Kaevandamisalgoritmid: Räsipõhiste tõestussüsteemide uurimine plokiahelas

Räsipõhised tõestussüsteemid on paljude plokiahelavõrkude, eriti nende, mis kasutavad töö tõestuse (Proof-of-Work ehk PoW) konsensusmehhanisme, oluline komponent. Need süsteemid tuginevad krüptograafilistele räsifunktsioonidele, et tagada plokiahela turvalisus ja tehingute kehtivus ning võltsimiskindlus. See artikkel annab põhjaliku ülevaate räsipõhistest tõestussüsteemidest, nende aluspõhimõtetest, juurutamise üksikasjadest, turvalisuse kaalutlustest ja arenevatest suundumustest.

Krüptograafiliste räsifunktsioonide mõistmine

Räsipõhiste tõestussüsteemide keskmes on krüptograafiline räsifunktsioon. Krüptograafiline räsifunktsioon on matemaatiline algoritm, mis võtab sisendiks suvalise koguse andmeid ("sõnum") ja annab väljundiks fikseeritud suurusega tulemuse ("räsi" või "sõnumikokkuvõte"). Neil funktsioonidel on mitu olulist omadust, mis muudavad need sobivaks plokiahelavõrkude turvamiseks:

• Deterministlikkus: Antud sama sisendi korral annab räsifunktsioon alati sama väljundi.
• Eel-kujutise vastupanu (Pre-image resistance): On arvutuslikult teostamatu leida sisendit (sõnumit), mis annaks teatud räsiväljundi. Seda tuntakse ka ühesuunalise omadusena.
• Teise eel-kujutise vastupanu (Second pre-image resistance): Antud sisendi x korral on arvutuslikult teostamatu leida teist sisendit y nii, et hash(x) = hash(y).
• Kokkupõrke vastupanu (Collision resistance): On arvutuslikult teostamatu leida kahte erinevat sisendit x ja y nii, et hash(x) = hash(y).

Plokiahelas laialdaselt kasutatavate räsifunktsioonide hulka kuuluvad SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), mida kasutab Bitcoin, ja Ethash, Keccak räsifunktsiooni modifitseeritud versioon, mida kasutas varem Ethereum (enne üleminekut Proof-of-Stake'ile).

Töö tõestus (PoW) selgitus

Töö tõestus (Proof-of-Work ehk PoW) on konsensusmehhanism, mis nõuab võrgu osalejatelt (kaevandajatelt) arvutuslikult keerulise mõistatuse lahendamist, et lisada plokiahelasse uusi plokke. See mõistatus hõlmab tavaliselt nonce'i (juhusliku arvu) leidmist, mis koos ploki andmetega räsitud kujul annab räsiväärtuse, mis vastab teatud kriteeriumidele (nt teatud arvu algavate nullidega).

Kaevandamise protsess PoW-s

1. Tehingute kogumine: Kaevandajad koguvad võrgust ootel olevad tehingud ja koondavad need plokiks.
2. Ploki päise koostamine: Ploki päis sisaldab ploki metaandmeid, sealhulgas:
• Eelmise ploki räsi: Ahela eelmise ploki räsi, mis seob plokid omavahel.
• Merkle'i juur: Räsi, mis esindab kõiki ploki tehinguid. Merkle'i puu võtab kõik tehingud tõhusalt kokku, võimaldades kontrolli ilma iga üksiku tehingu töötlemise vajaduseta.
• Ajalõik (Timestamp): Ploki loomise aeg.
• Raskuse sihtmärk (Difficulty Target): Määratleb PoW mõistatuse nõutava raskuse.
• Nonce: Juhuslik number, mida kaevandajad muudavad kehtiva räsi leidmiseks.
3. Räsimine ja valideerimine: Kaevandajad räsivad korduvalt ploki päist erinevate nonce'i väärtustega, kuni nad leiavad räsi, mis on väiksem või võrdne raskuse sihtmärgiga.
4. Ploki levitamine: Kui kaevandaja leiab kehtiva nonce'i, levitab ta ploki võrku.
5. Kontrollimine: Teised võrgu sõlmed kontrollivad ploki kehtivust, arvutades räsi uuesti ja veendudes, et see vastab raskuse sihtmärgile.
6. Ploki lisamine: Kui plokk on kehtiv, lisavad teised sõlmed selle oma plokiahela koopiasse.

Raskuse sihtmärgi roll

Raskuse sihtmärk kohandub dünaamiliselt, et säilitada ühtlane ploki loomise kiirus. Kui plokke luuakse liiga kiiresti, suurendatakse raskuse sihtmärki, muutes kehtiva räsi leidmise raskemaks. Vastupidi, kui plokke luuakse liiga aeglaselt, vähendatakse raskuse sihtmärki, muutes kehtiva räsi leidmise lihtsamaks. See kohandamismehhanism tagab plokiahela stabiilsuse ja turvalisuse.

