אלגוריתמי כרייה: חקר מערכות הוכחה מבוססות האש בבלוקצ'יין

מערכות הוכחה מבוססות האש הן מרכיב בסיסי ברשתות בלוקצ'יין רבות, במיוחד אלו המשתמשות במנגנוני קונצנזוס של הוכחת עבודה (PoW). מערכות אלה מסתמכות על פונקציות האש קריפטוגרפיות כדי לאבטח את הבלוקצ'יין ולהבטיח שהעסקאות תקפות ועמידות בפני חבלה. מאמר זה מספק סקירה מקיפה של מערכות הוכחה מבוססות האש, העקרונות הבסיסיים שלהן, פרטי יישום, שיקולי אבטחה ומגמות מתפתחות.

הבנת פונקציות האש קריפטוגרפיות

בבסיס מערכות ההוכחה מבוססות ההאש נמצאת פונקציית ההאש הקריפטוגרפית. פונקציית האש קריפטוגרפית היא אלגוריתם מתמטי שלוקח כמות שרירותית של נתונים כקלט ("ההודעה") ומפיק פלט בגודל קבוע ("ההאש" או "תמצית ההודעה"). לפונקציות אלה יש מספר תכונות מכריעות שהופכות אותן למתאימות לאבטחת רשתות בלוקצ'יין:

• דטרמיניסטי: בהינתן אותו קלט, פונקציית ההאש תמיד תפיק את אותו פלט.
• עמידות לתמונה מוקדמת: מבחינה חישובית, בלתי אפשרי למצוא את הקלט (ההודעה) שמפיק פלט האש נתון. זה ידוע גם בתור תכונה חד-כיוונית.
• עמידות לתמונה מוקדמת שנייה: בהינתן קלט x, מבחינה חישובית, בלתי אפשרי למצוא קלט y שונה כך שהאש(x) = האש(y).
• עמידות להתנגשות: מבחינה חישובית, בלתי אפשרי למצוא שני קלטים שונים x ו-y כך שהאש(x) = האש(y).

פונקציות האש הנפוצות בבלוקצ'יין כוללות SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), המשמשת את ביטקוין, ו-Ethash, גרסה שונה של פונקציית ההאש Keccak, ששימשה בעבר את Ethereum (לפני המעבר שלה להוכחת הימור).

הוכחת עבודה (PoW) מוסברת

הוכחת עבודה (PoW) היא מנגנון קונצנזוס הדורש ממשתתפי הרשת (כורים) לפתור חידה קשה מבחינה חישובית כדי להוסיף בלוקים חדשים לבלוקצ'יין. חידה זו כוללת בדרך כלל מציאת Nonce (מספר אקראי) שכאשר הוא משולב עם נתוני הבלוק ומגובב, מייצר ערך האש העומד בקריטריונים מסוימים (למשל, בעל מספר מסוים של אפסים מובילים).

תהליך הכרייה ב-PoW

1. איסוף עסקאות: הכורים אוספים עסקאות ממתינות מהרשת ומרכיבים אותן לבלוק.
2. בניית כותרת בלוק: כותרת הבלוק מכילה מטא נתונים על הבלוק, כולל:
• האש בלוק קודם: ההאש של הבלוק הקודם בשרשרת, המקשרת את הבלוקים יחד.
• שורש מרקל: האש המייצג את כל העסקאות בבלוק. עץ מרקל מסכם ביעילות את כל העסקאות, ומאפשר אימות מבלי להזדקק לעיבוד כל עסקה בודדת.
• חותם זמן: השעה שבה נוצר הבלוק.
• יעד קושי: מגדיר את הקושי הנדרש של חידת ה-PoW.
• Nonce: מספר אקראי שהכורים מתאימים כדי למצוא האש חוקי.
3. גיבוב ואימות: הכורים מגבבים שוב ושוב את כותרת הבלוק עם ערכי Nonce שונים עד שהם מוצאים האש שקטן או שווה ליעד הקושי.
4. שידור בלוק: ברגע שכורה מוצא Nonce חוקי, הוא משדר את הבלוק לרשת.
5. אימות: צמתים אחרים ברשת מאמתים את תוקף הבלוק על ידי חישוב מחדש של ההאש והבטחה שהוא עומד ביעד הקושי.
6. הוספת בלוק: אם הבלוק חוקי, צמתים אחרים מוסיפים אותו לעותק שלהם של הבלוקצ'יין.

תפקיד יעד הקושי

יעד הקושי מתאים את עצמו באופן דינמי כדי לשמור על קצב יצירת בלוקים עקבי. אם בלוקים נוצרים מהר מדי, יעד הקושי גדל, מה שמקשה על מציאת האש חוקי. לעומת זאת, אם בלוקים נוצרים לאט מדי, יעד הקושי פוחת, מה שמקל על מציאת האש חוקי. מנגנון התאמה זה מבטיח את היציבות והאבטחה של הבלוקצ'יין.

לדוגמה, ביטקוין מכוון לזמן יצירת בלוקים ממוצע של 10 דקות. אם הזמן הממוצע יורד מתחת לסף זה, הקושי גדל באופן יחסי.

