Kasybos algoritmai: „Hash“ pagrįstų įrodymo sistemų tyrinėjimas „Blockchain“

„Hash“ pagrįstos įrodymo sistemos yra daugelio „blockchain“ tinklų, ypač tų, kurie naudoja „Proof-of-Work“ (PoW) sutarimo mechanizmus, pagrindinis komponentas. Šios sistemos remiasi kriptografinėmis maišavimo funkcijomis, siekdamos apsaugoti „blockchain“ ir užtikrinti, kad sandoriai būtų galiojantys ir atsparūs klastojimui. Šiame straipsnyje pateikiama išsami „hash“ pagrįstų įrodymo sistemų, jų pagrindinių principų, įgyvendinimo detalių, saugumo aspektų ir besikeičiančių tendencijų apžvalga.

Kriptografinių maišavimo funkcijų supratimas

„Hash“ pagrįstų įrodymo sistemų centre yra kriptografinė maišavimo funkcija. Kriptografinė maišavimo funkcija yra matematinis algoritmas, kuris priima savavališką duomenų kiekį (žinutę) ir sukuria fiksuoto dydžio išvestį (maišą arba žinutės santrauką). Šios funkcijos turi keletą svarbių savybių, dėl kurių jos tinkamos „blockchain“ tinklams apsaugoti:

• Deterministinis: Pateikus tą patį įvestį, maišavimo funkcija visada sukurs tą patį išvestį.
• Atsparumas pirmajai išvesties reikšmei: Kompiuteriškai neįmanoma rasti įvesties (žinutės), kuri sukurtų tam tikrą maišos išvestį. Tai taip pat žinoma kaip vienpusė savybė.
• Atsparumas antrajai išvesties reikšmei: Pateikus įvestį x, kompiuteriškai neįmanoma rasti kitos įvesties y, kad hash(x) = hash(y).
• Atsparumas susidūrimams: Kompiuteriškai neįmanoma rasti dviejų skirtingų įvesčių x ir y, kad hash(x) = hash(y).

Dažniausiai „blockchain“ naudojamos maišavimo funkcijos yra SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), kurią naudoja „Bitcoin“, ir „Ethash“, modifikuota „Keccak“ maišavimo funkcijos versija, kuri anksčiau buvo naudojama „Ethereum“ (prieš pereinant prie „Proof-of-Stake“).

Paaiškinta „Proof-of-Work“ (PoW)

„Proof-of-Work“ (PoW) yra sutarimo mechanizmas, reikalaujantis, kad tinklo dalyviai (kasybininkai) išspręstų kompiuteriškai sudėtingą užduotį, kad į „blockchain“ būtų galima pridėti naujų blokų. Ši užduotis paprastai apima proceso (atsitiktinio skaičiaus) radimą, kuris, kartu su bloko duomenimis ir maišymu, sukuria maišos reikšmę, atitinkančią tam tikrus kriterijus (pvz., turinčią tam tikrą skaičių pradinių nulių).

PoW kasybos procesas

1. Sandorių rinkimas: Kasybininkai renka laukiančius sandorius iš tinklo ir surenka juos į bloką.
2. Bloko antraštės sudarymas: Bloko antraštėje yra metaduomenys apie bloką, įskaitant:
• Ankstesnio bloko maišas: Ankstesnio bloko grandinėje maišas, sujungiantis blokus.
• Merkle šaknis: Maišas, atstovaujantis visus bloko sandorius. Merkle medis efektyviai apibendrina visus sandorius, leidžiant patikrinti juos be būtinybės apdoroti kiekvieną sandorį.
• Laiko žyma: Bloko sukūrimo laikas.
• Sunkumo tikslas: Nustato reikiamą PoW užduoties sudėtingumą.
• Proceso numeris: Atsitiktinis skaičius, kurį kasybininkai pritaiko, kad rastų galiojantį maišą.
3. Maišavimas ir patvirtinimas: Kasybininkai pakartotinai maišo bloko antraštę su skirtingomis proceso reikšmėmis, kol randa maišą, kuris yra mažesnis arba lygus sunkumo tikslui.
4. Bloko transliavimas: Kai kasybininkas randa galiojantį proceso numerį, jis transliuoja bloką tinklui.
5. Patvirtinimas: Kiti tinklo mazgai patvirtina bloko galiojimą, pakartotinai apskaičiuodami maišą ir užtikrindami, kad jis atitinka sunkumo tikslą.
6. Bloko pridėjimas: Jei blokas yra galiojantis, kiti mazgai pridės jį prie savo „blockchain“ kopijos.