Näiteks Bitcoinil on eesmärgiks keskmine ploki loomise aeg 10 minutit. Kui keskmine aeg langeb alla selle läve, suurendatakse raskust proportsionaalselt.

Turvalisuse kaalutlused räsipõhistes PoW süsteemides

Räsipõhiste PoW süsteemide turvalisus tugineb kehtiva räsi leidmise arvutuslikule raskusele. Edukas rünnak eeldaks, et ründaja kontrollib olulist osa võrgu räsivõimsusest, mida tuntakse 51% rünnakuna.

51% rünnak

51% rünnakus kontrollib ründaja rohkem kui poolt võrgu räsivõimsusest. See võimaldab neil:

• Topeltkulutamine: Ründaja saab oma münte kulutada, seejärel luua plokiahela privaatse haru, kuhu tehingut ei kaasata. Seejärel saavad nad sellel privaatsel harul plokke kaevandada, kuni see muutub pikemaks kui peahela. Kui nad oma privaatse haru avaldavad, lülitub võrk pikemale ahelale, tühistades seega algse tehingu.
• Tehingute kinnituste takistamine: Ründaja saab takistada teatud tehingute lisamist plokkidesse, tsenseerides neid tõhusalt.
• Tehingute ajaloo muutmine: Kuigi see on äärmiselt keeruline, võiks ründaja teoreetiliselt plokiahela ajaloo osi ümber kirjutada.

Eduka 51% rünnaku tõenäosus väheneb eksponentsiaalselt, kui võrgu räsivõimsus suureneb ja muutub hajutatumaks. Nii suure räsivõimsuse omandamise ja hoidmise kulud muutuvad enamiku ründajate jaoks ülemäära kalliks.

Räsimise algoritmi haavatavused

Kuigi see on väga ebatõenäoline, võivad aluseks olevas räsimise algoritmis esinevad haavatavused ohustada kogu süsteemi turvalisust. Kui avastatakse viga, mis võimaldab tõhusat kokkupõrgete leidmist, võiks ründaja potentsiaalselt plokiahelat manipuleerida. Seepärast on ülioluline kasutada hästi väljakujunenud ja rangelt testitud räsifunktsioone nagu SHA-256.

Räsipõhiste PoW süsteemide eelised

Vaatamata energiatarbimise kriitikale pakuvad räsipõhised PoW süsteemid mitmeid eeliseid:

• Turvalisus: PoW on osutunud väga turvaliseks konsensusmehhanismiks, mis kaitseb erinevate rünnakute, sealhulgas Sybili rünnakute ja topeltkulutamise vastu.
• Detsentraliseerimine: PoW edendab detsentraliseerimist, võimaldades igaühel piisava arvutusvõimsusega kaevandamisprotsessis osaleda.
• Lihtsus: PoW aluspõhimõtet on suhteliselt lihtne mõista ja rakendada.
• Tõestatud tulemused: Bitcoin, esimene ja edukaim krüptoraha, tugineb PoW-le, demonstreerides selle pikaajalist elujõulisust.

Räsipõhiste PoW süsteemide puudused

Räsipõhiste PoW süsteemide peamine puudus on nende suur energiatarbimine.

• Suur energiatarbimine: PoW nõuab märkimisväärset arvutusvõimsust, mille tulemuseks on suur elektritarbimine. See on tekitanud keskkonnaprobleeme ja ajendanud arendama energiatõhusamaid konsensusmehhanisme. Riikidest said kaevandamiskeskused Island (rikkaliku geotermilise energiaga) ja Hiina piirkonnad (enne krüptoraha kaevandamise keeldu) madalamate elektrikulude tõttu.
• Kaevandamisvõimsuse tsentraliseerimine: Aja jooksul on kaevandamine üha enam koondunud suurtesse kaevandamisbasseinidesse, tekitades muret võimaliku tsentraliseerimise ja nende basseinide mõju pärast võrgule.
• Skaleeritavuse probleemid: PoW võib piirata plokiahela tehingute läbilaskevõimet. Näiteks Bitcoini ploki suurus ja ploki aja piirangud piiravad sekundis töödeldavate tehingute arvu.

Alternatiivid räsipõhisele PoW-le

PoW piirangutega tegelemiseks on tekkinud mitmeid alternatiivseid konsensusmehhanisme, sealhulgas:

• Proof-of-Stake (PoS) ehk osaluse tõestus: PoS valib valideerijad nende krüptoraha hulga alusel, mida nad omavad ja on nõus tagatisena "panema". Valideerijad vastutavad uute plokkide loomise ja tehingute valideerimise eest. PoS tarbib oluliselt vähem energiat kui PoW ja pakub kiiremaid tehingute kinnitusaegu.
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS) ehk delegeeritud osaluse tõestus: DPoS võimaldab tokenihoidjatel delegeerida oma hääleõiguse väiksemale valideerijate (delegaatide) rühmale. Delegaadid vastutavad uute plokkide loomise eest ja saavad oma töö eest tasu. DPoS pakub suurt tehingute läbilaskevõimet ja energiatõhusust.
• Proof-of-Authority (PoA) ehk volituse tõestus: PoA tugineb eelnevalt heakskiidetud valideerijate rühmale, kes vastutavad uute plokkide loomise eest. PoA sobib privaatsetele või lubatud plokiahelatele, kus valideerijate vahel on usaldus loodud.

