मायनिंग अल्गोरिदम: ब्लॉकचेनमध्ये हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीमची एक्सप्लोरेशन

हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीम अनेक ब्लॉकचेन नेटवर्क्सचा एक मूलभूत घटक आहेत, विशेषतः ज्या प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoW) कन्सेन्सस मेकॅनिझम्सचा वापर करतात. या सिस्टीम ब्लॉकचेन सुरक्षित ठेवण्यासाठी आणि व्यवहार वैध आणि छेडछाड-प्रूफ असल्याची खात्री करण्यासाठी क्रिप्टोग्राफिक हॅश फंक्शन्सवर अवलंबून असतात. हा लेख हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीम, त्यांची मूलभूत तत्त्वे, अंमलबजावणी तपशील, सुरक्षा विचार आणि विकसित होणारे ट्रेंड यांचे सर्वसमावेशक विहंगावलोकन प्रदान करतो.

क्रिप्टोग्राफिक हॅश फंक्शन्स समजून घेणे

हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीमच्या केंद्रस्थानी क्रिप्टोग्राफिक हॅश फंक्शन आहे. क्रिप्टोग्राफिक हॅश फंक्शन एक गणितीय अल्गोरिदम आहे जे कोणत्याही आकाराच्या डेटाला इनपुट (The "message") म्हणून घेते आणि निश्चित-आकाराचे आउटपुट (The "hash" or "message digest") तयार करते. या फंक्शन्समध्ये अनेक महत्त्वपूर्ण गुणधर्म आहेत जे त्यांना ब्लॉकचेन नेटवर्क्स सुरक्षित करण्यासाठी योग्य बनवतात:

• Deterministic (निर्धारीत): समान इनपुट दिल्यास, हॅश फंक्शन नेहमी समान आउटपुट तयार करेल.
• Pre-image resistance (प्री-इमेज रेझिस्टन्स): विशिष्ट हॅश आउटपुट तयार करणारा इनपुट (संदेश) शोधणे गणनाच्या दृष्टीने अवघड आहे. याला वन-वे प्रॉपर्टी (One-way property) असेही म्हणतात.
• Second pre-image resistance (सेकंड प्री-इमेज रेझिस्टन्स): इनपुट x दिल्यास, x पेक्षा वेगळा असा y इनपुट शोधणे गणनाच्या दृष्टीने अवघड आहे, ज्यामुळे hash(x) = hash(y) होईल.
• Collision resistance (कोलिजन रेझिस्टन्स): x आणि y हे दोन भिन्न इनपुट शोधणे गणनाच्या दृष्टीने अवघड आहे, ज्यामुळे hash(x) = hash(y) होईल.

ब्लॉकचेनमध्ये सामान्यतः वापरल्या जाणार्‍या हॅश फंक्शन्समध्ये SHA-256 (सिक्योर हॅश अल्गोरिदम 256-बिट) समाविष्ट आहे, जे बिटकॉइनद्वारे वापरले जाते, आणि Ethash, Keccak हॅश फंक्शनची सुधारित आवृत्ती, जी पूर्वी इथरियमद्वारे (Proof-of-Stake मध्ये संक्रमण करण्यापूर्वी) वापरली जात होती.

प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoW) स्पष्टीकरण

प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoW) हा एक कन्सेन्सस मेकॅनिझम आहे ज्यामध्ये नेटवर्क सहभागींना (मायनर्स) ब्लॉकचेनमध्ये नवीन ब्लॉक्स जोडण्यासाठी गणनाच्या दृष्टीने कठीण कोडे सोडवावे लागते. या कोड्यामध्ये सामान्यतः नॉन्स (एक यादृच्छिक संख्या) शोधणे समाविष्ट असते, जी ब्लॉकच्या डेटामध्ये एकत्र केल्यावर आणि हॅश केल्यावर, विशिष्ट निकष (उदा. सुरुवातीचे शून्य अंक) पूर्ण करणारा हॅश मूल्य तयार करते.

