Алгоритмы майнинга: изучение систем доказательства на основе хеширования в блокчейне

Системы доказательства на основе хеширования являются фундаментальным компонентом многих блокчейн-сетей, особенно тех, которые используют механизмы консенсуса Proof-of-Work (PoW). Эти системы полагаются на криптографические хеш-функции для защиты блокчейна и обеспечения действительности и защиты транзакций от несанкционированного доступа. В этой статье представлен всесторонний обзор систем доказательства на основе хеширования, их основных принципов, деталей реализации, соображений безопасности и развивающихся тенденций.

Понимание криптографических хеш-функций

В основе систем доказательства на основе хеширования лежит криптографическая хеш-функция. Криптографическая хеш-функция - это математический алгоритм, который принимает произвольный объем данных в качестве входных данных ("сообщение") и производит выходные данные фиксированного размера ("хеш" или "дайджест сообщения"). Эти функции обладают несколькими важными свойствами, которые делают их подходящими для защиты блокчейн-сетей:

• Детерминированность: При одинаковых входных данных хеш-функция всегда будет выдавать одинаковый результат.
• Устойчивость к восстановлению прообраза: Вычислительно невозможно найти входные данные (сообщение), которые производят заданный хеш-результат. Это также известно как одностороннее свойство.
• Устойчивость ко второму прообразу: Для заданного входа x вычислительно невозможно найти другой вход y такой, что hash(x) = hash(y).
• Устойчивость к коллизиям: Вычислительно невозможно найти два разных входа x и y таких, что hash(x) = hash(y).

Обычно используемые хеш-функции в блокчейне включают SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), используемый Биткойном, и Ethash, модифицированную версию хеш-функции Keccak, ранее использовавшуюся Ethereum (до перехода на Proof-of-Stake).

Proof-of-Work (PoW) Explained

Proof-of-Work (PoW) - это механизм консенсуса, который требует от участников сети (майнеров) решения сложной вычислительной задачи для добавления новых блоков в блокчейн. Эта задача обычно включает в себя поиск nonce (случайного числа), который при объединении с данными блока и хешировании выдает хеш-значение, отвечающее определенным критериям (например, наличие определенного количества ведущих нулей).

Процесс майнинга в PoW

1. Сбор транзакций: Майнеры собирают ожидающие транзакции из сети и собирают их в блок.
2. Конструирование заголовка блока: Заголовок блока содержит метаданные о блоке, включая:
• Хеш предыдущего блока: Хеш предыдущего блока в цепочке, связывающий блоки вместе.
• Корневой хеш дерева Меркла: Хеш, представляющий все транзакции в блоке. Дерево Меркла эффективно суммирует все транзакции, позволяя проверять их без необходимости обработки каждой отдельной транзакции.
• Временная метка: Время создания блока.
• Цель сложности: Определяет требуемую сложность головоломки PoW.
• Nonce: Случайное число, которое майнеры корректируют для поиска действительного хеша.
3. Хеширование и проверка: Майнеры повторно хешируют заголовок блока с разными значениями nonce, пока не найдут хеш, который меньше или равен цели сложности.
4. Трансляция блока: Как только майнер находит действительный nonce, он транслирует блок в сеть.
5. Проверка: Другие узлы в сети проверяют действительность блока, пересчитывая хеш и убеждаясь, что он соответствует цели сложности.
6. Добавление блока: Если блок действителен, другие узлы добавляют его в свою копию блокчейна.

Роль цели сложности

Цель сложности динамически корректируется для поддержания стабильной скорости создания блоков. Если блоки создаются слишком быстро, цель сложности увеличивается, что затрудняет поиск действительного хеша. И наоборот, если блоки создаются слишком медленно, цель сложности уменьшается, что облегчает поиск действительного хеша. Этот механизм регулировки обеспечивает стабильность и безопасность блокчейна.

Например, Биткойн нацелен на среднее время создания блока 10 минут. Если среднее время падает ниже этого порога, сложность увеличивается пропорционально.

