الگوریتم‌های استخراج: بررسی سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش در بلاک چین

سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش یک جزء اساسی در بسیاری از شبکه‌های بلاک چین، به ویژه آنهایی که از مکانیزم‌های اجماع اثبات کار (PoW) استفاده می‌کنند، هستند. این سیستم‌ها بر توابع درهم‌سازی رمزنگاری متکی هستند تا بلاک چین را ایمن کرده و اطمینان حاصل کنند که تراکنش‌ها معتبر و دست‌نخورده هستند. این مقاله یک نمای کلی جامع از سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش، اصول زیربنایی، جزئیات پیاده‌سازی، ملاحظات امنیتی و روندهای در حال تحول آن‌ها ارائه می‌دهد.

درک توابع درهم‌سازی رمزنگاری

در قلب سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش، تابع درهم‌سازی رمزنگاری قرار دارد. تابع درهم‌سازی رمزنگاری یک الگوریتم ریاضی است که مقدار دلخواهی از داده‌ها را به عنوان ورودی (پیام) می‌گیرد و یک خروجی با اندازه ثابت (هش یا چکیده پیام) تولید می‌کند. این توابع دارای چندین ویژگی حیاتی هستند که آنها را برای ایمن‌سازی شبکه‌های بلاک چین مناسب می‌سازد:

• قطعی: با توجه به ورودی یکسان، تابع درهم‌سازی همیشه خروجی یکسانی تولید می‌کند.
• مقاومت در برابر پیش‌تصویر: از نظر محاسباتی یافتن ورودی (پیام) که خروجی درهم‌سازی معینی را تولید می‌کند، غیرممکن است. این به عنوان ویژگی یک طرفه نیز شناخته می‌شود.
• مقاومت در برابر پیش‌تصویر دوم: با توجه به ورودی x، از نظر محاسباتی یافتن ورودی متفاوتی y به طوری که hash(x) = hash(y) باشد، غیرممکن است.
• مقاومت در برابر تصادم: از نظر محاسباتی یافتن دو ورودی متفاوت x و y به طوری که hash(x) = hash(y) باشد، غیرممکن است.

توابع درهم‌سازی معمولاً مورد استفاده در بلاک چین عبارتند از SHA-256 (الگوریتم درهم‌سازی امن ۲۵۶ بیتی) که توسط بیت کوین استفاده می‌شود و Ethash، یک نسخه اصلاح‌شده از تابع درهم‌سازی Keccak که قبلاً توسط اتریوم استفاده می‌شد (قبل از انتقال آن به اثبات سهام).

اثبات کار (PoW) توضیح داده شد

اثبات کار (PoW) یک مکانیزم اجماع است که از شرکت‌کنندگان شبکه (استخراج‌کنندگان) می‌خواهد تا یک پازل از نظر محاسباتی دشوار را حل کنند تا بلوک‌های جدید را به بلاک چین اضافه کنند. این پازل معمولاً شامل یافتن یک نانس (یک عدد تصادفی) است که وقتی با داده‌های بلوک ترکیب و درهم‌سازی می‌شود، مقدار درهم‌سازی را تولید می‌کند که معیارهای خاصی را برآورده می‌کند (به عنوان مثال، داشتن تعداد مشخصی از صفرهای ابتدایی).

فرایند استخراج در PoW

1. جمع‌آوری تراکنش: استخراج‌کنندگان تراکنش‌های معلق را از شبکه جمع‌آوری کرده و آنها را در یک بلوک جمع‌آوری می‌کنند.
2. ساخت سربرگ بلوک: سربرگ بلوک حاوی فراداده‌هایی درباره بلوک است، از جمله:
• درهم‌سازی بلوک قبلی: درهم‌سازی بلوک قبلی در زنجیره، که بلوک‌ها را به هم پیوند می‌دهد.
• ریشه مرکل: یک درهم‌سازی که نشان‌دهنده تمام تراکنش‌ها در بلوک است. درخت مرکل به طور کارآمد همه تراکنش‌ها را خلاصه می‌کند و امکان تأیید را بدون نیاز به پردازش هر تراکنش فراهم می‌کند.
• مهر زمانی: زمانی که بلوک ایجاد شده است.
• هدف دشواری: دشواری مورد نیاز پازل PoW را تعیین می‌کند.
• نانس: یک عدد تصادفی که استخراج‌کنندگان برای یافتن یک درهم‌سازی معتبر تنظیم می‌کنند.
3. درهم‌سازی و اعتبار سنجی: استخراج‌کنندگان به طور مکرر سربرگ بلوک را با مقادیر نانس مختلف درهم‌سازی می‌کنند تا زمانی که درهم‌سازی را پیدا کنند که کمتر یا مساوی هدف دشواری باشد.
4. پخش بلوک: هنگامی که یک استخراج‌کننده یک نانس معتبر پیدا می‌کند، بلوک را در شبکه پخش می‌کند.
5. تأیید: سایر گره‌های موجود در شبکه با محاسبه مجدد درهم‌سازی و اطمینان از اینکه هدف دشواری را برآورده می‌کند، اعتبار بلوک را تأیید می‌کنند.
6. افزودن بلوک: اگر بلوک معتبر باشد، سایر گره‌ها آن را به کپی خود از بلاک چین اضافه می‌کنند.