PoW मध्ये मायनिंग प्रक्रिया

1. व्यवहार संकलन (Transaction Collection): मायनर्स नेटवर्कमधून प्रलंबित व्यवहार गोळा करतात आणि त्यांना एका ब्लॉकमध्ये एकत्र करतात.
2. ब्लॉक हेडर बांधकाम (Block Header Construction): ब्लॉक हेडरमध्ये ब्लॉकबद्दलची मेटाडेटा समाविष्ट असते, जसे की:
• मागील ब्लॉक हॅश (Previous Block Hash): चेनमध्ये मागील ब्लॉकचा हॅश, ज्यामुळे ब्लॉक्स जोडलेले राहतात.
• मर्केल रूट (Merkle Root): ब्लॉकमधील सर्व व्यवहारांचे प्रतिनिधित्व करणारा हॅश. मर्केल ट्री सर्व व्यवहारांचा कार्यक्षमतेने सारांशित करते, प्रत्येक व्यवहारावर प्रक्रिया न करता पडताळणी करण्याची परवानगी देते.
• टाइमस्टॅम्प (Timestamp): ब्लॉक तयार होण्याची वेळ.
• अडचण लक्ष्य (Difficulty Target): PoW कोड्याची आवश्यक अडचण परिभाषित करते.
• नॉन्स (Nonce): एक यादृच्छिक संख्या जी मायनर्स वैध हॅश शोधण्यासाठी समायोजित करतात.
3. हॅशिंग आणि पडताळणी (Hashing and Validation): मायनर्स ब्लॉक हेडरला वेगवेगळ्या नॉन्स मूल्यांसह वारंवार हॅश करतात, जोपर्यंत त्यांना अडचण लक्ष्याच्या बरोबरीचा किंवा त्यापेक्षा कमी हॅश मिळत नाही.
4. ब्लॉक ब्रॉडकास्टिंग (Block Broadcasting): एकदा मायनरला वैध नॉन्स मिळाल्यावर, ते ब्लॉक नेटवर्कवर ब्रॉडकास्ट करतात.
5. पडताळणी (Verification): नेटवर्कमधील इतर नोड्स हॅशची पुन्हा गणना करून आणि अडचण लक्ष्य पूर्ण करत असल्याची खात्री करून ब्लॉकची वैधता तपासतात.
6. ब्लॉक जोडणे (Block Addition): जर ब्लॉक वैध असेल, तर इतर नोड्स ते त्यांच्या ब्लॉकचेन कॉपीमध्ये जोडतात.

अडचण लक्ष्याची भूमिका (The Role of the Difficulty Target)

सातत्यपूर्ण ब्लॉक निर्मिती दर राखण्यासाठी अडचण लक्ष्य डायनॅमिकरित्या समायोजित केले जाते. जर ब्लॉक्स खूप वेगाने तयार होत असतील, तर अडचण लक्ष्य वाढवले जाते, ज्यामुळे वैध हॅश शोधणे अधिक कठीण होते. याउलट, जर ब्लॉक्स खूप हळू तयार होत असतील, तर अडचण लक्ष्य कमी केले जाते, ज्यामुळे वैध हॅश शोधणे सोपे होते. हे समायोजन यंत्रणा ब्लॉकचेनची स्थिरता आणि सुरक्षा सुनिश्चित करते.

उदाहरणार्थ, बिटकॉइन 10 मिनिटांचा सरासरी ब्लॉक निर्मिती वेळ लक्ष्यित करते. जर सरासरी वेळ या थ्रेशोल्डपेक्षा कमी झाली, तर अडचण प्रमाणानुसार वाढवली जाते.

हॅश-आधारित PoW सिस्टीममधील सुरक्षा विचार

हॅश-आधारित PoW सिस्टीमची सुरक्षा वैध हॅश शोधण्याच्या गणनाच्या अडचणीवर अवलंबून असते. यशस्वी हल्ला करण्यासाठी आक्रमणकर्त्याला नेटवर्कच्या हॅशिंग पॉवरचा महत्त्वपूर्ण भाग नियंत्रित करावा लागेल, ज्याला 51% हल्ला (51% attack) म्हणून ओळखले जाते.

51% हल्ला

51% हल्ल्यामध्ये, आक्रमणकर्ता नेटवर्कच्या अर्ध्याहून अधिक हॅशिंग पॉवर नियंत्रित करतो. यामुळे त्यांना हे करण्यास परवानगी मिळते:

