خوارزميات التعدين: استكشاف أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة في البلوك تشين

تعد أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة مكونًا أساسيًا للعديد من شبكات البلوك تشين، وخاصة تلك التي تستخدم آليات إجماع إثبات العمل (PoW). تعتمد هذه الأنظمة على وظائف التجزئة المشفرة لتأمين البلوك تشين والتأكد من أن المعاملات صالحة ومقاومة للتلاعب. تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة، ومبادئها الأساسية، وتفاصيل التنفيذ، والاعتبارات الأمنية، والاتجاهات المتطورة.

فهم وظائف التجزئة المشفرة

يكمن في قلب أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة وظيفة التجزئة المشفرة. وظيفة التجزئة المشفرة هي خوارزمية رياضية تأخذ كمية عشوائية من البيانات كمدخلات ("الرسالة") وتنتج مخرجات ذات حجم ثابت ("التجزئة" أو "ملخص الرسالة"). تمتلك هذه الوظائف العديد من الخصائص الحاسمة التي تجعلها مناسبة لتأمين شبكات البلوك تشين:

• حتمية: بالنظر إلى نفس الإدخال، ستنتج وظيفة التجزئة دائمًا نفس الإخراج.
• مقاومة الصورة المسبقة: من المستحيل حسابيًا العثور على الإدخال (الرسالة) الذي ينتج إخراج تجزئة معين. يُعرف هذا أيضًا باسم خاصية الاتجاه الواحد.
• مقاومة الصورة المسبقة الثانية: بالنظر إلى إدخال x، من المستحيل حسابيًا العثور على إدخال y مختلف بحيث hash(x) = hash(y).
• مقاومة التصادم: من المستحيل حسابيًا العثور على إدخالين مختلفين x و y بحيث hash(x) = hash(y).

تتضمن وظائف التجزئة شائعة الاستخدام في البلوك تشين SHA-256 (خوارزمية التجزئة الآمنة 256 بت)، والتي تستخدمها Bitcoin، و Ethash، وهي نسخة معدلة من وظيفة تجزئة Keccak، والتي كانت تستخدمها Ethereum سابقًا (قبل انتقالها إلى إثبات الحصة).

شرح إثبات العمل (PoW)

إثبات العمل (PoW) هي آلية إجماع تتطلب من المشاركين في الشبكة (عمال المناجم) حل لغز صعب حسابيًا من أجل إضافة كتل جديدة إلى البلوك تشين. يتضمن هذا اللغز عادةً العثور على nonce (رقم عشوائي) ، عند دمجه مع بيانات الكتلة وتجزئته، ينتج قيمة تجزئة تفي بمعايير معينة (مثل، وجود عدد معين من الأصفار البادئة).

عملية التعدين في PoW

1. جمع المعاملات: يقوم عمال المناجم بجمع المعاملات المعلقة من الشبكة وتجميعها في كتلة.
2. بناء رأس الكتلة: يحتوي رأس الكتلة على بيانات وصفية حول الكتلة، بما في ذلك:
• تجزئة الكتلة السابقة: تجزئة الكتلة السابقة في السلسلة، وربط الكتل معًا.
• جذر Merkle: تجزئة تمثل جميع المعاملات في الكتلة. تلخص شجرة Merkle بكفاءة جميع المعاملات، مما يسمح بالتحقق دون الحاجة إلى معالجة كل معاملة على حدة.
• الطابع الزمني: الوقت الذي تم فيه إنشاء الكتلة.
• هدف الصعوبة: يحدد الصعوبة المطلوبة للغز PoW.
• Nonce: رقم عشوائي يقوم عمال المناجم بتعديله للعثور على تجزئة صالحة.
3. التجزئة والتحقق: يقوم عمال المناجم بشكل متكرر بتجزئة رأس الكتلة بقيم nonce مختلفة حتى يجدوا تجزئة أقل من أو تساوي هدف الصعوبة.
4. بث الكتلة: بمجرد أن يجد عامل المنجم nonce صالحًا، فإنه يبث الكتلة إلى الشبكة.
5. التحقق: تتحقق العقد الأخرى في الشبكة من صلاحية الكتلة عن طريق إعادة حساب التجزئة والتأكد من أنها تفي بهدف الصعوبة.
6. إضافة الكتلة: إذا كانت الكتلة صالحة، فإن العقد الأخرى تضيفها إلى نسختها من البلوك تشين.