نقش هدف دشواری

هدف دشواری به طور پویا تنظیم می‌شود تا نرخ ایجاد بلوک ثابت حفظ شود. اگر بلوک‌ها خیلی سریع ایجاد شوند، هدف دشواری افزایش می‌یابد و یافتن یک درهم‌سازی معتبر را سخت‌تر می‌کند. برعکس، اگر بلوک‌ها خیلی کند ایجاد شوند، هدف دشواری کاهش می‌یابد و یافتن یک درهم‌سازی معتبر را آسان‌تر می‌کند. این مکانیزم تنظیم، ثبات و امنیت بلاک چین را تضمین می‌کند.

به عنوان مثال، بیت کوین زمان ایجاد بلوک متوسط ​​10 دقیقه را هدف قرار می‌دهد. اگر میانگین زمان از این آستانه کمتر شود، دشواری به نسبت افزایش می‌یابد.

ملاحظات امنیتی در سیستم‌های PoW مبتنی بر هش

امنیت سیستم‌های PoW مبتنی بر هش به دشواری محاسباتی یافتن یک درهم‌سازی معتبر متکی است. یک حمله موفقیت‌آمیز مستلزم این است که مهاجم بخش قابل توجهی از قدرت درهم‌سازی شبکه را کنترل کند که به عنوان حمله 51٪ شناخته می‌شود.

حمله 51%

در حمله 51٪، یک مهاجم بیش از نیمی از قدرت درهم‌سازی شبکه را کنترل می‌کند. این به آنها اجازه می‌دهد تا:

• دو بار خرج کردن سکه‌ها: مهاجم می‌تواند سکه‌های خود را خرج کند، سپس یک فورک خصوصی از بلاک چین ایجاد کند که تراکنش در آن گنجانده نشده است. سپس آنها می‌توانند بلوک‌ها را در این فورک خصوصی استخراج کنند تا زمانی که طولانی‌تر از زنجیره اصلی شود. هنگامی که آنها فورک خصوصی خود را منتشر می‌کنند، شبکه به زنجیره طولانی‌تر تغییر می‌کند و به طور موثر تراکنش اصلی را لغو می‌کند.
• جلوگیری از تأیید تراکنش‌ها: مهاجم می‌تواند از گنجاندن تراکنش‌های خاص در بلوک‌ها جلوگیری کند و به طور موثر آنها را سانسور کند.
• تغییر تاریخچه تراکنش: اگرچه بسیار دشوار است، اما مهاجم می‌تواند از نظر تئوری بخش‌هایی از تاریخچه بلاک چین را بازنویسی کند.

احتمال یک حمله 51٪ موفقیت‌آمیز به طور تصاعدی با افزایش قدرت درهم‌سازی شبکه و توزیع بیشتر آن کاهش می‌یابد. هزینه به دست آوردن و حفظ چنین مقدار زیادی از قدرت درهم‌سازی برای اکثر مهاجمان به طور منع‌کننده‌ای گران می‌شود.

آسیب‌پذیری‌های الگوریتم درهم‌سازی

در حالی که بسیار بعید است، آسیب‌پذیری‌ها در الگوریتم درهم‌سازی زیربنایی می‌تواند امنیت کل سیستم را به خطر بیندازد. اگر نقصی کشف شود که امکان یافتن تصادم کارآمد را فراهم می‌کند، مهاجم می‌تواند به طور بالقوه بلاک چین را دستکاری کند. به همین دلیل است که استفاده از توابع درهم‌سازی معتبر و به شدت آزمایش‌شده مانند SHA-256 بسیار مهم است.