• नाणी दुप्पट खर्च करणे (Double-spend coins): आक्रमणकर्ता त्यांची नाणी खर्च करू शकतो, नंतर ब्लॉकचेनचा एक खाजगी फोर्क तयार करू शकतो जिथे व्यवहार समाविष्ट नाही. त्यानंतर ते या खाजगी फोर्कवर ब्लॉक्स माईन करू शकतात जोपर्यंत तो मुख्य चेनपेक्षा लांब होत नाही. जेव्हा ते त्यांचा खाजगी फोर्क रिलीज करतात, तेव्हा नेटवर्क लांब चेनवर स्विच करेल, प्रभावीपणे मूळ व्यवहार रिव्हर्स करेल.
• व्यवहार पुष्टीकरण रोखणे (Prevent transaction confirmations): आक्रमणकर्ता काही व्यवहारांना ब्लॉक्समध्ये समाविष्ट होण्यापासून रोखू शकतो, प्रभावीपणे त्यांना सेन्सॉर करू शकतो.
• व्यवहार इतिहास सुधारणे (Modify transaction history): अत्यंत कठीण असले तरी, आक्रमणकर्ता सैद्धांतिकरित्या ब्लॉकचेन इतिहासाचे भाग पुन्हा लिहू शकतो.

नेटवर्कची हॅशिंग पॉवर वाढल्यास आणि अधिक वितरित झाल्यास 51% हल्ल्याची शक्यता घातांकीयरीत्या कमी होते. इतक्या मोठ्या प्रमाणात हॅशिंग पॉवर मिळवण्याचा आणि टिकवून ठेवण्याचा खर्च बहुतेक आक्रमणकर्त्यांसाठी proibitively महाग होतो.

हॅशिंग अल्गोरिदम भेद्यता (Hashing Algorithm Vulnerabilities)

जरी अत्यंत असंभव असले तरी, अंतर्निहित हॅशिंग अल्गोरिदममधील भेद्यता संपूर्ण सिस्टीमच्या सुरक्षिततेशी तडजोड करू शकते. जर कोलिजन शोधण्यासाठी कार्यक्षमतेस परवानगी देणारा दोष आढळला, तर आक्रमणकर्ता संभाव्यतः ब्लॉकचेनमध्ये फेरफार करू शकतो. म्हणूनच SHA-256 सारखे सुस्थापित आणि कठोरपणे तपासलेले हॅश फंक्शन्स वापरणे महत्त्वपूर्ण आहे.

हॅश-आधारित PoW सिस्टीमचे फायदे

ऊर्जा वापराबाबतच्या टीकेनंतरही, हॅश-आधारित PoW सिस्टीम अनेक फायदे देतात:

• सुरक्षा (Security): PoW हे एक अत्यंत सुरक्षित कन्सेन्सस मेकॅनिझम असल्याचे सिद्ध झाले आहे, जे सिबिल हल्ले (Sybil attacks) आणि डबल-स्पेंडिंगसह विविध हल्ल्यांपासून संरक्षण करते.
• विकेंद्रीकरण (Decentralization): PoW मायनिंग प्रक्रियेत पुरेसे कम्प्युटिंग पॉवर असलेले कोणीही सहभागी होऊ शकतील अशा प्रकारे विकेंद्रीकरणास प्रोत्साहन देते.
• साधेपणा (Simplicity): PoW ची मूलभूत संकल्पना समजण्यास आणि लागू करण्यास तुलनेने सोपी आहे.
• सिद्ध ट्रॅक रेकॉर्ड (Proven Track Record): बिटकॉइन, पहिले आणि सर्वात यशस्वी क्रिप्टोकरन्सी, PoW वर अवलंबून आहे, जे त्याची दीर्घकालीन व्यवहार्यता दर्शवते.

हॅश-आधारित PoW सिस्टीमचे तोटे

हॅश-आधारित PoW सिस्टीमचा मुख्य तोटा म्हणजे त्यांचा उच्च ऊर्जा वापर.

• उच्च ऊर्जा वापर (High Energy Consumption): PoW ला महत्त्वपूर्ण कम्प्युटिंग पॉवरची आवश्यकता असते, ज्यामुळे विजेचा लक्षणीय वापर होतो. यामुळे पर्यावरणीय चिंता वाढल्या आहेत आणि अधिक ऊर्जा-कार्यक्षम कन्सेन्सस मेकॅनिझम्सच्या विकासास चालना मिळाली आहे. आइसलँडसारखे देश, जिथे भूगर्भीय ऊर्जा मुबलक आहे, आणि चीनमधील प्रदेश (क्रिप्टोकरन्सी मायनिंगवर बंदी येण्यापूर्वी) कमी वीज खर्चामुळे मायनिंग ऑपरेशन्सचे केंद्र बनले.
• मायनिंग पॉवरचे केंद्रीकरण (Centralization of Mining Power): कालांतराने, मायनिंग मोठ्या मायनिंग पूल्समध्ये अधिकाधिक केंद्रित झाले आहे, ज्यामुळे संभाव्य केंद्रीकरण आणि या पूल्सचा नेटवर्कवरील प्रभाव याबद्दल चिंता वाढली आहे.
• स्केलेबिलिटी समस्या (Scalability Issues): PoW ब्लॉकचेनच्या व्यवहार थ्रूपुटला मर्यादित करू शकते. उदाहरणार्थ, बिटकॉइनचा ब्लॉक आकार आणि ब्लॉक टाइम मर्यादा प्रति सेकंद प्रक्रिया केल्या जाऊ शकणार्‍या व्यवहारांची संख्या मर्यादित करते.

