Algorytmy wydobywcze: Badanie systemów dowodu opartego na haszowaniu w technologii Blockchain

Systemy dowodu opartego na haszowaniu są fundamentalnym składnikiem wielu sieci blockchain, szczególnie tych, które wykorzystują mechanizmy konsensusu Proof-of-Work (PoW). Systemy te opierają się na kryptograficznych funkcjach haszujących w celu zabezpieczenia blockchaina i zapewnienia ważności i odporności na manipulacje transakcji. Ten artykuł zawiera kompleksowy przegląd systemów dowodu opartych na haszowaniu, ich podstawowych zasad, szczegółów implementacji, kwestii bezpieczeństwa i ewoluujących trendów.

Zrozumienie kryptograficznych funkcji haszujących

U podstaw systemów dowodu opartych na haszowaniu leży kryptograficzna funkcja haszująca. Kryptograficzna funkcja haszująca to algorytm matematyczny, który przyjmuje dowolną ilość danych jako wejście (”wiadomość”) i generuje wyjście o stałym rozmiarze (”hasz” lub ”skrót wiadomości”). Funkcje te posiadają kilka kluczowych właściwości, które sprawiają, że nadają się do zabezpieczania sieci blockchain:

• Deterministyczna: Biorąc pod uwagę to samo wejście, funkcja haszująca zawsze wygeneruje to samo wyjście.
• Odporność na pre-obraz: Obliczeniowo niewykonalne jest znalezienie wejścia (wiadomości), które generuje dane wyjściowe haszowania. Jest to również znane jako właściwość jednokierunkowa.
• Odporność na drugi pre-obraz: Biorąc pod uwagę wejście x, obliczeniowo niewykonalne jest znalezienie innego wejścia y takiego, że hash(x) = hash(y).
• Odporność na kolizje: Obliczeniowo niewykonalne jest znalezienie dwóch różnych wejść x i y takich, że hash(x) = hash(y).

Powszechnie używane funkcje haszujące w blockchainie obejmują SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), używany przez Bitcoin, i Ethash, zmodyfikowaną wersję funkcji Keccak, wcześniej używaną przez Ethereum (przed przejściem na Proof-of-Stake).

Wyjaśnienie Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work (PoW) to mechanizm konsensusu, który wymaga od uczestników sieci (górników) rozwiązania trudnej obliczeniowo łamigłówki, aby dodać nowe bloki do blockchaina. Ta łamigłówka zazwyczaj polega na znalezieniu nonce (liczby losowej), która po połączeniu z danymi bloku i zahasowaniu generuje wartość haszowania, która spełnia określone kryteria (np. ma określoną liczbę wiodących zer).

Proces wydobycia w PoW

1. Zbieranie transakcji: Górnicy zbierają oczekujące transakcje z sieci i składają je w blok.
2. Konstrukcja nagłówka bloku: Nagłówek bloku zawiera metadane dotyczące bloku, w tym:
• Hasz poprzedniego bloku: Hasz poprzedniego bloku w łańcuchu, łączący bloki ze sobą.
• Merkle Root: Hasz reprezentujący wszystkie transakcje w bloku. Drzewo Merkle wydajnie podsumowuje wszystkie transakcje, umożliwiając weryfikację bez konieczności przetwarzania każdej pojedynczej transakcji.
• Sygnatura czasowa: Czas utworzenia bloku.
• Cel trudności: Definiuje wymaganą trudność łamigłówki PoW.
• Nonce: Liczba losowa, którą górnicy dostosowują, aby znaleźć prawidłowy hasz.
3. Haszowanie i walidacja: Górnicy wielokrotnie haszują nagłówek bloku z różnymi wartościami nonce, aż znajdą hasz, który jest mniejszy lub równy celowi trudności.
4. Nadawanie bloku: Gdy górnik znajdzie ważny nonce, nadaje blok do sieci.
5. Weryfikacja: Inne węzły w sieci weryfikują ważność bloku, ponownie obliczając hasz i upewniając się, że spełnia on cel trudności.
6. Dodawanie bloku: Jeśli blok jest ważny, inne węzły dodają go do swojej kopii blockchaina.

Rola celu trudności

Cel trudności dynamicznie dostosowuje się, aby utrzymać spójny wskaźnik tworzenia bloków. Jeśli bloki są tworzone zbyt szybko, cel trudności jest zwiększany, co utrudnia znalezienie ważnego haszu. I odwrotnie, jeśli bloki są tworzone zbyt wolno, cel trudności jest zmniejszany, co ułatwia znalezienie ważnego haszu. Ten mechanizm regulacji zapewnia stabilność i bezpieczeństwo blockchaina.

Na przykład, Bitcoin dąży do średniego czasu tworzenia bloku wynoszącego 10 minut. Jeśli średni czas spadnie poniżej tego progu, trudność jest proporcjonalnie zwiększana.