Соображения безопасности в системах PoW на основе хеширования

Безопасность систем PoW на основе хеширования зависит от вычислительной сложности поиска действительного хеша. Для успешной атаки злоумышленнику потребуется контролировать значительную часть вычислительной мощности сети, известную как атака 51%.

Атака 51%

При атаке 51% злоумышленник контролирует более половины вычислительной мощности сети. Это позволяет им:

• Двойная трата монет: Злоумышленник может потратить свои монеты, а затем создать частную вилку блокчейна, в которую эта транзакция не включена. Затем они могут добывать блоки на этой частной вилке, пока она не станет длиннее основной цепи. Когда они выпускают свою частную вилку, сеть переключится на более длинную цепь, эффективно отменяя исходную транзакцию.
• Предотвращение подтверждения транзакций: Злоумышленник может предотвратить включение определенных транзакций в блоки, эффективно подвергая их цензуре.
• Изменение истории транзакций: Хотя это и чрезвычайно сложно, злоумышленник теоретически может переписать части истории блокчейна.

Вероятность успешной атаки 51% экспоненциально уменьшается по мере того, как вычислительная мощность сети увеличивается и становится более распределенной. Стоимость приобретения и поддержания такого большого объема вычислительной мощности становится непомерно высокой для большинства злоумышленников.

Уязвимости алгоритма хеширования

Хотя это и маловероятно, уязвимости в базовом алгоритме хеширования могут поставить под угрозу безопасность всей системы. Если будет обнаружен недостаток, позволяющий эффективно находить коллизии, злоумышленник может потенциально манипулировать блокчейном. Вот почему крайне важно использовать хорошо зарекомендовавшие себя и тщательно протестированные хеш-функции, такие как SHA-256.

Преимущества систем PoW на основе хеширования

Несмотря на критику в отношении энергопотребления, системы PoW на основе хеширования предлагают несколько преимуществ:

• Безопасность: PoW доказал свою высокую безопасность в качестве механизма консенсуса, защищающего от различных атак, включая Sybil-атаки и двойные траты.
• Децентрализация: PoW способствует децентрализации, позволяя любому, у кого есть достаточная вычислительная мощность, участвовать в процессе майнинга.
• Простота: Основную концепцию PoW относительно легко понять и реализовать.
• Подтвержденный послужной список: Биткойн, первая и самая успешная криптовалюта, полагается на PoW, демонстрируя ее долгосрочную жизнеспособность.

Недостатки систем PoW на основе хеширования

Основным недостатком систем PoW на основе хеширования является их высокое энергопотребление.

• Высокое энергопотребление: PoW требует значительной вычислительной мощности, что приводит к значительному потреблению электроэнергии. Это вызвало экологические проблемы и побудило к разработке более энергоэффективных механизмов консенсуса. Такие страны, как Исландия, с обильной геотермальной энергией, и регионы Китая (до запрета на майнинг криптовалюты) стали центрами майнинговых операций из-за более низких затрат на электроэнергию.
• Централизация вычислительной мощности: Со временем майнинг все больше концентрируется в крупных майнинговых пулах, что вызывает опасения по поводу потенциальной централизации и влияния этих пулов на сеть.
• Проблемы масштабируемости: PoW может ограничивать пропускную способность транзакций блокчейна. Например, ограничения размера блока и времени блока Биткойна ограничивают количество транзакций, которые можно обрабатывать в секунду.

Альтернативы PoW на основе хеширования

Было разработано несколько альтернативных механизмов консенсуса для решения ограничений PoW, в том числе:

• Proof-of-Stake (PoS): PoS выбирает валидаторов на основе количества криптовалюты, которую они держат и готовы "застейкать" в качестве залога. Валидаторы несут ответственность за создание новых блоков и проверку транзакций. PoS потребляет значительно меньше энергии, чем PoW, и может предлагать более быстрое время подтверждения транзакций.
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): DPoS позволяет держателям токенов делегировать свою силу голоса меньшему набору валидаторов (делегатам). Делегаты несут ответственность за создание новых блоков и получают компенсацию за свою работу. DPoS предлагает высокую пропускную способность транзакций и энергоэффективность.
• Proof-of-Authority (PoA): PoA опирается на набор предварительно утвержденных валидаторов, которые несут ответственность за создание новых блоков. PoA подходит для частных или разрешенных блокчейнов, где между валидаторами установлено доверие.