שיקולי אבטחה במערכות PoW מבוססות האש

האבטחה של מערכות PoW מבוססות האש מסתמכת על הקושי החישובי של מציאת האש חוקי. התקפה מוצלחת תדרוש מתוקף לשלוט בחלק משמעותי מכוח הגיבוב של הרשת, המכונה התקפת 51%.

התקפת 51%

בהתקפת 51%, תוקף שולט ביותר ממחצית מכוח הגיבוב של הרשת. זה מאפשר להם:

• הוצאה כפולה של מטבעות: התוקף יכול להוציא את המטבעות שלו, ואז ליצור מזלג פרטי של הבלוקצ'יין שבו העסקה לא נכללת. לאחר מכן הם יכולים לכרות בלוקים במזלג פרטי זה עד שהוא הופך ארוך יותר מהשרשרת הראשית. כאשר הם משחררים את המזלג הפרטי שלהם, הרשת תעבור לשרשרת הארוכה יותר, ותהפוך למעשה את העסקה המקורית.
• מניעת אישורי עסקאות: התוקף יכול למנוע הכללת עסקאות מסוימות בבלוקים, ולצנזר אותן למעשה.
• שינוי היסטוריית עסקאות: למרות שזה קשה ביותר, התוקף יכול היה תיאורטית לשכתב חלקים מהיסטוריית הבלוקצ'יין.

ההסתברות להתקפת 51% מוצלחת פוחתת באופן אקספוננציאלי ככל שכוח הגיבוב של הרשת גדל והופך מבוזר יותר. העלות של רכישה ותחזוקה של כמות כה גדולה של כוח גיבוב הופכת ליקרה מדי עבור רוב התוקפים.

פגיעויות אלגוריתם גיבוב

למרות שזה מאוד לא סביר, פגיעויות באלגוריתם הגיבוב הבסיסי עלולות לסכן את האבטחה של כל המערכת. אם מתגלה פגם המאפשר מציאת התנגשות יעילה, תוקף עלול לתמרן את הבלוקצ'יין. זו הסיבה שחשוב להשתמש בפונקציות האש מבוססות היטב ונבדקות בקפדנות כמו SHA-256.

יתרונות של מערכות PoW מבוססות האש

למרות הביקורות על צריכת האנרגיה, מערכות PoW מבוססות האש מציעות מספר יתרונות:

• אבטחה: PoW הוכח כמנגנון קונצנזוס מאובטח ביותר, המגן מפני התקפות שונות, כולל התקפות Sybil והוצאה כפולה.
• ביזור: PoW מקדם ביזור בכך שהוא מאפשר לכל אחד עם כוח מחשוב מספיק להשתתף בתהליך הכרייה.
• פשטות: הרעיון הבסיסי של PoW הוא פשוט יחסית להבנה וליישום.
• רקורד מוכח: ביטקוין, המטבע הקריפטוגרפי הראשון והמוצלח ביותר, מסתמך על PoW, המדגים את הכדאיות ארוכת הטווח שלו.

חסרונות של מערכות PoW מבוססות האש

החיסרון העיקרי של מערכות PoW מבוססות האש הוא צריכת האנרגיה הגבוהה שלהן.

• צריכת אנרגיה גבוהה: PoW דורש כוח חישובי משמעותי, וכתוצאה מכך צריכת חשמל ניכרת. זה עורר חששות סביבתיים ועודד את הפיתוח של מנגנוני קונצנזוס יעילים יותר באנרגיה. מדינות כמו איסלנד, עם אנרגיה גיאותרמית בשפע, ואזורים בסין (לפני האיסור על כריית מטבעות קריפטוגרפיים) הפכו למרכזי פעילות כרייה עקב עלויות חשמל נמוכות יותר.
• ריכוז כוח כרייה: עם הזמן, הכרייה הפכה מרוכזת יותר ויותר במאגרי כרייה גדולים, מה שמעורר חששות לגבי ריכוז פוטנציאלי והשפעתם של מאגרים אלה על הרשת.
• בעיות מדרגיות: PoW יכול להגביל את תפוקת העסקאות של הבלוקצ'יין. לדוגמה, גודל הבלוק ומגבלות זמן הבלוק של ביטקוין מגבילים את מספר העסקאות שניתן לעבד בשנייה.

חלופות ל-PoW מבוסס האש

מספר מנגנוני קונצנזוס חלופיים צצו כדי לתת מענה למגבלות של PoW, כולל:

• הוכחת הימור (PoS): PoS בוחרת מאמתים על סמך כמות המטבע הקריפטוגרפי שהם מחזיקים ומוכנים "להמר" כבטחון. המאמתים אחראים ליצירת בלוקים חדשים ואימות עסקאות. PoS צורך משמעותית פחות אנרגיה מ-PoW ויכול להציע זמני אישור עסקאות מהירים יותר.
• הוכחת הימור מואצלת (DPoS): DPoS מאפשרת למחזיקי אסימונים להאציל את כוח ההצבעה שלהם לקבוצה קטנה יותר של מאמתים (נציגים). הנציגים אחראים ליצירת בלוקים חדשים ומקבלים פיצוי על עבודתם. DPoS מציעה תפוקת עסקאות גבוהה ויעילות אנרגטית.
• הוכחת סמכות (PoA): PoA מסתמכת על קבוצה של מאמתים שאושרו מראש שאחראים ליצירת בלוקים חדשים. PoA מתאים לבלוקצ'יין פרטי או מורשה שבו האמון מבוסס בין המאמתים.