Sunkumo tikslo vaidmuo

Sunkumo tikslas dinamiškai koreguojamas, kad būtų išlaikytas nuoseklus bloko kūrimo tempas. Jei blokai kuriami per greitai, sunkumo tikslas padidinamas, todėl rasti galiojantį maišą tampa sunkiau. Atvirkščiai, jei blokai kuriami per lėtai, sunkumo tikslas sumažinamas, todėl rasti galiojantį maišą tampa lengviau. Šis koregavimo mechanizmas užtikrina „blockchain“ stabilumą ir saugumą.

Pavyzdžiui, „Bitcoin“ siekia vidutinio bloko kūrimo laiko – 10 minučių. Jei vidutinis laikas nukrenta žemiau šio slenksčio, sunkumas proporcingai padidinamas.

Saugumo aspektai „Hash“ pagrįstose PoW sistemose

„Hash“ pagrįstų PoW sistemų saugumas priklauso nuo kompiuterinio galimo rasti galiojantį maišą sudėtingumo. Sėkminga ataka pareikalautų, kad užpuolikas kontroliuotų didelę tinklo maišymo galios dalį, žinomą kaip 51% ataka.

51% ataka

51% atakoje užpuolikas kontroliuoja daugiau nei pusę tinklo maišymo galios. Tai leidžia jiems:

• Dvigubai išleisti monetas: Užpuolikas gali išleisti savo monetas, tada sukurti privatų „blockchain“ šaką, kurioje sandoris nėra įtrauktas. Tada jie gali kurti blokus šioje privačioje šakoje, kol ji taps ilgesnė nei pagrindinė grandinė. Kai jie paleis savo privačią šaką, tinklas persijungs į ilgesnę grandinę, efektyviai atšaukdami pradinį sandorį.
• Užkirsti kelią sandorių patvirtinimams: Užpuolikas gali užkirsti kelią tam tikrų sandorių įtraukimui į blokus, efektyviai juos cenzūruodamas.
• Pakeisti sandorių istoriją: Nors ir nepaprastai sunku, užpuolikas teoriškai galėtų perrašyti „blockchain“ istorijos dalis.

Sėkmingos 51% atakos tikimybė eksponentiškai mažėja, kai tinklo maišymo galia didėja ir tampa labiau paskirstyta. Tokios didelės maišymo galios įsigijimo ir palaikymo kaina daugumai užpuolikų tampa nepaprastai brangi.

Maišymo algoritmo pažeidžiamumai

Nors labai mažai tikėtina, pažeidžiamumai pagrindiniame maišymo algoritme galėtų pakenkti visos sistemos saugumui. Jei bus atrastas trūkumas, leidžiantis efektyviai rasti susidūrimus, užpuolikas galėtų manipuliuoti „blockchain“. Štai kodėl labai svarbu naudoti gerai žinomas ir kruopščiai išbandytas maišavimo funkcijas, tokias kaip SHA-256.

