อัลกอริธึมการขุด: การสำรวจระบบหลักฐานตามแฮชในบล็อกเชน

ระบบหลักฐานตามแฮชเป็นส่วนประกอบพื้นฐานของเครือข่ายบล็อกเชนจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งผู้ที่ใช้กลไกฉันทามติแบบ Proof-of-Work (PoW) ระบบเหล่านี้อาศัยฟังก์ชันแฮชการเข้ารหัสเพื่อรักษาความปลอดภัยให้กับบล็อกเชนและตรวจสอบให้แน่ใจว่าธุรกรรมมีความถูกต้องและไม่สามารถแก้ไขได้ บทความนี้ให้ภาพรวมที่ครอบคลุมของระบบหลักฐานตามแฮช หลักการพื้นฐาน รายละเอียดการนำไปใช้ ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัย และแนวโน้มที่พัฒนาขึ้น

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับฟังก์ชันแฮชการเข้ารหัส

หัวใจสำคัญของระบบหลักฐานตามแฮชคือฟังก์ชันแฮชการเข้ารหัส ฟังก์ชันแฮชการเข้ารหัสเป็นอัลกอริทึมทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ข้อมูลจำนวนเท่าใดก็ได้เป็นอินพุต ("ข้อความ") และสร้างเอาต์พุตขนาดคงที่ ("แฮช" หรือ "สารสรุปข้อความ") ฟังก์ชันเหล่านี้มีคุณสมบัติสำคัญหลายประการที่ทำให้เหมาะสำหรับการรักษาความปลอดภัยเครือข่ายบล็อกเชน:

• Deterministic: เมื่อกำหนดอินพุตเดียวกัน ฟังก์ชันแฮชจะสร้างเอาต์พุตเดียวกันเสมอ
• Pre-image resistance: ไม่สามารถคำนวณได้อย่างเหมาะสมในการค้นหาอินพุต (ข้อความ) ที่สร้างเอาต์พุตแฮชที่กำหนด นี่เป็นที่รู้จักกันในชื่อคุณสมบัติทางเดียว
• Second pre-image resistance: เมื่อกำหนดอินพุต x ไม่สามารถคำนวณได้ในการค้นหาอินพุต y ที่แตกต่างกันเพื่อให้ hash(x) = hash(y)
• Collision resistance: ไม่สามารถคำนวณได้อย่างเหมาะสมในการค้นหาอินพุต x และ y ที่แตกต่างกันสองรายการเพื่อให้ hash(x) = hash(y)

ฟังก์ชันแฮชที่ใช้กันทั่วไปในบล็อกเชน ได้แก่ SHA-256 (Secure Hash Algorithm 256-bit) ซึ่งใช้โดย Bitcoin และ Ethash ซึ่งเป็นรุ่นแก้ไขของฟังก์ชันแฮช Keccak ซึ่งก่อนหน้านี้ใช้โดย Ethereum (ก่อนที่จะเปลี่ยนไปใช้ Proof-of-Stake)

อธิบาย Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work (PoW) เป็นกลไกฉันทามติที่กำหนดให้ผู้เข้าร่วมเครือข่าย (นักขุด) แก้ปริศนาที่คำนวณได้ยากเพื่อเพิ่มบล็อกใหม่ลงในบล็อกเชน โดยทั่วไป ปริศนานี้เกี่ยวข้องกับการค้นหา nonce (ตัวเลขสุ่ม) ที่เมื่อรวมกับข้อมูลของบล็อกและแฮชแล้ว จะสร้างค่าแฮชที่เป็นไปตามเกณฑ์บางอย่าง (เช่น มีศูนย์นำหน้าจำนวนหนึ่ง)

