Ieguves algoritmi: Hašēšanas sistēmu izpēte blokķēdē

Hašēšanas sistēmas ir būtisks daudzu blokķēdes tīklu komponents, īpaši tiem, kas izmanto Proof-of-Work (PoW) konsensa mehānismus. Šīs sistēmas balstās uz kriptogrāfiskām hašēšanas funkcijām, lai nodrošinātu blokķēdes drošību un pārliecinātos, ka darījumi ir derīgi un aizsargāti pret manipulācijām. Šis raksts sniedz visaptverošu pārskatu par hašēšanas sistēmām, to pamatprincipiem, ieviešanas detaļām, drošības apsvērumiem un mainīgajām tendencēm.

Kriptogrāfisko hašēšanas funkciju izpratne

Hašēšanas sistēmu pamatā ir kriptogrāfiskā hašēšanas funkcija. Kriptogrāfiskā hašēšanas funkcija ir matemātisks algoritms, kas kā ievadu (t.i., "ziņojumu") saņem patvaļīgu datu daudzumu un rada fiksēta izmēra izvadi (t.i., "hašu" vai "ziņojuma apkopojumu"). Šīm funkcijām ir vairākas būtiskas īpašības, kas padara tās piemērotas blokķēdes tīklu nodrošināšanai:

• Deterministisks: Ja ir dots viens un tas pats ievads, hašēšanas funkcija vienmēr radīs vienu un to pašu izvadi.
• Iepriekšējā attēla pretestība: Atrodiet ievadu (ziņojumu), kas rada doto haša izvadi, ir aprēķinu ziņā neiespējami. Tas ir pazīstams arī kā vienvirziena īpašums.
• Otrā iepriekšējā attēla pretestība: Ja ir dots ievads x, atrast citu ievadu y tā, lai hash(x) = hash(y), ir aprēķinu ziņā neiespējami.
• Kolīziju pretestība: Ir aprēķinu ziņā neiespējami atrast divus dažādus ievadus x un y, tā, lai hash(x) = hash(y).

Parasti blokķēdē izmantotās hašēšanas funkcijas ietver SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), ko izmanto Bitcoin, un Ethash, kas ir Keccak hašēšanas funkcijas modificēta versija, kuru iepriekš izmantoja Ethereum (pirms pārejas uz Proof-of-Stake).

Proof-of-Work (PoW) paskaidrots

Proof-of-Work (PoW) ir konsensa mehānisms, kas prasa tīkla dalībniekiem (mineriem) atrisināt aprēķinu ziņā sarežģītu mīklu, lai blokķēdē pievienotu jaunus blokus. Šī mīkla parasti ietver nonce (nejauša skaitļa) atrašanu, kas, apvienojumā ar bloka datiem un hašētu, rada haša vērtību, kas atbilst noteiktiem kritērijiem (piemēram, ir noteikts vadošo nulles skaits).

Ieguves process PoW

1. Darījumu vākšana: Mainieri vāc neapstiprinātos darījumus no tīkla un apkopo tos blokā.
2. Bloka galvenes izveide: Bloka galvenē ir metadati par bloku, tostarp:
• Iepriekšējā bloka hašs: Iepriekšējā bloka hašs ķēdē, kas savieno blokus kopā.
• Merkle sakne: Hašs, kas attēlo visus darījumus blokā. Merkle koks efektīvi apkopo visus darījumus, ļaujot tos verificēt, neapstrādājot katru atsevišķu darījumu.
• Laika zīmogs: Laiks, kad bloks tika izveidots.
• Grūtību mērķis: Definē nepieciešamo PoW mīklas grūtību.
• Nonce: Nejaušs skaitlis, ko mainieri pielāgo, lai atrastu derīgu hašu.
3. Hašēšana un validācija: Mainieri atkārtoti hašo bloka galveni ar dažādām nonce vērtībām, līdz atrod hašu, kas ir mazāks vai vienāds ar grūtību mērķi.
4. Bloka pārraide: Kad mainieris atrod derīgu nonce, viņš pārraida bloku tīklam.
5. Verifikācija: Citi tīkla mezgli verificē bloka derīgumu, atkārtoti aprēķinot hašu un pārliecinoties, ka tas atbilst grūtību mērķim.
6. Bloka pievienošana: Ja bloks ir derīgs, citi mezgli to pievieno savai blokķēdes kopijai.

Grūtību mērķa loma

Grūtību mērķis dinamiski pielāgojas, lai uzturētu konsekventu bloku izveides ātrumu. Ja bloki tiek veidoti pārāk ātri, grūtību mērķis tiek palielināts, apgrūtinot derīga haša atrašanu. Un otrādi, ja bloki tiek veidoti pārāk lēni, grūtību mērķis tiek samazināts, atvieglojot derīga haša atrašanu. Šis pielāgošanas mehānisms nodrošina blokķēdes stabilitāti un drošību.

Piemēram, Bitcoin mērķis ir vidējais bloka izveides laiks 10 minūtes. Ja vidējais laiks nokrītas zem šī sliekšņa, grūtības tiek proporcionāli palielinātas.

