Algoritmi rudarjenja: Raziskovanje sistemov za dokazovanje dela na osnovi razpršitve v verigi blokov

Sistemi za dokazovanje dela na osnovi razpršitve so temeljna komponenta številnih omrežij verige blokov, zlasti tistih, ki uporabljajo konsenzne mehanizme Proof-of-Work (PoW). Ti sistemi se zanašajo na kriptografske razpršitvene funkcije za zaščito verige blokov in zagotavljanje, da so transakcije veljavne in varne pred posegi. Ta članek ponuja celovit pregled sistemov za dokazovanje dela na osnovi razpršitve, njihovih temeljnih načel, podrobnosti o implementaciji, varnostnih vidikih in razvijajočih se trendih.

Razumevanje kriptografskih razpršitvenih funkcij

V središču sistemov za dokazovanje dela na osnovi razpršitve je kriptografska razpršitvena funkcija. Kriptografska razpršitvena funkcija je matematični algoritem, ki kot vhod vzame poljubno količino podatkov (»sporočilo«) in ustvari izhod fiksne velikosti (»razpršitev« ali »povzetek sporočila«). Te funkcije imajo več ključnih lastnosti, zaradi katerih so primerne za zaščito omrežij verige blokov:

• Deterministično: Glede na isti vhod bo razpršitvena funkcija vedno dala isti izhod.
• Odpornost na predsliko: Računalniško je neizvedljivo najti vhod (sporočilo), ki ustvari dani izhod razpršitve. To je znano tudi kot enosmerna lastnost.
• Odpornost na drugo predsliko: Glede na vhod x je računalniško neizvedljivo najti drugačen vhod y, tako da je hash(x) = hash(y).
• Odpornost na trke: Računalniško je neizvedljivo najti dva različna vhoda x in y, tako da je hash(x) = hash(y).

Pogosto uporabljene razpršitvene funkcije v verigi blokov vključujejo SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit), ki ga uporablja Bitcoin, in Ethash, modificirano različico razpršitvene funkcije Keccak, ki jo je prej uporabljal Ethereum (pred prehodom na Proof-of-Stake).

Proof-of-Work (PoW) pojasnjeno

Proof-of-Work (PoW) je konsenzni mehanizem, ki od udeležencev v omrežju (rudarjev) zahteva, da rešijo računalniško zahtevno uganko, da bi v verigo blokov dodali nove bloke. Ta uganka običajno vključuje iskanje vrednosti nonce (naključnega števila), ki ob kombinaciji s podatki bloka in razpršitvi ustvari vrednost razpršitve, ki izpolnjuje določene kriterije (npr. ima določeno število začetnih ničel).

Postopek rudarjenja v PoW

1. Zbiranje transakcij: Rudarji zbirajo čakajoče transakcije iz omrežja in jih sestavijo v blok.
2. Konstrukcija glave bloka: Glava bloka vsebuje metapodatke o bloku, vključno z:
   • Razpršitev prejšnjega bloka: Razpršitev prejšnjega bloka v verigi, ki povezuje bloke skupaj.
   • Merklejevo korensko drevo: Razpršitev, ki predstavlja vse transakcije v bloku. Merklejevo drevo učinkovito povzema vse transakcije, kar omogoča preverjanje brez potrebe po obdelavi vsake posamezne transakcije.
   • Časovni žig: Čas, ko je bil blok ustvarjen.
   • Ciljna težavnost: Določa zahtevano težavnost uganke PoW.
   • Nonce: Naključno število, ki ga rudarji prilagodijo, da bi našli veljavno razpršitev.
3. Razprševanje in preverjanje: Rudarji večkrat razpršijo glavo bloka z različnimi vrednostmi nonce, dokler ne najdejo razpršitve, ki je manjša ali enaka ciljni težavnosti.
4. Oddajanje bloka: Ko rudar najde veljavno vrednost nonce, odda blok v omrežje.
5. Preverjanje: Drugi vozli v omrežju preverijo veljavnost bloka tako, da ponovno izračunajo razpršitev in se prepričajo, da izpolnjuje ciljno težavnost.
6. Dodajanje bloka: Če je blok veljaven, ga drugi vozli dodajo svoji kopiji verige blokov.

Vloga ciljne težavnosti

Ciljna težavnost se dinamično prilagaja, da ohranja dosledno stopnjo ustvarjanja blokov. Če se bloki ustvarjajo prehitro, se ciljna težavnost poveča, kar otežuje iskanje veljavne razpršitve. Nasprotno, če se bloki ustvarjajo prepočasi, se ciljna težavnost zmanjša, kar olajša iskanje veljavne razpršitve. Ta mehanizem prilagajanja zagotavlja stabilnost in varnost verige blokov.