กระบวนการขุดใน PoW

1. การรวบรวมธุรกรรม: นักขุดรวบรวมธุรกรรมที่รอดำเนินการจากเครือข่ายและประกอบเป็นบล็อก
2. การสร้างส่วนหัวของบล็อก: ส่วนหัวของบล็อกมีข้อมูลเมตาเกี่ยวกับบล็อก รวมถึง:
• Previous Block Hash: แฮชของบล็อกก่อนหน้าใน chain ซึ่งเชื่อมโยงบล็อกเข้าด้วยกัน
• Merkle Root: แฮชที่แสดงถึงธุรกรรมทั้งหมดในบล็อก ต้นไม้ Merkle สรุปธุรกรรมทั้งหมดอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้สามารถตรวจสอบได้โดยไม่ต้องประมวลผลทุกธุรกรรม
• Timestamp: เวลาที่สร้างบล็อก
• Difficulty Target: กำหนดความยากที่ต้องการของปริศนา PoW
• Nonce: ตัวเลขสุ่มที่นักขุดปรับเพื่อค้นหาแฮชที่ถูกต้อง
3. การแฮชและการตรวจสอบ: นักขุดแฮชส่วนหัวของบล็อกซ้ำๆ ด้วยค่า nonce ที่แตกต่างกันจนกว่าพวกเขาจะพบแฮชที่น้อยกว่าหรือเท่ากับเป้าหมายความยาก
4. การออกอากาศบล็อก: เมื่อนักขุดพบ nonce ที่ถูกต้อง พวกเขาจะออกอากาศบล็อกไปยังเครือข่าย
5. การตรวจสอบ: โหนดอื่นๆ ในเครือข่ายตรวจสอบความถูกต้องของบล็อกโดยการคำนวณแฮชใหม่และตรวจสอบให้แน่ใจว่าเป็นไปตามเป้าหมายความยาก
6. การเพิ่มบล็อก: หากบล็อกถูกต้อง โหนดอื่นๆ จะเพิ่มลงในสำเนาของบล็อกเชน

บทบาทของเป้าหมายความยาก

เป้าหมายความยากปรับเปลี่ยนแบบไดนามิกเพื่อรักษาอัตราการสร้างบล็อกที่สอดคล้องกัน หากสร้างบล็อกเร็วเกินไป เป้าหมายความยากจะเพิ่มขึ้น ทำให้ยากต่อการค้นหาแฮชที่ถูกต้อง ในทางกลับกัน หากสร้างบล็อกช้าเกินไป เป้าหมายความยากจะลดลง ทำให้ง่ายต่อการค้นหาแฮชที่ถูกต้อง กลไกการปรับนี้ช่วยให้มั่นใจถึงเสถียรภาพและความปลอดภัยของบล็อกเชน

ตัวอย่างเช่น Bitcoin กำหนดเป้าหมายเวลาในการสร้างบล็อกโดยเฉลี่ย 10 นาที หากเวลาเฉลี่ยต่ำกว่าเกณฑ์นี้ ความยากจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน

ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยในระบบ PoW ที่ใช้แฮช

ความปลอดภัยของระบบ PoW ที่ใช้แฮชขึ้นอยู่กับความยากในการคำนวณในการค้นหาแฮชที่ถูกต้อง การโจมตีที่ประสบความสำเร็จจะต้องให้อันธพาลควบคุมพลังการแฮชของเครือข่ายในส่วนสำคัญ ซึ่งเรียกว่าการโจมตี 51%

การโจมตี 51%

ในการโจมตี 51% ผู้โจมตีจะควบคุมพลังการแฮชของเครือข่ายมากกว่าครึ่งหนึ่ง สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสามารถ:

• ใช้จ่ายเหรียญซ้ำ: ผู้โจมตีสามารถใช้จ่ายเหรียญได้ จากนั้นสร้าง fork ส่วนตัวของบล็อกเชนที่ไม่รวมธุรกรรม พวกเขาสามารถขุดบล็อกบน fork ส่วนตัวนี้จนกว่าจะยาวกว่า chain หลัก เมื่อพวกเขาปล่อย fork ส่วนตัว เครือข่ายจะเปลี่ยนไปใช้ chain ที่ยาวกว่า ซึ่งเป็นการย้อนกลับธุรกรรมเดิมอย่างมีประสิทธิภาพ
• ป้องกันการยืนยันธุรกรรม: ผู้โจมตีสามารถป้องกันไม่ให้ทำธุรกรรมบางอย่างในบล็อกได้ โดยมีผลเป็นการเซ็นเซอร์
• แก้ไขประวัติธุรกรรม: แม้ว่าจะยากมาก แต่ในทางทฤษฎีแล้วผู้โจมตีสามารถเขียนประวัติส่วนหนึ่งของบล็อกเชนใหม่ได้

