コストを増加させ、ASIC マイニング マシンの出現を遅らせます。

2014 年、Zeusminer は scrypt アルゴリズム専用の ASIC マイニング マシンを開発しました。これは、特定のハードウェア (メモリなど) をバインドしてマイニング コストを増加させることで、ASIC マイニング マシンを完全に排除する方法がないことも示しています。 ”

ASIC 耐性があると主張する現在のマイニング アルゴリズムのほとんどは、メモリとコンピューティングをバンドルしています。

イーサリアムの中国のウェブサイトでは、さまざまな PoW アルゴリズムに ASIC を導入した後のマイニング効率の成長倍数も整理されています。

SHA256: 約1000回

ScryptとNeoScrypt: 約1000倍

X11とX16R: 約1000倍

Equihash: 約100倍

カッコウ周期：約100回

CryptoNight 約50回

エタッシュ：約2倍

マイニングプールの利益分配モデル

最後に、マイニングプールの利益分配モデルについて簡単に説明します。実際、これは多くの記事で説明されています。マイニング プールの割り当てモデルには、主に 2 つのタイプがあります。

1 つ目は、実際のブロック生成状況に応じてコインを分割することです。一定期間内に、マイニング プールは可能な限り多くのブロックをマイニングし、計算能力の割合に応じてマイニング収入 (通常は手数料を除く) を分配します。

この方式の期間は、一般的にブロックをマイニングするのにかかる時間に基づいており、つまり、2 つのブロックをマイニングするのにかかる時間内で、計算能力の分配比率に応じて利益が分配されます。毎日決済することも可能です。参加しているマイニングプールに複数のブロックがある場合、その日の利益は非常に高くなります。マイニングプールが 1 日でブロックをマイニングしなかった場合、その日は誰も利益を得ることができません。これは PPLNS (Pay Per Last N Shares) と呼ばれます。

2 番目の方法は、理論上の価値に応じてコインを分配することです。一定期間内 (通常は 1 日) に、マイニング プールは理論的には一定の収益を得ることができ、マイナーには計算能力の割合に応じてお金が分配されます。この方法は以前の方法よりも安定しています。

この記事の例を使ってみましょう。ある 10 分間に、マイニング プールに 1 T の計算能力を提供したとします。当時、マイニングプールの総計算能力は100T、ネットワーク全体の計算能力は1000Tでした。ビットコインネットワークは平均10分ごとに1つのブロックを生成し、ブロック報酬は12.5BTCです。マイニング プールは、ネットワーク全体の総計算能力の 10 分の 1 を占めます。マイニングプールの収益の期待値は 1.25 BTC です。あなたの計算能力は、マイニング プールの計算能力の 1% を占めます。マイニングプールがブロックをマイニングするかどうかに関係なく、理論上は収益は 1.25 BTC になります。これをPPS（Pay Per Share）と呼びます。 PPS モデルではマイニングプールがリスクを負うため、手数料率が高くなります。

ここまでで、マイニングプールの基礎知識は基本的に紹介されました。ふと、最近読んだ記事（新年前にインタビューしたのですが…）を思い出し、イーサリアムの空ブロック率がかなり上昇していることに気づきました。また、マイニングプールに、なぜ空のブロックをマイニングしたいのかを尋ねました。私が得た答えは、時間を節約するためでした。「空のブロックをマイニングする利点は、データを同期したりダウンロードしたりする必要がなく、アップロードが高速になることです。（ただし）短期間にブロックが多すぎると、難易度が高くなります。」

さらに詳しく知りたい場合は、「ポピュラーサイエンス入門 | 空ブロックとは何か？なぜマイナーは空ブロックを採掘するのか？」という記事を参照してください。

「空ブロックマイニング技術の唯一の利点は、空ブロックには情報が 1 つしか含まれていないため、空ブロックマイナーが大量の情報を「パッケージ化」する時間を節約できることです。これにより、空ブロックマイナーは、このブロックをマイニングした後すぐに次のブロックのマイニングを開始できます。

大規模なマイニング ファームやマイニング プール レベルのハードウェアの場合、この操作で節約できるのは数秒だけですが、大規模なマイニング プールの数秒あたりの計算能力は 1 秒あたり数百万であり、これは決して誇張ではありません。

一般的に言えば、マイニング プールは空のブロックをマイニングすることを好みません。結局のところ、ほんの少しの時間を節約しても、利益の 6% から 8% に見合うわけではありません。

最後に、ブロックチェーンネットワークのメンテナンスの問題があります。大量のブロックが空ブロックになると、伝達すべき情報が循環できず、ブロックチェーンネットワークに大きな混雑が生じることになります。混雑によりブロックチェーンネットワークのパフォーマンスが低下すると、デジタル通貨の価格が下がる可能性があります。

現在、イーサリアムの空ブロック率が増加しており、これは今後のマイニング収入の減少に関係している可能性があります。人々は、1 つのブロックに対して 3 つのイーサリアムが報酬として与えられる一方で、さらにマイニングして保管したいと考えています。 ”