Развивающиеся тенденции в системах доказательства на основе хеширования

Исследователи и разработчики постоянно изучают способы повышения эффективности и безопасности систем доказательства на основе хеширования. Некоторые из текущих тенденций включают:

• Устойчивость к ASIC: Предпринимаются усилия по разработке алгоритмов PoW, устойчивых к специализированным интегральным схемам (ASIC). ASIC - это специализированное оборудование, разработанное специально для майнинга, которое может привести к централизации вычислительной мощности. Алгоритмы, такие как CryptoNight и Equihash, были разработаны как устойчивые к ASIC, хотя ASIC в конечном итоге были разработаны и для многих из этих алгоритмов.
• Энергоэффективные алгоритмы майнинга: Исследователи изучают новые алгоритмы PoW, которые требуют меньшего энергопотребления. Примеры включают ProgPoW (Programmatic Proof-of-Work), разработанный для выравнивания игрового поля между майнерами GPU и ASIC, и алгоритмы, использующие незадействованные вычислительные ресурсы.
• Гибридные механизмы консенсуса: Объединение PoW с другими механизмами консенсуса, такими как PoS, для использования сильных сторон обоих подходов. Например, некоторые блокчейны используют PoW для начальной загрузки сети, а затем переходят на PoS.

Примеры из реального мира

Несколько криптовалют и блокчейн-платформ используют системы доказательства на основе хеширования:

• Bitcoin (BTC): Оригинальная и самая известная криптовалюта, Bitcoin использует SHA-256 для своего алгоритма PoW. Безопасность Биткойна поддерживается обширной сетью майнеров, распределенных по всему миру.
• Litecoin (LTC): Litecoin использует алгоритм хеширования Scrypt, который изначально был разработан как устойчивый к ASIC.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin также использует алгоритм Scrypt.
• Ethereum (ETH): Ethereum первоначально использовал Ethash, модифицированную версию хеш-функции Keccak, для своего алгоритма PoW, прежде чем перейти на Proof-of-Stake.

Действенные идеи

Для отдельных лиц и организаций, интересующихся технологией блокчейн, понимание систем доказательства на основе хеширования имеет важное значение. Вот несколько действенных идей:

• Будьте в курсе последних разработок в механизмах консенсуса. Ландшафт блокчейна постоянно развивается, регулярно появляются новые алгоритмы и подходы.
• Оцените компромиссы между различными механизмами консенсуса. Учитывайте безопасность, энергоэффективность, масштабируемость и свойства децентрализации каждого подхода.
• Учитывайте воздействие PoW на окружающую среду. Если энергопотребление вызывает беспокойство, изучите альтернативные механизмы консенсуса или поддержите инициативы, которые продвигают устойчивые методы майнинга.
• Понимайте риски, связанные с централизацией вычислительной мощности. Поддерживайте инициативы, которые продвигают более распределенную и децентрализованную экосистему майнинга.
• Для разработчиков: Тщательно тестируйте и проверяйте свои реализации алгоритма хеширования, чтобы убедиться, что они безопасны и устойчивы к атакам.

Заключение

Системы доказательства на основе хеширования, особенно Proof-of-Work, сыграли решающую роль в обеспечении безопасности блокчейн-сетей и обеспечении создания децентрализованных криптовалют. Хотя PoW столкнулся с критикой за высокое энергопотребление, он остается проверенным и надежным механизмом консенсуса. Поскольку индустрия блокчейна продолжает развиваться, текущие исследования и разработки сосредоточены на повышении эффективности, безопасности и устойчивости систем доказательства на основе хеширования и изучении альтернативных механизмов консенсуса. Понимание этих систем имеет решающее значение для всех, кто участвует или интересуется будущим технологии блокчейн.