ความน่าจะเป็นของการโจมตี 51% ที่ประสบความสำเร็จจะลดลงแบบทวีคูณเมื่อพลังการแฮชของเครือข่ายเพิ่มขึ้นและมีการกระจายตัวมากขึ้น ค่าใช้จ่ายในการได้รับและรักษาส่วนใหญ่ของพลังการแฮชดังกล่าวจะแพงเกินไปสำหรับผู้โจมตีส่วนใหญ่

ช่องโหว่อัลกอริธึมการแฮช

ในขณะที่โอกาสเกิดขึ้นได้ยาก ช่องโหว่ในอัลกอริทึมการแฮชพื้นฐานอาจส่งผลกระทบต่อความปลอดภัยของทั้งระบบ หากมีการค้นพบข้อบกพร่องที่ช่วยให้ค้นหาการชนกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผู้โจมตีอาจสามารถจัดการบล็อกเชนได้ นี่คือเหตุผลว่าทำไมจึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องใช้ฟังก์ชันแฮชที่ได้รับการยอมรับอย่างดีและได้รับการทดสอบอย่างเข้มงวด เช่น SHA-256

ข้อดีของระบบ PoW ที่ใช้แฮช

แม้จะมีการวิพากษ์วิจารณ์เกี่ยวกับการใช้พลังงาน ระบบ PoW ที่ใช้แฮชมีข้อดีหลายประการ:

• ความปลอดภัย: PoW ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นกลไกฉันทามติที่มีความปลอดภัยสูง ป้องกันการโจมตีต่างๆ รวมถึงการโจมตี Sybil และการใช้จ่ายซ้ำ
• การกระจายอำนาจ: PoW ส่งเสริมการกระจายอำนาจโดยอนุญาตให้ทุกคนที่มีพลังการประมวลผลเพียงพอมีส่วนร่วมในกระบวนการขุด
• ความเรียบง่าย: แนวคิดพื้นฐานของ PoW นั้นค่อนข้างง่ายต่อการทำความเข้าใจและนำไปใช้
• ประวัติความสำเร็จที่พิสูจน์แล้ว: Bitcoin ซึ่งเป็นสกุลเงินดิจิทัลแรกและประสบความสำเร็จมากที่สุด ขึ้นอยู่กับ PoW แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการใช้งานในระยะยาว

ข้อเสียของระบบ PoW ที่ใช้แฮช

ข้อเสียหลักของระบบ PoW ที่ใช้แฮชคือการใช้พลังงานในระดับสูง

• การใช้พลังงานสูง: PoW ต้องการพลังการคำนวณจำนวนมาก ส่งผลให้มีการใช้ไฟฟ้าจำนวนมาก สิ่งนี้ได้ก่อให้เกิดข้อกังวลด้านสิ่งแวดล้อมและกระตุ้นให้เกิดการพัฒนากลไกฉันทามติที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากขึ้น ประเทศต่างๆ เช่น ไอซ์แลนด์ ซึ่งมีพลังงานความร้อนใต้พิภพมากมาย และภูมิภาคต่างๆ ในประเทศจีน (ก่อนการแบนการขุดคริปโตเคอเรนซี) กลายเป็นศูนย์กลางสำหรับการดำเนินงานด้านการขุดเนื่องจากต้นทุนไฟฟ้าที่ต่ำกว่า
• การรวมศูนย์ของพลังงานการขุด: เมื่อเวลาผ่านไป การขุดได้กลายเป็นแบบรวมศูนย์มากขึ้นในกลุ่มการขุดขนาดใหญ่ ซึ่งก่อให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับการรวมศูนย์ที่เป็นไปได้และอิทธิพลของกลุ่มเหล่านี้ที่มีต่อเครือข่าย
• ปัญหาการปรับขนาด: PoW สามารถจำกัดปริมาณธุรกรรมของบล็อกเชน ตัวอย่างเช่น ขนาดบล็อกและข้อจำกัดด้านเวลาของบล็อกของ Bitcoin จะจำกัดจำนวนธุรกรรมที่สามารถประมวลผลได้ต่อวินาที