מגמות מתפתחות במערכות הוכחה מבוססות האש

חוקרים ומפתחים בוחנים ללא הרף דרכים לשפר את היעילות והאבטחה של מערכות הוכחה מבוססות האש. כמה מהמגמות הנוכחיות כוללות:

• עמידות ל-ASIC: נעשים מאמצים לפתח אלגוריתמי PoW העמידים למעגלים משולבים ספציפיים ליישומים (ASICs). ASICs הם חומרה מיוחדת שתוכננה במיוחד לכרייה, מה שעלול להוביל לריכוז כוח הכרייה. אלגוריתמים כמו CryptoNight ו-Equihash תוכננו להיות עמידים ל-ASIC, אם כי ASICs פותחו בסופו של דבר עבור רבים מהאלגוריתמים הללו גם כן.
• אלגוריתמי כרייה חסכוניים באנרגיה: חוקרים בוחנים אלגוריתמי PoW חדשים הדורשים פחות צריכת אנרגיה. דוגמאות כוללות את ProgPoW (הוכחת עבודה תכנותית), שנועד ליישר את המגרש בין כורי GPU ו-ASIC, ואלגוריתמים הממנפים משאבי מחשוב סרק.
• מנגנוני קונצנזוס היברידיים: שילוב של PoW עם מנגנוני קונצנזוס אחרים, כגון PoS, כדי למנף את החוזקות של שתי הגישות. לדוגמה, כמה בלוקצ'יין משתמשים ב-PoW כדי לאתחל את הרשת ולאחר מכן לעבור ל-PoS.

דוגמאות מהעולם האמיתי

מספר מטבעות קריפטוגרפיים ופלטפורמות בלוקצ'יין משתמשים במערכות הוכחה מבוססות האש:

• ביטקוין (BTC): המטבע הקריפטוגרפי המקורי והידוע ביותר, ביטקוין משתמש ב-SHA-256 עבור אלגוריתם ה-PoW שלו. האבטחה של ביטקוין נשמרת על ידי רשת עצומה של כורים המפוזרים גלובלית.
• Litecoin (LTC): Litecoin משתמש באלגוריתם הגיבוב Scrypt, שתוכנן בתחילה להיות עמיד ל-ASIC.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin משתמש גם באלגוריתם Scrypt.
• Ethereum (ETH): Ethereum השתמשה בתחילה ב-Ethash, גרסה שונה של פונקציית ההאש Keccak, עבור אלגוריתם ה-PoW שלה לפני המעבר להוכחת הימור.

תובנות ניתנות לפעולה

עבור אנשים וארגונים המעוניינים בטכנולוגיית בלוקצ'יין, הבנת מערכות הוכחה מבוססות האש היא חיונית. הנה כמה תובנות ניתנות לפעולה:

• הישאר מעודכן לגבי ההתפתחויות האחרונות במנגנוני קונצנזוס. נוף הבלוקצ'יין מתפתח כל הזמן, כאשר אלגוריתמים וגישות חדשות צצות באופן קבוע.
• הערך את חילופי הדברים בין מנגנוני קונצנזוס שונים. שקול את תכונות האבטחה, יעילות האנרגיה, המדרגיות והביזור של כל גישה.
• שקול את ההשפעה הסביבתית של PoW. אם צריכת אנרגיה היא דאגה, חקור מנגנוני קונצנזוס חלופיים או תמוך ביוזמות המקדמות שיטות כרייה בנות קיימא.
• הבן את הסיכונים הקשורים לריכוז כוח הכרייה. תמוך ביוזמות המקדמות מערכת אקולוגית כרייה מבוזרת ומבוזרת יותר.
• עבור מפתחים: בדוק ובקר בקפדנות את יישומי אלגוריתם הגיבוב שלך כדי להבטיח שהם מאובטחים ועמידים בפני התקפות.

מסקנה

מערכות הוכחה מבוססות האש, במיוחד הוכחת עבודה, מילאו תפקיד מכריע באבטחת רשתות בלוקצ'יין ואפשרו את יצירתם של מטבעות קריפטוגרפיים מבוזרים. בעוד ש-PoW התמודד עם ביקורת על צריכת האנרגיה הגבוהה שלו, הוא נשאר מנגנון קונצנזוס מוכח ואמין. ככל שתעשיית הבלוקצ'יין ממשיכה להתפתח, מאמצי מחקר ופיתוח מתמשכים מתמקדים בשיפור היעילות, האבטחה והקיימות של מערכות הוכחה מבוססות האש ובחקירת מנגנוני קונצנזוס חלופיים. הבנת מערכות אלה היא חיונית לכל מי שמעורב או מתעניין בעתיד טכנולוגיית הבלוקצ'יין.