Drošības apsvērumi hašēšanas PoW sistēmās

Hašēšanas PoW sistēmu drošība ir atkarīga no aprēķinu grūtībām atrast derīgu hašu. Lai veiktu veiksmīgu uzbrukumu, uzbrucējam būtu jākontrolē ievērojama daļa no tīkla hašēšanas jaudas, kas pazīstams kā 51% uzbrukums.

51% uzbrukums

51% uzbrukumā uzbrucējs kontrolē vairāk nekā pusi no tīkla hašēšanas jaudas. Tas viņiem ļauj:

• Divreiz tērēt monētas: Uzbrucējs var tērēt savas monētas, pēc tam izveidot privātu blokķēdes atzaru, kurā darījums nav iekļauts. Pēc tam viņi var iegūt blokus šajā privātajā atzarā, līdz tas kļūst garāks par galveno ķēdi. Kad viņi atbrīvo savu privāto atzaru, tīkls pārslēgsies uz garāko ķēdi, efektīvi atceļot sākotnējo darījumu.
• Novērst darījumu apstiprinājumus: Uzbrucējs var novērst noteiktu darījumu iekļaušanu blokos, efektīvi cenzējot tos.
• Modificēt darījumu vēsturi: Kaut arī ārkārtīgi grūti, teorētiski uzbrucējs varētu pārrakstīt daļu no blokķēdes vēstures.

Veiksmīga 51% uzbrukuma varbūtība samazinās eksponenciāli, palielinoties tīkla hašēšanas jaudai un kļūstot izkliedētākai. Līdzekļu iegūšanas un šādas lielas hašēšanas jaudas uzturēšanas izmaksas lielākajai daļai uzbrucēju kļūst nesamērīgi dārgas.

Hašēšanas algoritma ievainojamības

Lai gan ļoti maz ticams, ievainojamības pamatā esošajā hašēšanas algoritmā varētu apdraudēt visas sistēmas drošību. Ja tiks atklāts trūkums, kas ļauj efektīvi atrast kolīzijas, uzbrucējs potenciāli varētu manipulēt ar blokķēdi. Tāpēc ir ļoti svarīgi izmantot labi izveidotas un rūpīgi pārbaudītas hašēšanas funkcijas, piemēram, SHA-256.

Hašēšanas PoW sistēmu priekšrocības

Neskatoties uz kritiku par enerģijas patēriņu, hašēšanas PoW sistēmas piedāvā vairākas priekšrocības:

• Drošība: PoW ir pierādījis sevi kā ļoti drošs konsensa mehānisms, kas aizsargā pret dažādiem uzbrukumiem, tostarp Sybil uzbrukumiem un dubultu tērēšanu.
• Decentralizācija: PoW veicina decentralizāciju, ļaujot ikvienam ar pietiekamu skaitļošanas jaudu piedalīties ieguves procesā.
• Vienkāršība: PoW pamatkoncepciju ir salīdzinoši viegli saprast un ieviest.
• Pierādīta vēsture: Bitcoin, pirmā un veiksmīgākā kriptovalūta, balstās uz PoW, demonstrējot tās ilgtermiņa dzīvotspēju.

Hašēšanas PoW sistēmu trūkumi

Galvenais hašēšanas PoW sistēmu trūkums ir to augstais enerģijas patēriņš.

• Augsts enerģijas patēriņš: PoW prasa ievērojamu skaitļošanas jaudu, kā rezultātā ir ievērojams elektroenerģijas patēriņš. Tas ir radījis bažas par vidi un mudinājis izstrādāt energoefektīvākus konsensa mehānismus. Tādas valstis kā Islande ar bagātīgu ģeotermālo enerģiju un reģioni Ķīnā (pirms kriptovalūtu ieguves aizlieguma) kļuva par ieguves operāciju centriem zemāku elektroenerģijas izmaksu dēļ.
• Ieguves jaudas centralizācija: Laika gaitā ieguve ir kļuvusi arvien koncentrētāka lielos ieguves baseinos, radot bažas par iespējamu centralizāciju un šo baseinu ietekmi uz tīklu.
• Mērogojamības problēmas: PoW var ierobežot blokķēdes darījumu caurlaidspēju. Piemēram, Bitcoin bloka izmērs un bloka laika ierobežojumi ierobežo darījumu skaitu, ko var apstrādāt sekundē.

Alternatīvas hašēšanas PoW

Lai risinātu PoW ierobežojumus, ir parādījušies vairāki alternatīvi konsensa mehānismi, tostarp:

• Proof-of-Stake (PoS): PoS atlasa validatorus, pamatojoties uz kriptovalūtas daudzumu, ko viņi glabā un vēlas "likt" kā nodrošinājumu. Validatori ir atbildīgi par jaunu bloku izveidi un darījumu apstiprināšanu. PoS patērē ievērojami mazāk enerģijas nekā PoW, un tas var piedāvāt ātrāku darījumu apstiprināšanas laiku.
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): DPoS ļauj žetonu turētājiem deleģēt savu balsošanas tiesības mazākam validatoru (delegātu) kopumam. Delegāti ir atbildīgi par jaunu bloku izveidi un tiek atalgoti par savu darbu. DPoS piedāvā augstu darījumu caurlaidspēju un energoefektivitāti.
• Proof-of-Authority (PoA): PoA balstās uz iepriekš apstiprinātu validatoru kopumu, kuri ir atbildīgi par jaunu bloku izveidi. PoA ir piemērots privātām vai atļautām blokķēdēm, kur uzticēšanās tiek nodibināta starp validatoriem.