हॅश-आधारित PoW चे पर्याय

PoW च्या मर्यादा दूर करण्यासाठी अनेक पर्यायी कन्सेन्सस मेकॅनिझम्स उदयास आले आहेत, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• Proof-of-Stake (PoS): PoS व्हॅलिडेटर्सची निवड त्यांच्याकडे असलेल्या क्रिप्टोकरन्सीच्या आधारावर करते, जी ते कोलेटरल म्हणून "स्टेक" करण्यास तयार असतात. व्हॅलिडेटर्स नवीन ब्लॉक्स तयार करण्यासाठी आणि व्यवहार सत्यापित करण्यासाठी जबाबदार असतात. PoS, PoW पेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी ऊर्जा वापरते आणि जलद व्यवहार पुष्टीकरण वेळ देऊ शकते.
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): DPoS टोकन धारकांना त्यांची मतदान शक्ती लहान व्हॅलिडेटर्सच्या (डेलीगेट्स) संचाकडे नियुक्त करण्याची परवानगी देते. डेलीगेट्स नवीन ब्लॉक्स तयार करण्यासाठी जबाबदार असतात आणि त्यांच्या कामासाठी त्यांना भरपाई दिली जाते. DPoS उच्च व्यवहार थ्रूपुट आणि ऊर्जा कार्यक्षमता प्रदान करते.
• Proof-of-Authority (PoA): PoA पूर्व-मंजूर व्हॅलिडेटर्सच्या संचावर अवलंबून असते जे नवीन ब्लॉक्स तयार करण्यासाठी जबाबदार असतात. PoA खाजगी किंवा परवानग्या असलेल्या ब्लॉकचेनसाठी योग्य आहे जिथे व्हॅलिडेटर्समध्ये विश्वास स्थापित केला जातो.

हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीममधील विकसित होणारे ट्रेंड

संशोधक आणि डेव्हलपर हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीमची कार्यक्षमता आणि सुरक्षा सुधारण्याचे मार्ग सतत शोधत आहेत. काही सध्याचे ट्रेंड खालीलप्रमाणे आहेत:

• ASIC रेझिस्टन्स (ASIC Resistance): ऍप्लिकेशन-स्पेसिफिक इंटिग्रेटेड सर्किट्स (ASICs) ला प्रतिरोधक असलेल्या PoW अल्गोरिदम विकसित करण्याचे प्रयत्न केले जात आहेत. ASICs हे विशेष हार्डवेअर आहेत जे मायनिंगसाठी डिझाइन केलेले आहेत, ज्यामुळे मायनिंग पॉवरचे केंद्रीकरण होऊ शकते. CryptoNight आणि Equihash सारखे अल्गोरिदम ASIC-प्रतिरोधक म्हणून डिझाइन केले गेले आहेत, जरी अनेक अल्गोरिदमसाठी ASICs विकसित केले गेले आहेत.
• ऊर्जा-कार्यक्षम मायनिंग अल्गोरिदम (Energy-Efficient Mining Algorithms): संशोधक कमी ऊर्जा वापरणारे नवीन PoW अल्गोरिदम शोधत आहेत. उदाहरणांमध्ये ProgPoW (Programmatic Proof-of-Work) समाविष्ट आहे, जे GPU आणि ASIC मायनर्समधील समान संधी निर्माण करण्यासाठी डिझाइन केलेले आहे, आणि रिकामे कम्प्युटिंग रिसोर्सेस वापरणारे अल्गोरिदम.
• हायब्रिड कन्सेन्सस मेकॅनिझम्स (Hybrid Consensus Mechanisms): दोन्ही दृष्टिकोनांचे सामर्थ्य वापरण्यासाठी PoW ला इतर कन्सेन्सस मेकॅनिझम्ससह, जसे की PoS, एकत्रित करणे. उदाहरणार्थ, काही ब्लॉकचेन नेटवर्क सुरू करण्यासाठी PoW वापरतात आणि नंतर PoS वर संक्रमण करतात.