دور هدف الصعوبة

يتم تعديل هدف الصعوبة ديناميكيًا للحفاظ على معدل إنشاء كتلة ثابت. إذا تم إنشاء الكتل بسرعة كبيرة، فسيتم زيادة هدف الصعوبة، مما يجعل العثور على تجزئة صالحة أكثر صعوبة. على العكس من ذلك، إذا تم إنشاء الكتل ببطء شديد، فسيتم تقليل هدف الصعوبة، مما يسهل العثور على تجزئة صالحة. تضمن آلية التعديل هذه استقرار وأمان البلوك تشين.

على سبيل المثال، تستهدف Bitcoin متوسط ​​وقت إنشاء كتلة يبلغ 10 دقائق. إذا انخفض متوسط ​​الوقت عن هذا الحد، فسيتم زيادة الصعوبة تناسبيًا.

الاعتبارات الأمنية في أنظمة PoW القائمة على التجزئة

يعتمد أمان أنظمة PoW القائمة على التجزئة على الصعوبة الحسابية للعثور على تجزئة صالحة. يتطلب الهجوم الناجح من المهاجم التحكم في جزء كبير من قوة التجزئة للشبكة، والمعروف باسم هجوم 51٪.

هجوم 51٪

في هجوم 51٪، يسيطر المهاجم على أكثر من نصف قوة التجزئة للشبكة. هذا يسمح لهم بما يلي:

• إنفاق العملات المعدنية المزدوج: يمكن للمهاجم إنفاق عملاته المعدنية، ثم إنشاء نسخة خاصة من البلوك تشين حيث لا يتم تضمين المعاملة. يمكنهم بعد ذلك تعدين الكتل على هذه النسخة الخاصة حتى تصبح أطول من السلسلة الرئيسية. عندما يطلقون نسختهم الخاصة، ستتحول الشبكة إلى السلسلة الأطول، مما يؤدي فعليًا إلى عكس المعاملة الأصلية.
• منع تأكيدات المعاملات: يمكن للمهاجم منع تضمين معاملات معينة في الكتل، وبالتالي فرض رقابة عليها بشكل فعال.
• تعديل سجل المعاملات: على الرغم من صعوبة ذلك للغاية، يمكن للمهاجم من الناحية النظرية إعادة كتابة أجزاء من سجل البلوك تشين.

ينخفض ​​احتمال نجاح هجوم 51٪ بشكل كبير مع زيادة قوة التجزئة للشبكة وتصبح أكثر توزيعًا. تصبح تكلفة الحصول على هذا القدر الكبير من قوة التجزئة وصيانته باهظة للغاية بالنسبة لمعظم المهاجمين.

نقاط الضعف في خوارزمية التجزئة

على الرغم من أنه من غير المحتمل إلى حد كبير، إلا أن نقاط الضعف في خوارزمية التجزئة الأساسية يمكن أن تعرض أمان النظام بأكمله للخطر. إذا تم اكتشاف عيب يسمح بالعثور الفعال على التصادم، فيمكن للمهاجم التلاعب بالبلوك تشين. هذا هو السبب في أنه من الضروري استخدام وظائف تجزئة راسخة ومختبرة بدقة مثل SHA-256.