Kwestie bezpieczeństwa w systemach PoW opartych na haszowaniu

Bezpieczeństwo systemów PoW opartych na haszowaniu zależy od trudności obliczeniowej znalezienia ważnego haszu. Udany atak wymagałby od atakującego kontrolowania znacznej części mocy haszowania sieci, znanej jako atak 51%.

Atak 51%

W ataku 51% atakujący kontroluje ponad połowę mocy haszowania sieci. Pozwala im to na:

• Podwójne wydawanie monet: Atakujący może wydać swoje monety, a następnie utworzyć prywatną gałąź blockchaina, w której transakcja nie jest uwzględniona. Następnie mogą kopać bloki na tej prywatnej gałęzi, aż stanie się ona dłuższa niż łańcuch główny. Po wydaniu prywatnej gałęzi sieć przełączy się na dłuższy łańcuch, skutecznie odwracając pierwotną transakcję.
• Zapobieganie potwierdzaniu transakcji: Atakujący może uniemożliwić uwzględnienie określonych transakcji w blokach, skutecznie je cenzurując.
• Modyfikacja historii transakcji: Chociaż jest to niezwykle trudne, atakujący mógłby teoretycznie przepisać części historii blockchaina.

Prawdopodobieństwo udanego ataku 51% maleje wykładniczo w miarę wzrostu mocy haszowania sieci i staje się bardziej rozproszone. Koszt nabycia i utrzymania tak dużej ilości mocy haszowania staje się zbyt wysoki dla większości atakujących.

Luki w algorytmie haszującym

Chociaż wysoce mało prawdopodobne, luki w podstawowym algorytmie haszującym mogą zagrozić bezpieczeństwu całego systemu. Jeśli zostanie odkryta wada, która pozwala na wydajne znajdowanie kolizji, atakujący może potencjalnie manipulować blockchainem. Dlatego ważne jest, aby używać dobrze ugruntowanych i rygorystycznie przetestowanych funkcji haszujących, takich jak SHA-256.

Zalety systemów PoW opartych na haszowaniu

Pomimo krytyki dotyczącej zużycia energii, systemy PoW oparte na haszowaniu oferują kilka zalet:

• Bezpieczeństwo: PoW okazał się wysoce bezpiecznym mechanizmem konsensusu, chroniącym przed różnymi atakami, w tym atakami Sybil i podwójnym wydawaniem.
• Decentralizacja: PoW promuje decentralizację, pozwalając każdemu z wystarczającą mocą obliczeniową uczestniczyć w procesie wydobycia.
• Prostota: Podstawowa koncepcja PoW jest stosunkowo prosta do zrozumienia i wdrożenia.
• Sprawdzona historia: Bitcoin, pierwsza i najbardziej udana kryptowaluta, opiera się na PoW, demonstrując jej długoterminową żywotność.

Wady systemów PoW opartych na haszowaniu

Główną wadą systemów PoW opartych na haszowaniu jest ich wysokie zużycie energii.

• Wysokie zużycie energii: PoW wymaga znacznej mocy obliczeniowej, co skutkuje znacznym zużyciem energii elektrycznej. Spowodowało to obawy o środowisko i doprowadziło do opracowania bardziej energooszczędnych mechanizmów konsensusu. Kraje takie jak Islandia, z obfitością energii geotermalnej, oraz regiony w Chinach (przed zakazem wydobycia kryptowalut) stały się centrami operacji wydobywczych ze względu na niższe koszty energii elektrycznej.
• Centralizacja mocy wydobywczej: Z biegiem czasu wydobycie stawało się coraz bardziej skoncentrowane w dużych pulach wydobywczych, co budzi obawy dotyczące potencjalnej centralizacji i wpływu tych pul na sieć.
• Problemy ze skalowalnością: PoW może ograniczać przepustowość transakcji blockchaina. Na przykład rozmiar bloku i ograniczenia czasu bloku Bitcoina ograniczają liczbę transakcji, które można przetworzyć na sekundę.

Alternatywy dla PoW opartego na haszowaniu

Wiele alternatywnych mechanizmów konsensusu pojawiło się, aby rozwiązać ograniczenia PoW, w tym:

• Proof-of-Stake (PoS): PoS wybiera walidatorów na podstawie ilości kryptowaluty, którą posiadają i są gotowi „postawić” jako zabezpieczenie. Walidatorzy są odpowiedzialni za tworzenie nowych bloków i walidację transakcji. PoS zużywa znacznie mniej energii niż PoW i może oferować krótszy czas potwierdzania transakcji.
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): DPoS pozwala posiadaczom tokenów delegować swoją moc głosowania do mniejszego zestawu walidatorów (delegatów). Delegaci są odpowiedzialni za tworzenie nowych bloków i otrzymują wynagrodzenie za swoją pracę. DPoS oferuje wysoką przepustowość transakcji i efektywność energetyczną.
• Proof-of-Authority (PoA): PoA opiera się na zestawie zatwierdzonych wcześniej walidatorów, którzy są odpowiedzialni za tworzenie nowych bloków. PoA jest odpowiedni dla prywatnych lub autoryzowanych blockchainów, w których zaufanie jest ustanawiane między walidatorami.