Bitcoin na primer cilja povprečni čas ustvarjanja bloka 10 minut. Če se povprečni čas spusti pod to mejo, se težavnost sorazmerno poveča.

Varnostni vidiki v sistemih PoW, ki temeljijo na razpršitvi

Varnost sistemov PoW, ki temeljijo na razpršitvi, temelji na računalniški težavnosti iskanja veljavne razpršitve. Uspešen napad bi od napadalca zahteval, da nadzoruje znaten del razpršitvene moči omrežja, znan kot napad 51 %.

Napad 51 %

Pri napadu 51 % napadalec nadzoruje več kot polovico razpršitvene moči omrežja. To jim omogoča, da:

• Dvojno porabijo kovance: Napadalec lahko porabi svoje kovance, nato pa ustvari zasebno vilico verige blokov, kjer transakcija ni vključena. Nato lahko rudarijo bloke na tej zasebni vilici, dokler ne postane daljša od glavne verige. Ko sprostijo svojo zasebno vilico, bo omrežje prešlo na daljšo verigo in učinkovito razveljavilo prvotno transakcijo.
• Preprečijo potrditve transakcij: Napadalec lahko prepreči vključitev določenih transakcij v bloke in jih učinkovito cenzurira.
• Spremenijo zgodovino transakcij: Čeprav je izjemno težko, bi lahko napadalec teoretično prepisal dele zgodovine verige blokov.

Verjetnost uspešnega napada 51 % se eksponentno zmanjšuje, ko se razpršitvena moč omrežja poveča in postane bolj porazdeljena. Stroški pridobitve in vzdrževanja tako velike količine razpršitvene moči postanejo za večino napadalcev previsoki.

Ranljivosti algoritma razpršitve

Čeprav je zelo malo verjetno, bi lahko ranljivosti v osnovnem algoritmu razpršitve ogrozile varnost celotnega sistema. Če se odkrije pomanjkljivost, ki omogoča učinkovito iskanje trkov, bi lahko napadalec potencialno manipuliral z verigo blokov. Zato je ključno uporabljati uveljavljene in strogo preizkušene razpršitvene funkcije, kot je SHA-256.

Prednosti sistemov PoW, ki temeljijo na razpršitvi

Kljub kritikam glede porabe energije imajo sistemi PoW, ki temeljijo na razpršitvi, več prednosti:

• Varnost: PoW se je izkazal za zelo varen konsenzni mehanizem, ki ščiti pred različnimi napadi, vključno z napadi Sybil in dvojno porabo.
• Decentralizacija: PoW spodbuja decentralizacijo, saj omogoča vsem, ki imajo zadostno računalniško moč, da sodelujejo v postopku rudarjenja.
• Preprostost: Osnovni koncept PoW je relativno preprost za razumevanje in izvajanje.
• Preizkušen zapis: Bitcoin, prva in najuspešnejša kriptovaluta, se zanaša na PoW, kar dokazuje njegovo dolgoročno sposobnost preživetja.

Slabosti sistemov PoW, ki temeljijo na razpršitvi

Glavna pomanjkljivost sistemov PoW, ki temeljijo na razpršitvi, je njihova visoka poraba energije.

• Visoka poraba energije: PoW zahteva znatno računalniško moč, kar ima za posledico znatno porabo električne energije. To je sprožilo okoljske pomisleke in spodbudilo razvoj energetsko učinkovitejših konsenznih mehanizmov. Države, kot je Islandija, z obilico geotermalne energije, in regije na Kitajskem (pred prepovedjo rudarjenja kriptovalut) so postale središča rudarskih operacij zaradi nižjih stroškov električne energije.
• Centralizacija rudarske moči: Sčasoma se je rudarjenje vse bolj koncentriralo v velikih rudarskih skupinah, kar je sprožilo pomisleke glede potencialne centralizacije in vpliva teh skupin na omrežje.
• Težave s skalabilnostjo: PoW lahko omeji prepustnost transakcij verige blokov. Bitcoin na primer omejuje število transakcij, ki jih je mogoče obdelati na sekundo, zaradi omejitev velikosti bloka in časa bloka.

Alternative sistemom PoW, ki temeljijo na razpršitvi

Za reševanje omejitev PoW je nastalo več alternativnih konsenznih mehanizmov, vključno z:

• Proof-of-Stake (PoS): PoS izbere validatorje glede na količino kriptovalute, ki jo imajo in so jo pripravljeni »staviti« kot zavarovanje. Validatorji so odgovorni za ustvarjanje novih blokov in potrjevanje transakcij. PoS porabi bistveno manj energije kot PoW in lahko ponudi hitrejše čase potrditve transakcij.
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): DPoS omogoča imetnikom žetonov, da svojo glasovalno moč prenesejo na manjšo skupino validatorjev (delegatov). Delegati so odgovorni za ustvarjanje novih blokov in so nagrajeni za svoje delo. DPoS ponuja visoko prepustnost transakcij in energetsko učinkovitost.
• Proof-of-Authority (PoA): PoA se zanaša na niz vnaprej odobrenih validatorjev, ki so odgovorni za ustvarjanje novih blokov. PoA je primeren za zasebne ali dovoljene verige blokov, kjer je zaupanje vzpostavljeno med validatorji.