مزايا أنظمة PoW القائمة على التجزئة

على الرغم من الانتقادات المتعلقة باستهلاك الطاقة، تقدم أنظمة PoW القائمة على التجزئة العديد من المزايا:

• الأمان: ثبت أن PoW هي آلية إجماع آمنة للغاية، تحمي من الهجمات المختلفة، بما في ذلك هجمات Sybil والإنفاق المزدوج.
• اللامركزية: تعزز PoW اللامركزية من خلال السماح لأي شخص لديه قوة حوسبة كافية بالمشاركة في عملية التعدين.
• البساطة: المفهوم الأساسي لـ PoW بسيط نسبيًا للفهم والتنفيذ.
• سجل حافل: تعتمد Bitcoin ، أول وأنجح عملة مشفرة، على PoW ، مما يدل على قابليتها للاستمرار على المدى الطويل.

عيوب أنظمة PoW القائمة على التجزئة

العيوب الرئيسية لأنظمة PoW القائمة على التجزئة هي استهلاكها العالي للطاقة.

• استهلاك عالي للطاقة: تتطلب PoW قوة حسابية كبيرة، مما يؤدي إلى استهلاك كبير للكهرباء. وقد أثار هذا مخاوف بيئية ودفع إلى تطوير آليات إجماع أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. أصبحت دول مثل أيسلندا، التي لديها وفرة من الطاقة الحرارية الأرضية، ومناطق في الصين (قبل الحظر المفروض على تعدين العملات المشفرة) مراكز لعمليات التعدين بسبب انخفاض تكاليف الكهرباء.
• مركزية قوة التعدين: بمرور الوقت، أصبح التعدين يتركز بشكل متزايد في تجمعات تعدين كبيرة، مما يثير مخاوف بشأن المركزية المحتملة وتأثير هذه التجمعات على الشبكة.
• مشكلات قابلية التوسع: يمكن أن تحد PoW من إنتاجية معاملات البلوك تشين. على سبيل المثال، تحد قيود حجم الكتلة ووقت الكتلة لـ Bitcoin من عدد المعاملات التي يمكن معالجتها في الثانية.

بدائل PoW القائمة على التجزئة

ظهرت العديد من آليات الإجماع البديلة لمعالجة قيود PoW ، بما في ذلك:

• إثبات الحصة (PoS): تحدد PoS المدققين بناءً على كمية العملة المشفرة التي يحتفظون بها وهم على استعداد "للمساهمة" بها كضمان. المدققون مسؤولون عن إنشاء كتل جديدة والتحقق من صحة المعاملات. تستهلك PoS طاقة أقل بكثير من PoW ويمكن أن توفر أوقات تأكيد أسرع للمعاملات.
• إثبات الحصة المفوض (DPoS): يسمح DPoS لحاملي الرموز بتفويض قوتهم التصويتية إلى مجموعة أصغر من المدققين (المفوضين). المفوضون مسؤولون عن إنشاء كتل جديدة ويتم تعويضهم عن عملهم. يوفر DPoS إنتاجية عالية للمعاملات وكفاءة في استخدام الطاقة.
• إثبات السلطة (PoA): تعتمد PoA على مجموعة من المدققين المعتمدين مسبقًا والذين هم مسؤولون عن إنشاء كتل جديدة. PoA مناسبة للبلوك تشين الخاصة أو المرخصة حيث يتم إنشاء الثقة بين المدققين.

الاتجاهات المتطورة في أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة

يبحث الباحثون والمطورون باستمرار عن طرق لتحسين كفاءة وأمن أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة. تتضمن بعض الاتجاهات الحالية ما يلي:

• مقاومة ASIC: تُبذل جهود لتطوير خوارزميات PoW المقاومة لدوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASICs). ASICs عبارة عن أجهزة متخصصة مصممة خصيصًا للتعدين ، مما قد يؤدي إلى مركزية قوة التعدين. تم تصميم خوارزميات مثل CryptoNight و Equihash لتكون مقاومة لـ ASIC ، على الرغم من أنه تم تطوير ASICs في النهاية للعديد من هذه الخوارزميات أيضًا.
• خوارزميات التعدين الموفرة للطاقة: يستكشف الباحثون خوارزميات PoW جديدة تتطلب استهلاكًا أقل للطاقة. تتضمن الأمثلة ProgPoW (إثبات العمل البرنامجي) ، المصمم لتسوية الملعب بين وحدات معالجة الرسومات (GPU) وعمال تعدين ASIC ، والخوارزميات التي تستفيد من موارد الحوسبة الخاملة.
• آليات الإجماع الهجينة: الجمع بين PoW وآليات إجماع أخرى ، مثل PoS ، للاستفادة من نقاط القوة في كلا النهجين. على سبيل المثال ، تستخدم بعض سلاسل الكتل PoW لتهيئة الشبكة ثم الانتقال إلى PoS.

أمثلة واقعية

تستخدم العديد من العملات المشفرة ومنصات البلوك تشين أنظمة إثبات قائمة على التجزئة:

• Bitcoin (BTC): تستخدم Bitcoin ، العملة المشفرة الأصلية والأكثر شهرة ، SHA-256 لخوارزمية PoW الخاصة بها. يتم الحفاظ على أمان Bitcoin من خلال شبكة واسعة من عمال المناجم الموزعين عالميًا.
• Litecoin (LTC): تستخدم Litecoin خوارزمية تجزئة Scrypt ، التي صممت في البداية لتكون مقاومة لـ ASIC.
• Dogecoin (DOGE): تستخدم Dogecoin أيضًا خوارزمية Scrypt.
• Ethereum (ETH): استخدمت Ethereum في البداية Ethash ، وهي نسخة معدلة من وظيفة تجزئة Keccak ، لخوارزمية PoW الخاصة بها قبل الانتقال إلى إثبات الحصة.

رؤى قابلة للتنفيذ

بالنسبة للأفراد والمؤسسات المهتمة بتقنية البلوك تشين ، فإن فهم أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة أمر ضروري. فيما يلي بعض الأفكار القابلة للتنفيذ:

• ابق على اطلاع بأحدث التطورات في آليات الإجماع. يتطور مشهد البلوك تشين باستمرار ، مع ظهور خوارزميات وأساليب جديدة بانتظام.
• قم بتقييم المفاضلات بين آليات الإجماع المختلفة. ضع في اعتبارك خصائص الأمان وكفاءة الطاقة وقابلية التوسع واللامركزية لكل نهج.
• ضع في اعتبارك التأثير البيئي لـ PoW. إذا كان استهلاك الطاقة مصدر قلق ، فاستكشف آليات إجماع بديلة أو ادعم المبادرات التي تعزز ممارسات التعدين المستدامة.
• فهم المخاطر المرتبطة بمركزية قوة التعدين. دعم المبادرات التي تعزز نظامًا بيئيًا للتعدين أكثر توزيعًا ولامركزية.
• للمطورين: اختبر وراجع بدقة تطبيقات خوارزمية التجزئة الخاصة بك للتأكد من أنها آمنة ومقاومة للهجمات.

الخلاصة

لعبت أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة ، وخاصة إثبات العمل ، دورًا حاسمًا في تأمين شبكات البلوك تشين وتمكين إنشاء عملات مشفرة لامركزية. في حين أن PoW واجهت انتقادات بسبب استهلاكها العالي للطاقة ، إلا أنها تظل آلية إجماع مثبتة وموثوقة. مع استمرار تطور صناعة البلوك تشين ، تركز جهود البحث والتطوير المستمرة على تحسين كفاءة وأمن واستدامة أنظمة الإثبات القائمة على التجزئة واستكشاف آليات إجماع بديلة. يعد فهم هذه الأنظمة أمرًا بالغ الأهمية لأي شخص مشارك أو مهتم بمستقبل تقنية البلوك تشين.