Arenevad suundumused räsipõhistes tõestussüsteemides

Teadlased ja arendajad uurivad pidevalt võimalusi räsipõhiste tõestussüsteemide tõhususe ja turvalisuse parandamiseks. Mõned praegused suundumused hõlmavad:

• ASIC-vastupanu: Tehakse jõupingutusi PoW algoritmide arendamiseks, mis on vastupidavad rakenduspõhisele integreeritud vooluahelatele (ASIC). ASIC-id on spetsiaalne riistvara, mis on loodud spetsiaalselt kaevandamiseks, mis võib viia kaevandamisvõimsuse tsentraliseerimiseni. Algoritmid nagu CryptoNight ja Equihash on loodud olema ASIC-vastupidavad, kuigi ASIC-id on aja jooksul välja töötatud ka paljude nende algoritmide jaoks.
• Energiatõhusad kaevandamisalgoritmid: Teadlased uurivad uusi PoW algoritme, mis nõuavad vähem energiatarbimist. Näited hõlmavad ProgPoW-d (programmeeritav töö tõestus), mis on loodud GPU ja ASIC-kaevandajate võrdsete võimaluste loomiseks, ja algoritme, mis kasutavad ära seisvaid arvutusressursse.
• Hübriidkonsensusmehhanismid: PoW kombineerimine teiste konsensusmehhanismidega, näiteks PoS-iga, et ära kasutada mõlema lähenemise tugevusi. Näiteks kasutavad mõned plokiahelad PoW-d võrgu käivitamiseks ja seejärel siirduvad PoS-ile.

Reaalse maailma näited

Mitu krüptoraha ja plokiahela platvormi kasutavad räsipõhiseid tõestussüsteeme:

• Bitcoin (BTC): Algne ja tuntuim krüptoraha Bitcoin kasutab oma PoW algoritmiks SHA-256. Bitcoini turvalisust tagab tohutu kaevandajate võrk, mis on jaotatud globaalselt.
• Litecoin (LTC): Litecoin kasutab Scrypt räsimise algoritmi, mis oli algselt disainitud olema ASIC-vastupidav.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin kasutab samuti Scrypt algoritmi.
• Ethereum (ETH): Ethereum kasutas algselt oma PoW algoritmiks Ethash'i, modifitseeritud Keccak räsifunktsiooni versiooni, enne üleminekut Proof-of-Stake'ile.

Praktilised nõuanded

Plokiahela tehnoloogiast huvitatud inimestele ja organisatsioonidele on räsipõhiste tõestussüsteemide mõistmine hädavajalik. Siin on mõned praktilised nõuanded:

• Olge kursis konsensusmehhanismide viimaste arengutega. Plokiahela maastik areneb pidevalt, uued algoritmid ja lähenemised tekivad regulaarselt.
• Hinnake erinevate konsensusmehhanismide kompromisse. Kaaluge iga lähenemise turvalisust, energiatõhusust, skaleeritavust ja detsentraliseerimise omadusi.
• Arvestage PoW keskkonnamõjuga. Kui energiatarbimine on murettekitav, uurige alternatiivseid konsensusmehhanisme või toetage algatusi, mis edendavad säästvaid kaevandamispraktikaid.
• Mõistke kaevandamisvõimsuse tsentraliseerimisega seotud riske. Toetage algatusi, mis edendavad hajutatumat ja detsentraliseeritumat kaevandamise ökosüsteemi.
• Arendajatele: Testige ja auditeerige rangelt oma räsimise algoritmi implementatsioone, et tagada nende turvalisus ja rünnakutele vastupanu.

Kokkuvõte

Räsipõhised tõestussüsteemid, eriti töö tõestus (Proof-of-Work), on mänginud olulist rolli plokiahelavõrkude turvamisel ja detsentraliseeritud krüptorahade loomise võimaldamisel. Kuigi PoW-d on kritiseeritud selle suure energiatarbimise pärast, jääb see tõestatud ja usaldusväärseks konsensusmehhanismiks. Kuna plokiahela tööstus areneb jätkuvalt, keskenduvad käimasolevad uurimis- ja arendustegevused räsipõhiste tõestussüsteemide tõhususe, turvalisuse ja jätkusuutlikkuse parandamisele ning alternatiivsete konsensusmehhanismide uurimisele. Nende süsteemide mõistmine on ülioluline kõigile, kes on seotud plokiahela tehnoloogia tulevikuga või huvituvad sellest.