Razvijajoči se trendi v sistemih za dokazovanje dela na osnovi razpršitve

Raziskovalci in razvijalci nenehno raziskujejo načine za izboljšanje učinkovitosti in varnosti sistemov za dokazovanje dela na osnovi razpršitve. Nekateri trenutni trendi vključujejo:

• Odpornost na ASIC: Prizadeva si razviti algoritme PoW, ki so odporni na namenske integrirane tokokroge (ASIC). ASIC so specializirana strojna oprema, zasnovana posebej za rudarjenje, kar lahko vodi do centralizacije rudarske moči. Algoritmi, kot sta CryptoNight in Equihash, so bili zasnovani tako, da so odporni na ASIC, čeprav so se ASIC sčasoma razvili tudi za številne od teh algoritmov.
• Energetsko učinkoviti rudarski algoritmi: Raziskovalci raziskujejo nove algoritme PoW, ki zahtevajo manjšo porabo energije. Primeri vključujejo ProgPoW (Programski Proof-of-Work), zasnovan za izenačitev pogojev za rudarje GPU in ASIC, in algoritme, ki izkoriščajo neaktivne računalniške vire.
• Hibridni konsenzni mehanizmi: Kombiniranje PoW z drugimi konsenznimi mehanizmi, kot je PoS, za izkoriščanje prednosti obeh pristopov. Na primer, nekatere verige blokov uporabljajo PoW za zagon omrežja in nato prehod na PoS.

Primeri iz resničnega sveta

Več kriptovalut in platform verig blokov uporablja sisteme za dokazovanje dela na osnovi razpršitve:

• Bitcoin (BTC): Prvotna in najbolj znana kriptovaluta, Bitcoin uporablja SHA-256 za svoj algoritem PoW. Varnost Bitcoina vzdržuje obsežno omrežje rudarjev, porazdeljeno po vsem svetu.
• Litecoin (LTC): Litecoin uporablja algoritem za razpršitev Scrypt, ki je bil prvotno zasnovan tako, da je odporen na ASIC.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin uporablja tudi algoritem Scrypt.
• Ethereum (ETH): Ethereum je sprva uporabljal Ethash, modificirano različico razpršitvene funkcije Keccak, za svoj algoritem PoW, preden je prešel na Proof-of-Stake.

Izvedljivi vpogledi

Za posameznike in organizacije, ki jih zanima tehnologija verige blokov, je razumevanje sistemov za dokazovanje dela na osnovi razpršitve bistveno. Tukaj je nekaj izvedljivih vpogledov:

• Bodite obveščeni o najnovejšem razvoju konsenznih mehanizmov. Okolje verige blokov se nenehno razvija, redno se pojavljajo novi algoritmi in pristopi.
• Ocenite kompromise med različnimi konsenznimi mehanizmi. Upoštevajte varnost, energetsko učinkovitost, razširljivost in lastnosti decentralizacije vsakega pristopa.
• Upoštevajte vpliv PoW na okolje. Če je poraba energije zaskrbljujoča, raziščite alternativne konsenzne mehanizme ali podprite pobude, ki spodbujajo trajnostne rudarske prakse.
• Razumejte tveganja, povezana s centralizacijo rudarske moči. Podprite pobude, ki spodbujajo bolj porazdeljen in decentraliziran rudarski ekosistem.
• Za razvijalce: Temeljito preizkusite in revidirajte svoje implementacije razpršitvenih algoritmov, da se prepričate, da so varne in odporne na napade.

Zaključek

Sistemi za dokazovanje dela na osnovi razpršitve, zlasti Proof-of-Work, so imeli ključno vlogo pri zavarovanju omrežij verige blokov in omogočili ustvarjanje decentraliziranih kriptovalut. Čeprav je bil PoW deležen kritik zaradi visoke porabe energije, ostaja preverjen in zanesljiv konsenzni mehanizem. Ker se industrija verige blokov še naprej razvija, se tekoče raziskave in razvoj prizadevajo za izboljšanje učinkovitosti, varnosti in trajnosti sistemov za dokazovanje dela na osnovi razpršitve ter raziskujejo alternativne konsenzne mehanizme. Razumevanje teh sistemov je ključno za vse, ki so vključeni v prihodnost tehnologije verige blokov ali jih zanima.