„Hash“ pagrįstų PoW sistemų privalumai

Nepaisant kritikos dėl energijos sąnaudų, „hash“ pagrįstos PoW sistemos siūlo keletą privalumų:

• Saugumas: PoW įrodyta, kad yra labai saugus sutarimo mechanizmas, apsaugantis nuo įvairių atakų, įskaitant „Sybil“ atakas ir dvigubą išleidimą.
• Decentralizacija: PoW skatina decentralizaciją, leidžiant kiekvienam, turinčiam pakankamai skaičiavimo galios, dalyvauti kasybos procese.
• Paprastumas: PoW pagrindinė koncepcija yra gana paprasta suprasti ir įgyvendinti.
• Įrodyta istorija: „Bitcoin“, pirmoji ir sėkmingiausia kriptovaliuta, remiasi PoW, demonstruodama savo ilgalaikį gyvybingumą.

„Hash“ pagrįstų PoW sistemų trūkumai

Pagrindinis „hash“ pagrįstų PoW sistemų trūkumas yra didelės energijos sąnaudos.

• Didelės energijos sąnaudos: PoW reikalauja reikšmingos skaičiavimo galios, todėl sunaudojama daug elektros energijos. Tai sukėlė aplinkosaugos susirūpinimą ir paskatino sukurti energiją efektyvesnius sutarimo mechanizmus. Tokios šalys kaip Islandija, turinti daug geoterminės energijos, ir Kinijos regionai (prieš draudžiant kriptovaliutų kasybą) tapo kasybos operacijų centrais dėl mažesnių elektros energijos sąnaudų.
• Kasybos galios centralizacija: Laikui bėgant, kasyba vis labiau koncentruojasi dideliuose kasybos baseinuose, sukeldama susirūpinimą dėl galimos centralizacijos ir šių baseinų įtakos tinklui.
• Mastelio problemos: PoW gali apriboti „blockchain“ sandorių pralaidumą. Pavyzdžiui, „Bitcoin“ bloko dydžio ir bloko laiko apribojimai riboja per sekundę galimų apdoroti sandorių skaičių.

Alternatyvos „Hash“ pagrįstoms PoW sistemoms

Sukurta keletas alternatyvių sutarimo mechanizmų, siekiant išspręsti PoW apribojimus, įskaitant:

• „Proof-of-Stake“ (PoS): PoS pasirenka validatorius pagal jų turimos kriptovaliutos kiekį ir sutikimą ją „statyti“ kaip užstatą. Validatoriai yra atsakingi už naujų blokų kūrimą ir sandorių tvirtinimą. PoS naudoja žymiai mažiau energijos nei PoW ir gali pasiūlyti greitesnį sandorių patvirtinimo laiką.
• „Delegated Proof-of-Stake“ (DPoS): DPoS leidžia žetonų turėtojams deleguoti savo balsavimo galią mažesniam skaičiui validatorių (delegatų). Delegatai yra atsakingi už naujų blokų kūrimą ir yra apmokami už savo darbą. DPoS siūlo didelį sandorių pralaidumą ir energijos efektyvumą.
• „Proof-of-Authority“ (PoA): PoA remiasi iš anksto patvirtintų validatorių rinkiniu, kuris yra atsakingas už naujų blokų kūrimą. PoA tinka privačioms arba leidimų reikalaujančioms „blockchain“ sistemoms, kuriose pasitikėjimas yra sukurtas tarp validatorių.

Besikeičiančios tendencijos „Hash“ pagrįstose įrodymo sistemose

Tyrėjai ir plėtotojai nuolat ieško būdų, kaip pagerinti „hash“ pagrįstų įrodymo sistemų efektyvumą ir saugumą. Kai kurios dabartinės tendencijos apima:

• ASIC atsparumas: Dedamos pastangos kurti PoW algoritmus, kurie yra atsparūs specializuotoms integrinėms grandynoms (ASIC). ASIC yra specializuota techninė įranga, skirta specialiai kasybai, kuri gali lemti kasybos galios centralizaciją. Tokie algoritmai kaip „CryptoNight“ ir „Equihash“ buvo sukurti taip, kad būtų atsparūs ASIC, nors ASIC galiausiai buvo sukurti daugeliui šių algoritmų.
• Energijos efektyvūs kasybos algoritmai: Tyrėjai tiria naujus PoW algoritmus, kuriems reikia mažiau energijos sąnaudų. Pavyzdžiai apima „ProgPoW“ (Programmatic Proof-of-Work), sukurtą siekiant suvienodinti sąlygas tarp GPU ir ASIC kasybininkų, ir algoritmus, kurie naudoja nenaudojamus skaičiavimo išteklius.
• Hibridiniai sutarimo mechanizmai: PoW derinimas su kitais sutarimo mechanizmais, tokiais kaip PoS, siekiant išnaudoti abiejų metodų stipriąsias puses. Pavyzdžiui, kai kurios „blockchain“ sistemos naudoja PoW tinklo paleidimui, o vėliau pereina prie PoS.

Realaus pasaulio pavyzdžiai

Keli kriptovaliutos ir „blockchain“ platformos naudoja „hash“ pagrįstas įrodymo sistemas:

• Bitcoin (BTC): Originali ir garsiausia kriptovaliuta, „Bitcoin“ naudoja SHA-256 savo PoW algoritmui. „Bitcoin“ saugumas palaikomas didelio kasybininkų tinklo, paskirstyto visame pasaulyje.
• Litecoin (LTC): „Litecoin“ naudoja „Scrypt“ maišavimo algoritmą, kuris iš pradžių buvo sukurtas siekiant atsparumo ASIC.
• Dogecoin (DOGE): „Dogecoin“ taip pat naudoja „Scrypt“ algoritmą.
• Ethereum (ETH): „Ethereum“ iš pradžių naudojo „Ethash“, modifikuotą „Keccak“ maišavimo funkcijos versiją, savo PoW algoritmui prieš pereinant prie „Proof-of-Stake“.

Praktiniai įžvalgos

Asmenims ir organizacijoms, besidominčioms „blockchain“ technologija, būtina suprasti „hash“ pagrįstas įrodymo sistemas. Štai keletas praktinių įžvalgų:

• Sekite naujausius sutarimo mechanizmų pokyčius. „Blockchain“ aplinka nuolat keičiasi, reguliariai atsiranda nauji algoritmai ir metodai.
• Įvertinkite skirtingų sutarimo mechanizmų kompromisus. Apsvarstykite kiekvieno metodo saugumo, energijos efektyvumo, mastelio ir decentralizacijos savybes.
• Apsvarstykite PoW poveikį aplinkai. Jei energijos sąnaudos yra svarbus veiksnys, ieškokite alternatyvių sutarimo mechanizmų arba remkite iniciatyvas, skatinančias tvarią kasybos praktiką.
• Supraskite su kasybos galios centralizacija susijusius rizikos veiksnius. Remkite iniciatyvas, skatinančias labiau paskirstytą ir decentralizuotą kasybos ekosistemą.
• Kūrėjams: Kruopščiai testuokite ir audituokite savo maišymo algoritmo įgyvendinimus, kad užtikrintumėte jų saugumą ir atsparumą atakoms.

Išvada

„Hash“ pagrįstos įrodymo sistemos, ypač „Proof-of-Work“, suvaidino itin svarbų vaidmenį apsaugant „blockchain“ tinklus ir leidžiant kurti decentralizuotas kriptovaliutas. Nors PoW sulaukė kritikos dėl didelių energijos sąnaudų, ji išlieka įrodyta ir patikima sutarimo mechanizmu. Kadangi „blockchain“ pramonė toliau vystosi, vykdomi nuolatiniai tyrimai ir plėtros darbai, siekiant pagerinti „hash“ pagrįstų įrodymo sistemų efektyvumą, saugumą ir tvarumą bei ištirti alternatyvius sutarimo mechanizmus. Šių sistemų supratimas yra būtinas visiems, kurie dalyvauja ar domisi „blockchain“ technologijos ateitimi.