Mainīgās tendences hašēšanas sistēmās

Pētnieki un izstrādātāji nepārtraukti pēta veidus, kā uzlabot hašēšanas sistēmu efektivitāti un drošību. Dažas no pašreizējām tendencēm ir:

• ASIC pretestība: Tiek pieliktas pūles, lai izstrādātu PoW algoritmus, kas ir izturīgi pret lietojumspēkiem paredzētiem integrētiem shēmas blokiem (ASIC). ASIC ir specializēts aparatūras veids, kas paredzēts tieši ieguvei, kas var novest pie ieguves jaudas centralizācijas. Algoritmi, piemēram, CryptoNight un Equihash, ir izstrādāti tā, lai būtu ASIC izturīgi, lai gan ASIC beidzot ir izstrādāti arī daudziem no šiem algoritmiem.
• Energoefektīvi ieguves algoritmi: Pētnieki pēta jaunus PoW algoritmus, kuriem nepieciešams mazāks enerģijas patēriņš. Piemēri ir ProgPoW (Programmatiskais Proof-of-Work), kas paredzēts, lai izlīdzinātu spēles laukumu starp GPU un ASIC mainieriem, un algoritmi, kas izmanto neizmantotos skaitļošanas resursus.
• Hibrīdie konsensa mehānismi: PoW kombinēšana ar citiem konsensa mehānismiem, piemēram, PoS, lai izmantotu abu pieeju stiprās puses. Piemēram, dažas blokķēdes izmanto PoW, lai sāknētu tīklu, un pēc tam pāriet uz PoS.

Reāli piemēri

Vairākas kriptovalūtas un blokķēdes platformas izmanto hašēšanas sistēmas:

• Bitcoin (BTC): Bitcoin, sākotnējā un vispazīstamākā kriptovalūta, savam PoW algoritmam izmanto SHA-256. Bitcoin drošību uztur plašs mainieru tīkls, kas izplatīts visā pasaulē.
• Litecoin (LTC): Litecoin izmanto Scrypt hašēšanas algoritmu, kas sākotnēji tika izstrādāts, lai būtu ASIC izturīgs.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin arī izmanto Scrypt algoritmu.
• Ethereum (ETH): Ethereum sākotnēji izmantoja Ethash, Keccak hašēšanas funkcijas modificētu versiju, savam PoW algoritmam pirms pārejas uz Proof-of-Stake.

Rīcībspējīgas atziņas

Indivīdiem un organizācijām, kurus interesē blokķēdes tehnoloģija, ir būtiski izprast hašēšanas sistēmas. Šeit ir dažas rīcībspējīgas atziņas:

• Sekojiet līdzi jaunākajām izmaiņām konsensa mehānismos. Blokķēdes vide pastāvīgi attīstās, regulāri parādoties jauniem algoritmiem un pieejām.
• Novērtējiet kompromisus starp dažādiem konsensa mehānismiem. Apsveriet katras pieejas drošības, energoefektivitātes, mērogojamības un decentralizācijas īpašības.
• Apsveriet PoW ietekmi uz vidi. Ja enerģijas patēriņš ir aktuāls jautājums, izpētiet alternatīvus konsensa mehānismus vai atbalstiet iniciatīvas, kas veicina ilgtspējīgu ieguves praksi.
• Izprotiet riskus, kas saistīti ar ieguves jaudas centralizāciju. Atbalstiet iniciatīvas, kas veicina izplatītāku un decentralizētāku ieguves ekosistēmu.
• Izstrādātājiem: Rūpīgi pārbaudiet un auditējiet savu hašēšanas algoritmu ieviešanu, lai pārliecinātos, ka tie ir droši un izturīgi pret uzbrukumiem.

Secinājums

Hašēšanas sistēmām, īpaši Proof-of-Work, ir bijusi būtiska loma blokķēdes tīklu nodrošināšanā un decentralizētu kriptovalūtu izveidē. Lai gan PoW ir saskāries ar kritiku par augsto enerģijas patēriņu, tas joprojām ir pārbaudīts un uzticams konsensa mehānisms. Tā kā blokķēdes nozare turpina attīstīties, notiekošās pētniecības un attīstības pūliņi ir vērsti uz hašēšanas sistēmu efektivitātes, drošības un ilgtspējas uzlabošanu un alternatīvu konsensa mehānismu izpēti. Šo sistēmu izpratne ir ļoti svarīga ikvienam, kas ir iesaistīts vai interesējas par blokķēdes tehnoloģijas nākotni.