Ewolucja trendów w systemach dowodu opartych na haszowaniu

Naukowcy i deweloperzy nieustannie poszukują sposobów na poprawę efektywności i bezpieczeństwa systemów dowodu opartych na haszowaniu. Niektóre z obecnych trendów obejmują:

• Odporność na ASIC: Podejmowane są wysiłki, aby opracować algorytmy PoW, które są odporne na układy scalone specyficzne dla aplikacji (ASIC). ASIC to wyspecjalizowany sprzęt przeznaczony specjalnie do wydobycia, co może prowadzić do centralizacji mocy wydobywczej. Algorytmy takie jak CryptoNight i Equihash zostały zaprojektowane tak, aby były odporne na ASIC, chociaż ASIC zostały ostatecznie opracowane dla wielu z tych algorytmów.
• Energooszczędne algorytmy wydobywcze: Naukowcy badają nowe algorytmy PoW, które wymagają mniejszego zużycia energii. Przykłady obejmują ProgPoW (Programmatic Proof-of-Work), zaprojektowany w celu wyrównania szans między górnikami GPU i ASIC oraz algorytmy, które wykorzystują nieużywane zasoby obliczeniowe.
• Hybrydowe mechanizmy konsensusu: Łączenie PoW z innymi mechanizmami konsensusu, takimi jak PoS, w celu wykorzystania mocnych stron obu podejść. Na przykład niektóre blockchainy używają PoW do uruchamiania sieci, a następnie przechodzą na PoS.

Przykłady z życia wzięte

Kilka kryptowalut i platform blockchain wykorzystuje systemy dowodu opartego na haszowaniu:

• Bitcoin (BTC): Oryginalna i najbardziej znana kryptowaluta, Bitcoin używa SHA-256 dla swojego algorytmu PoW. Bezpieczeństwo Bitcoina jest utrzymywane przez rozległą sieć górników rozpowszechnionych na całym świecie.
• Litecoin (LTC): Litecoin używa algorytmu haszowania Scrypt, który początkowo został zaprojektowany tak, aby był odporny na ASIC.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin również używa algorytmu Scrypt.
• Ethereum (ETH): Ethereum początkowo używało Ethash, zmodyfikowanej wersji funkcji haszującej Keccak, dla swojego algorytmu PoW przed przejściem na Proof-of-Stake.

Wnioski, które można wykorzystać w praktyce

Dla osób i organizacji zainteresowanych technologią blockchain, zrozumienie systemów dowodu opartych na haszowaniu jest niezbędne. Oto kilka praktycznych wniosków:

• Bądź na bieżąco z najnowszymi osiągnięciami w mechanizmach konsensusu. Krajobraz blockchaina nieustannie ewoluuje, regularnie pojawiają się nowe algorytmy i podejścia.
• Oceń kompromisy między różnymi mechanizmami konsensusu. Rozważ bezpieczeństwo, efektywność energetyczną, skalowalność i właściwości decentralizacji każdego podejścia.
• Rozważ wpływ PoW na środowisko. Jeśli zużycie energii jest problemem, zapoznaj się z alternatywnymi mechanizmami konsensusu lub wspieraj inicjatywy, które promują zrównoważone praktyki wydobywcze.
• Zrozum ryzyko związane z centralizacją mocy wydobywczej. Wspieraj inicjatywy, które promują bardziej rozproszony i zdecentralizowany ekosystem wydobywczy.
• Dla programistów: Rygorystycznie testuj i kontroluj implementacje algorytmów haszujących, aby upewnić się, że są bezpieczne i odporne na ataki.

Wnioski

Systemy dowodu opartego na haszowaniu, w szczególności Proof-of-Work, odegrały kluczową rolę w zabezpieczaniu sieci blockchain i umożliwianiu tworzenia zdecentralizowanych kryptowalut. Chociaż PoW spotkało się z krytyką za wysokie zużycie energii, pozostaje sprawdzonym i niezawodnym mechanizmem konsensusu. W miarę jak branża blockchain będzie się rozwijać, trwające badania i rozwój koncentrują się na poprawie efektywności, bezpieczeństwa i zrównoważonego rozwoju systemów dowodu opartych na haszowaniu oraz badaniu alternatywnych mechanizmów konsensusu. Zrozumienie tych systemów ma kluczowe znaczenie dla każdego, kto jest zaangażowany lub zainteresowany przyszłością technologii blockchain.