مزایای سیستم‌های PoW مبتنی بر هش

با وجود انتقادات در مورد مصرف انرژی، سیستم‌های PoW مبتنی بر هش چندین مزیت را ارائه می‌دهند:

• امنیت: PoW ثابت کرده است که یک مکانیزم اجماع بسیار امن است و از حملات مختلف، از جمله حملات سیبیل و دو بار خرج کردن، محافظت می‌کند.
• تمرکززدایی: PoW با اجازه دادن به هر کسی که قدرت محاسباتی کافی دارد برای شرکت در فرایند استخراج، تمرکززدایی را ترویج می‌کند.
• سادگی: مفهوم اساسی PoW نسبتاً ساده برای درک و پیاده‌سازی است.
• سابقه اثبات‌شده: بیت کوین، اولین و موفق‌ترین ارز دیجیتال، به PoW متکی است و دوام طولانی‌مدت آن را نشان می‌دهد.

معایب سیستم‌های PoW مبتنی بر هش

عیب اصلی سیستم‌های PoW مبتنی بر هش، مصرف بالای انرژی آنها است.

• مصرف بالای انرژی: PoW به قدرت محاسباتی قابل توجهی نیاز دارد که منجر به مصرف برق قابل توجهی می‌شود. این امر نگرانی‌های زیست‌محیطی را برانگیخته و توسعه مکانیزم‌های اجماع با مصرف انرژی بیشتر را تسریع کرده است. کشورهایی مانند ایسلند، با انرژی زمین گرمایی فراوان، و مناطق در چین (قبل از ممنوعیت استخراج ارزهای دیجیتال) به دلیل هزینه‌های کمتر برق، به قطب‌های عملیات استخراج تبدیل شدند.
• تمرکز قدرت استخراج: با گذشت زمان، استخراج به طور فزاینده‌ای در استخرهای استخراج بزرگ متمرکز شده است و نگرانی‌هایی را در مورد تمرکز بالقوه و تأثیر این استخرها بر شبکه ایجاد می‌کند.
• مسائل مقیاس‌پذیری: PoW می‌تواند توان عملیاتی تراکنش بلاک چین را محدود کند. به عنوان مثال، محدودیت‌های اندازه بلوک و زمان بلوک بیت کوین تعداد تراکنش‌هایی را که می‌توان در هر ثانیه پردازش کرد، محدود می‌کند.

جایگزین‌های PoW مبتنی بر هش

چندین مکانیزم اجماع جایگزین برای رفع محدودیت‌های PoW ظهور کرده‌اند، از جمله:

• اثبات سهام (PoS): PoS اعتبارسنجی‌ها را بر اساس میزان ارز دیجیتالی که در اختیار دارند و مایل به «سهام‌گذاری» به عنوان وثیقه هستند، انتخاب می‌کند. اعتبارسنجی‌ها مسئول ایجاد بلوک‌های جدید و اعتبارسنجی تراکنش‌ها هستند. PoS به طور قابل توجهی انرژی کمتری نسبت به PoW مصرف می‌کند و می‌تواند زمان تأیید تراکنش سریع‌تری را ارائه دهد.
• اثبات سهام نمایندگی شده (DPoS): DPoS به دارندگان توکن اجازه می‌دهد تا قدرت رأی خود را به مجموعه کوچکتری از اعتبارسنجی‌ها (نمایندگان) واگذار کنند. نمایندگان مسئول ایجاد بلوک‌های جدید هستند و برای کار خود غرامت دریافت می‌کنند. DPoS توان عملیاتی تراکنش بالا و بهره‌وری انرژی را ارائه می‌دهد.
• اثبات اقتدار (PoA): PoA به مجموعه‌ای از اعتبارسنجی‌های از پیش تأیید شده متکی است که مسئول ایجاد بلوک‌های جدید هستند. PoA برای بلاک چین‌های خصوصی یا مجاز که در آن اعتماد بین اعتبارسنجی‌ها برقرار شده است، مناسب است.

روندهای در حال تحول در سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش

محققان و توسعه‌دهندگان به طور مداوم در حال بررسی راه‌هایی برای بهبود کارایی و امنیت سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش هستند. برخی از روندهای فعلی عبارتند از:

• مقاومت ASIC: تلاش‌هایی برای توسعه الگوریتم‌های PoW انجام می‌شود که در برابر مدارهای مجتمع خاص برنامه (ASIC) مقاوم هستند. ASICها سخت‌افزارهای تخصصی هستند که به طور خاص برای استخراج طراحی شده‌اند که می‌تواند منجر به تمرکز قدرت استخراج شود. الگوریتم‌هایی مانند CryptoNight و Equihash برای مقاوم بودن در برابر ASIC طراحی شده‌اند، اگرچه ASICها در نهایت برای بسیاری از این الگوریتم‌ها نیز توسعه یافته‌اند.
• الگوریتم‌های استخراج با مصرف انرژی بیشتر: محققان در حال بررسی الگوریتم‌های PoW جدیدی هستند که به مصرف انرژی کمتری نیاز دارند. نمونه‌ها عبارتند از ProgPoW (اثبات کار برنامه‌ریزی‌شده) که برای هموار کردن زمین بازی بین استخراج‌کنندگان GPU و ASIC طراحی شده است و الگوریتم‌هایی که از منابع محاسباتی بیکار استفاده می‌کنند.
• مکانیزم‌های اجماع ترکیبی: ترکیب PoW با سایر مکانیزم‌های اجماع، مانند PoS، برای استفاده از نقاط قوت هر دو رویکرد. به عنوان مثال، برخی از بلاک چین‌ها از PoW برای راه‌اندازی شبکه استفاده می‌کنند و سپس به PoS منتقل می‌شوند.

نمونه‌های واقعی

چندین ارز دیجیتال و پلتفرم بلاک چین از سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش استفاده می‌کنند:

• بیت کوین (BTC): بیت کوین اصلی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین ارز دیجیتال است که از SHA-256 برای الگوریتم PoW خود استفاده می‌کند. امنیت بیت کوین توسط شبکه گسترده‌ای از استخراج‌کنندگان توزیع‌شده در سطح جهانی حفظ می‌شود.
• لایت کوین (LTC): لایت کوین از الگوریتم درهم‌سازی Scrypt استفاده می‌کند که در ابتدا برای مقاوم بودن در برابر ASIC طراحی شده بود.
• دوج کوین (DOGE): دوج کوین نیز از الگوریتم Scrypt استفاده می‌کند.
• اتریوم (ETH): اتریوم در ابتدا از Ethash، یک نسخه اصلاح‌شده از تابع درهم‌سازی Keccak، برای الگوریتم PoW خود قبل از انتقال به اثبات سهام استفاده می‌کرد.

بینش‌های عملی

برای افراد و سازمان‌های علاقه‌مند به فناوری بلاک چین، درک سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش ضروری است. در اینجا چند بینش عملی آورده شده است:

• از آخرین تحولات در مکانیزم‌های اجماع مطلع باشید. چشم انداز بلاک چین دائماً در حال تحول است و الگوریتم‌ها و رویکردهای جدید به طور منظم در حال ظهور هستند.
• مبادله بین مکانیزم‌های اجماع مختلف را ارزیابی کنید. خواص امنیتی، بهره‌وری انرژی، مقیاس‌پذیری و تمرکززدایی هر رویکرد را در نظر بگیرید.
• تأثیرات زیست‌محیطی PoW را در نظر بگیرید. اگر مصرف انرژی نگران کننده است، مکانیزم‌های اجماع جایگزین را بررسی کنید یا از ابتکاراتی که شیوه‌های استخراج پایدار را ترویج می‌کنند، حمایت کنید.
• خطرات مرتبط با تمرکز قدرت استخراج را درک کنید. از ابتکاراتی که یک اکوسیستم استخراج توزیع شده‌تر و غیرمتمرکزتر را ترویج می‌کنند، حمایت کنید.
• برای توسعه‌دهندگان: پیاده‌سازی‌های الگوریتم درهم‌سازی خود را به طور دقیق آزمایش و ممیزی کنید تا مطمئن شوید که ایمن و مقاوم در برابر حملات هستند.

نتیجه‌گیری

سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش، به ویژه اثبات کار، نقش مهمی در ایمن‌سازی شبکه‌های بلاک چین و امکان ایجاد ارزهای دیجیتال غیرمتمرکز ایفا کرده‌اند. در حالی که PoW با انتقاداتی به دلیل مصرف بالای انرژی خود مواجه شده است، اما همچنان یک مکانیزم اجماع اثبات‌شده و قابل اعتماد است. از آنجایی که صنعت بلاک چین به تکامل خود ادامه می‌دهد، تلاش‌های تحقیق و توسعه مستمر بر بهبود کارایی، امنیت و پایداری سیستم‌های اثبات مبتنی بر هش و بررسی مکانیزم‌های اجماع جایگزین متمرکز شده است. درک این سیستم‌ها برای هر کسی که در آینده فناوری بلاک چین درگیر است یا به آن علاقه دارد، بسیار مهم است.