Algoritmi rudarenja: Istraživanje sustava dokaza temeljenih na hash funkcijama u blockchainu

Sustavi dokaza temeljeni na hash funkcijama temeljna su komponenta mnogih blockchain mreža, posebno onih koje koriste mehanizme konsenzusa Proof-of-Work (PoW). Ovi se sustavi oslanjaju na kriptografske hash funkcije kako bi osigurali blockchain i osigurali da su transakcije valjane i otporne na neovlaštene izmjene. Ovaj članak pruža sveobuhvatan pregled sustava dokaza temeljenih na hash funkcijama, njihovih temeljnih načela, detalja implementacije, sigurnosnih razmatranja i razvojnih trendova.

Razumijevanje kriptografskih hash funkcija

U srcu sustava dokaza temeljenih na hash funkcijama leži kriptografska hash funkcija. Kriptografska hash funkcija je matematički algoritam koji uzima proizvoljnu količinu podataka kao ulaz ("poruka") i proizvodi izlaz fiksne veličine ("hash" ili "sažetak poruke"). Ove funkcije posjeduju nekoliko ključnih svojstava koja ih čine prikladnima za osiguranje blockchain mreža:

• Deterministička: Za isti ulaz, hash funkcija će uvijek proizvesti isti izlaz.
• Otpornost na pre-image napad: Računalno je neizvedivo pronaći ulaz (poruku) koji proizvodi dani hash izlaz. Ovo je također poznato kao jednosmjerno svojstvo.
• Otpornost na drugi pre-image napad: S obzirom na ulaz x, računalno je neizvedivo pronaći drugačiji ulaz y takav da je hash(x) = hash(y).
• Otpornost na kolizije: Računalno je neizvedivo pronaći dva različita ulaza x i y takva da je hash(x) = hash(y).

Uobičajene hash funkcije koje se koriste u blockchainu uključuju SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), koji koristi Bitcoin, i Ethash, modificiranu verziju Keccak hash funkcije, koju je prethodno koristio Ethereum (prije prijelaza na Proof-of-Stake).

Objašnjenje Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work (PoW) je mehanizam konsenzusa koji zahtijeva od sudionika mreže (rudara) da riješe računalno težak problem kako bi dodali nove blokove u blockchain. Ovaj problem obično uključuje pronalaženje nonce-a (slučajnog broja) koji, kada se kombinira s podacima bloka i hashira, proizvodi hash vrijednost koja zadovoljava određene kriterije (npr. ima određeni broj vodećih nula).

Proces rudarenja u PoW

1. Prikupljanje transakcija: Rudari prikupljaju transakcije na čekanju s mreže i sastavljaju ih u blok.
2. Konstrukcija zaglavlja bloka: Zaglavlje bloka sadrži metapodatke o bloku, uključujući:
• Hash prethodnog bloka: Hash prethodnog bloka u lancu, koji povezuje blokove zajedno.
• Merkle Root: Hash koji predstavlja sve transakcije u bloku. Merkle stablo učinkovito sažima sve transakcije, omogućujući provjeru bez potrebe za obradom svake pojedinačne transakcije.
• Vremenska oznaka: Vrijeme kada je blok stvoren.
• Ciljana težina: Definira potrebnu težinu PoW zagonetke.
• Nonce: Slučajni broj koji rudari prilagođavaju kako bi pronašli valjani hash.
3. Hashiranje i validacija: Rudari opetovano hashiraju zaglavlje bloka s različitim nonce vrijednostima dok ne pronađu hash koji je manji ili jednak ciljanoj težini.
4. Emitiranje bloka: Nakon što rudar pronađe valjani nonce, emitira blok na mrežu.
5. Verifikacija: Ostali čvorovi u mreži provjeravaju valjanost bloka ponovnim izračunavanjem hash-a i osiguravanjem da zadovoljava ciljanu težinu.
6. Dodavanje bloka: Ako je blok valjan, ostali čvorovi ga dodaju svojoj kopiji blockchaina.

Uloga ciljane težine

Ciljana težina se dinamički prilagođava kako bi se održala dosljedna stopa stvaranja bloka. Ako se blokovi stvaraju prebrzo, ciljana težina se povećava, što otežava pronalaženje valjanog hash-a. Suprotno tome, ako se blokovi stvaraju presporo, ciljana težina se smanjuje, što olakšava pronalaženje valjanog hash-a. Ovaj mehanizam prilagodbe osigurava stabilnost i sigurnost blockchaina.

Na primjer, Bitcoin cilja prosječno vrijeme stvaranja bloka od 10 minuta. Ako prosječno vrijeme padne ispod ovog praga, težina se proporcionalno povećava.