वास्तविक-जगातील उदाहरणे

अनेक क्रिप्टोकरन्सी आणि ब्लॉकचेन प्लॅटफॉर्म हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीम वापरतात:

• Bitcoin (BTC): मूळ आणि सर्वात सुप्रसिद्ध क्रिप्टोकरन्सी, बिटकॉइन त्याच्या PoW अल्गोरिदमसाठी SHA-256 वापरते. बिटकॉइनची सुरक्षा जगभरातील मायनर्सच्या विशाल नेटवर्कद्वारे राखली जाते.
• Litecoin (LTC): Litecoin Scrypt हॅशिंग अल्गोरिदम वापरते, जे सुरुवातीला ASIC-प्रतिरोधक म्हणून डिझाइन केले गेले होते.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin देखील Scrypt अल्गोरिदम वापरते.
• Ethereum (ETH): इथरियमने सुरुवातीला Proof-of-Stake मध्ये संक्रमण करण्यापूर्वी त्याच्या PoW अल्गोरिदमसाठी Keccak हॅश फंक्शनची सुधारित आवृत्ती, Ethash वापरली.

कृतीयोग्य अंतर्दृष्टी (Actionable Insights)

ब्लॉकचेन तंत्रज्ञानामध्ये स्वारस्य असलेल्या व्यक्ती आणि संस्थांसाठी, हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीम समजून घेणे आवश्यक आहे. येथे काही कृतीयोग्य अंतर्दृष्टी आहेत:

• कन्सेन्सस मेकॅनिझम्समधील नवीनतम घडामोडींबद्दल माहिती ठेवा. ब्लॉकचेन लँडस्केप सतत विकसित होत आहे, नवीन अल्गोरिदम आणि दृष्टिकोन नियमितपणे उदयास येत आहेत.
• विविध कन्सेन्सस मेकॅनिझम्समधील तडजोडीचे मूल्यांकन करा. प्रत्येक दृष्टिकोनाच्या सुरक्षा, ऊर्जा कार्यक्षमता, स्केलेबिलिटी आणि विकेंद्रीकरण गुणधर्मांचा विचार करा.
• PoW च्या पर्यावरणीय प्रभावाचा विचार करा. जर ऊर्जा वापर हा चिंतेचा विषय असेल, तर पर्यायी कन्सेन्सस मेकॅनिझम्स एक्सप्लोर करा किंवा टिकाऊ मायनिंग पद्धतींना प्रोत्साहन देणाऱ्या उपक्रमांना समर्थन द्या.
• मायनिंग पॉवरच्या केंद्रीकरणाशी संबंधित धोके समजून घ्या. अधिक वितरित आणि विकेंद्रित मायनिंग इकोसिस्टमला प्रोत्साहन देणाऱ्या उपक्रमांना समर्थन द्या.
• डेव्हलपर्ससाठी: तुमची हॅशिंग अल्गोरिदम अंमलबजावणी सुरक्षित आणि हल्ल्यांना प्रतिरोधक असल्याची खात्री करण्यासाठी कठोरपणे चाचणी आणि ऑडिट करा.

निष्कर्ष

हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीम, विशेषतः प्रूफ-ऑफ-वर्क, यांनी ब्लॉकचेन नेटवर्क्स सुरक्षित ठेवण्यात आणि विकेंद्रित क्रिप्टोकरन्सी तयार करण्यात महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावली आहे. PoW ला त्याच्या उच्च ऊर्जा वापरासाठी टीका सहन करावी लागली असली तरी, ते एक सिद्ध आणि विश्वसनीय कन्सेन्सस मेकॅनिझम आहे. जसजसे ब्लॉकचेन उद्योग विकसित होत आहे, तसतसे हॅश-आधारित प्रूफ सिस्टीमची कार्यक्षमता, सुरक्षा आणि टिकाऊपणा सुधारण्यासाठी आणि पर्यायी कन्सेन्सस मेकॅनिझम्स शोधण्यासाठी सतत संशोधन आणि विकासाचे प्रयत्न केंद्रित आहेत. ब्लॉकचेन तंत्रज्ञानाच्या भविष्यात सहभागी असलेल्या किंवा स्वारस्य असलेल्या कोणालाही या सिस्टीम समजून घेणे महत्त्वाचे आहे.