Sigurnosna razmatranja u sustavima PoW temeljenim na hash funkcijama

Sigurnost PoW sustava temeljenih na hash funkcijama oslanja se na računalnu težinu pronalaženja valjanog hash-a. Uspješan napad zahtijevao bi od napadača da kontrolira značajan dio snage hashiranja mreže, poznat kao 51% napad.

51% Napad

U 51% napadu, napadač kontrolira više od polovice snage hashiranja mreže. To im omogućuje da:

• Potroše kovanice dvaput: Napadač može potrošiti svoje kovanice, a zatim stvoriti privatni fork blockchaina gdje transakcija nije uključena. Zatim mogu rudariti blokove na ovom privatnom forku dok ne postane duži od glavnog lanca. Kada objave svoj privatni fork, mreža će se prebaciti na duži lanac, učinkovito poništavajući originalnu transakciju.
• Spriječe potvrde transakcija: Napadač može spriječiti da se određene transakcije uključe u blokove, učinkovito ih cenzurirajući.
• Izmijene povijest transakcija: Iako iznimno teško, napadač bi teoretski mogao prepisati dijelove povijesti blockchaina.

Vjerojatnost uspješnog 51% napada eksponencijalno se smanjuje kako se snaga hashiranja mreže povećava i postaje distribuiranija. Trošak nabave i održavanja tako velike količine snage hashiranja postaje prohibitivno skup za većinu napadača.

Ranjiivosti algoritma hashiranja

Iako vrlo malo vjerojatno, ranjivosti u temeljnom algoritmu hashiranja mogle bi ugroziti sigurnost cijelog sustava. Ako se otkrije nedostatak koji omogućuje učinkovito pronalaženje kolizija, napadač bi potencijalno mogao manipulirati blockchainom. Zbog toga je ključno koristiti dobro uspostavljene i rigorozno testirane hash funkcije poput SHA-256.

Prednosti PoW sustava temeljenih na hash funkcijama

Unatoč kritikama u vezi s potrošnjom energije, PoW sustavi temeljeni na hash funkcijama nude nekoliko prednosti:

• Sigurnost: PoW se pokazao kao vrlo siguran mehanizam konsenzusa, štiteći od raznih napada, uključujući Sybil napade i dvostruku potrošnju.
• Decentralizacija: PoW promiče decentralizaciju dopuštajući svima s dovoljno računalne snage da sudjeluju u procesu rudarenja.
• Jednostavnost: Temeljni koncept PoW-a relativno je jednostavan za razumijevanje i implementaciju.
• Dokazani rezultati: Bitcoin, prva i najuspješnija kriptovaluta, oslanja se na PoW, demonstrirajući njegovu dugoročnu održivost.

Nedostaci PoW sustava temeljenih na hash funkcijama

Glavni nedostatak PoW sustava temeljenih na hash funkcijama je njihova visoka potrošnja energije.

• Visoka potrošnja energije: PoW zahtijeva značajnu računalnu snagu, što rezultira značajnom potrošnjom električne energije. To je izazvalo zabrinutost za okoliš i potaknulo razvoj energetski učinkovitijih mehanizama konsenzusa. Zemlje poput Islanda, s obilnom geotermalnom energijom, i regije u Kini (prije zabrane rudarenja kriptovaluta) postale su središta rudarskih operacija zbog nižih troškova električne energije.
• Centralizacija snage rudarenja: S vremenom je rudarenje postalo sve koncentriranije u velikim rudarskim poolovima, što je izazvalo zabrinutost zbog potencijalne centralizacije i utjecaja ovih poolova na mrežu.
• Problemi sa skalabilnošću: PoW može ograničiti propusnost transakcija blockchaina. Na primjer, Bitcoinova veličina bloka i ograničenja vremena bloka ograničavaju broj transakcija koje se mogu obraditi u sekundi.

Alternative PoW-u temeljenom na hash funkcijama

Nekoliko alternativnih mehanizama konsenzusa pojavilo se kako bi se riješila ograničenja PoW-a, uključujući:

• Proof-of-Stake (PoS): PoS odabire validatore na temelju količine kriptovalute koju drže i koju su voljni "uložiti" kao kolateral. Validatori su odgovorni za stvaranje novih blokova i validaciju transakcija. PoS troši znatno manje energije od PoW-a i može ponuditi brže vrijeme potvrde transakcija.
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): DPoS omogućuje vlasnicima tokena da delegiraju svoju glasačku moć manjem skupu validatora (delegata). Delegati su odgovorni za stvaranje novih blokova i kompenzirani su za svoj rad. DPoS nudi visoku propusnost transakcija i energetsku učinkovitost.
• Proof-of-Authority (PoA): PoA se oslanja na skup unaprijed odobrenih validatora koji su odgovorni za stvaranje novih blokova. PoA je prikladan za privatne ili dopuštene blockchaine gdje je povjerenje uspostavljeno među validatorima.

Razvojni trendovi u sustavima dokaza temeljenim na hash funkcijama

Istraživači i programeri kontinuirano istražuju načine za poboljšanje učinkovitosti i sigurnosti sustava dokaza temeljenih na hash funkcijama. Neki od trenutnih trendova uključuju:

• Otpornost na ASIC: Ulažu se napori u razvoj PoW algoritama koji su otporni na Application-Specific Integrated Circuits (ASIC). ASIC-ovi su specijalizirani hardver dizajniran posebno za rudarenje, što može dovesti do centralizacije snage rudarenja. Algoritmi poput CryptoNight i Equihash dizajnirani su da budu otporni na ASIC, iako su ASIC-ovi na kraju razvijeni i za mnoge od ovih algoritama.
• Energetski učinkoviti algoritmi rudarenja: Istraživači istražuju nove PoW algoritme koji zahtijevaju manju potrošnju energije. Primjeri uključuju ProgPoW (Programmatic Proof-of-Work), dizajniran za izjednačavanje uvjeta između GPU i ASIC rudara, i algoritme koji iskorištavaju neiskorištene računalne resurse.
• Hibridni mehanizmi konsenzusa: Kombiniranje PoW-a s drugim mehanizmima konsenzusa, kao što je PoS, kako bi se iskoristile snage oba pristupa. Na primjer, neki blockchaini koriste PoW za pokretanje mreže, a zatim prelaze na PoS.

Primjeri iz stvarnog svijeta

Nekoliko kriptovaluta i blockchain platformi koristi sustave dokaza temeljene na hash funkcijama:

• Bitcoin (BTC): Izvorna i najpoznatija kriptovaluta, Bitcoin koristi SHA-256 za svoj PoW algoritam. Bitcoinova sigurnost održava se putem goleme mreže rudara distribuiranih globalno.
• Litecoin (LTC): Litecoin koristi Scrypt algoritam hashiranja, koji je izvorno dizajniran da bude otporan na ASIC.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin također koristi Scrypt algoritam.
• Ethereum (ETH): Ethereum je izvorno koristio Ethash, modificiranu verziju Keccak hash funkcije, za svoj PoW algoritam prije prijelaza na Proof-of-Stake.

Praktični uvidi

Za pojedince i organizacije zainteresirane za blockchain tehnologiju, razumijevanje sustava dokaza temeljenih na hash funkcijama je bitno. Evo nekoliko praktičnih uvida:

• Budite informirani o najnovijim događanjima u mehanizmima konsenzusa. Blockchain okruženje se neprestano razvija, s novim algoritmima i pristupima koji se redovito pojavljuju.
• Procijenite kompromise između različitih mehanizama konsenzusa. Razmotrite sigurnost, energetsku učinkovitost, skalabilnost i svojstva decentralizacije svakog pristupa.
• Razmotrite utjecaj PoW-a na okoliš. Ako je potrošnja energije problem, istražite alternativne mehanizme konsenzusa ili podržite inicijative koje promiču održive prakse rudarenja.
• Razumijete rizike povezane s centralizacijom snage rudarenja. Podržite inicijative koje promiču distribuiraniji i decentraliziraniji ekosustav rudarenja.
• Za programere: Rigorozno testirajte i revidirajte svoje implementacije algoritama hashiranja kako biste osigurali da su sigurne i otporne na napade.

Zaključak

Sustavi dokaza temeljeni na hash funkcijama, posebno Proof-of-Work, odigrali su ključnu ulogu u osiguravanju blockchain mreža i omogućavanju stvaranja decentraliziranih kriptovaluta. Iako se PoW suočio s kritikama zbog visoke potrošnje energije, ostaje provjeren i pouzdan mehanizam konsenzusa. Kako se blockchain industrija nastavlja razvijati, tekući napori u istraživanju i razvoju usmjereni su na poboljšanje učinkovitosti, sigurnosti i održivosti sustava dokaza temeljenih na hash funkcijama i istraživanje alternativnih mehanizama konsenzusa. Razumijevanje ovih sustava ključno je za sve koji su uključeni u budućnost blockchain tehnologije ili su zainteresirani za nju.