ทางเลือกอื่นสำหรับ PoW ที่ใช้แฮช

กลไกฉันทามติทางเลือกหลายอย่างได้เกิดขึ้นเพื่อแก้ไขข้อจำกัดของ PoW รวมถึง:

• Proof-of-Stake (PoS): PoS เลือกผู้ตรวจสอบความถูกต้องตามจำนวนคริปโตเคอเรนซีที่พวกเขามีและเต็มใจที่จะ "เดิมพัน" เป็นหลักประกัน ผู้ตรวจสอบความถูกต้องมีหน้าที่สร้างบล็อกใหม่และตรวจสอบธุรกรรม PoS ใช้พลังงานน้อยกว่า PoW อย่างมาก และสามารถเสนอเวลาในการยืนยันธุรกรรมที่เร็วกว่า
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS): DPoS อนุญาตให้ผู้ถือโทเค็นมอบอำนาจการลงคะแนนเสียงให้กับผู้ตรวจสอบความถูกต้องกลุ่มเล็กๆ (ผู้ได้รับมอบหมาย) ผู้ได้รับมอบหมายมีหน้าที่สร้างบล็อกใหม่และได้รับค่าตอบแทนสำหรับการทำงาน DPoS ให้ปริมาณธุรกรรมสูงและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน
• Proof-of-Authority (PoA): PoA อาศัยผู้ตรวจสอบความถูกต้องที่ได้รับการอนุมัติล่วงหน้าซึ่งมีหน้าที่สร้างบล็อกใหม่ PoA เหมาะสำหรับบล็อกเชนส่วนตัวหรือได้รับอนุญาต ซึ่งมีการสร้างความไว้วางใจในหมู่ผู้ตรวจสอบความถูกต้อง

แนวโน้มที่พัฒนาขึ้นในระบบหลักฐานตามแฮช

นักวิจัยและนักพัฒนาพยายามอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยของระบบหลักฐานตามแฮช แนวโน้มปัจจุบันบางประการ ได้แก่:

• ASIC Resistance: กำลังพยายามพัฒนาอัลกอริธึม PoW ที่ทนทานต่อ Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) ASICs เป็นฮาร์ดแวร์พิเศษที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการขุด ซึ่งอาจนำไปสู่การรวมศูนย์กลางของพลังงานการขุด อัลกอริทึมเช่น CryptoNight และ Equihash ได้รับการออกแบบมาให้ทนทานต่อ ASIC แม้ว่า ASIC จะได้รับการพัฒนาสำหรับอัลกอริทึมจำนวนมากเหล่านี้ในที่สุดก็ตาม
• อัลกอริธึมการขุดที่ประหยัดพลังงาน: นักวิจัยกำลังสำรวจอัลกอริทึม PoW ใหม่ที่ต้องการการใช้พลังงานน้อยลง ตัวอย่าง ได้แก่ ProgPoW (Programmatic Proof-of-Work) ซึ่งออกแบบมาเพื่อปรับระดับการเล่นระหว่าง GPU และนักขุด ASIC และอัลกอริทึมที่ใช้ประโยชน์จากทรัพยากรการคำนวณที่ไม่ได้ใช้งาน
• กลไกฉันทามติแบบไฮบริด: การรวม PoW เข้ากับกลไกฉันทามติอื่นๆ เช่น PoS เพื่อใช้ประโยชน์จากจุดแข็งของทั้งสองแนวทาง ตัวอย่างเช่น บล็อกเชนบางรายการใช้ PoW เพื่อบูตสแตรปเครือข่าย จากนั้นจึงเปลี่ยนไปใช้ PoS

ตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริง

สกุลเงินดิจิทัลและแพลตฟอร์มบล็อกเชนหลายแห่งใช้ระบบหลักฐานตามแฮช:

• Bitcoin (BTC): Bitcoin ซึ่งเป็นสกุลเงินดิจิทัลดั้งเดิมและเป็นที่รู้จักกันดีที่สุด ใช้ SHA-256 สำหรับอัลกอริทึม PoW ความปลอดภัยของ Bitcoin ได้รับการดูแลรักษาโดยเครือข่ายนักขุดจำนวนมากที่กระจายอยู่ทั่วโลก
• Litecoin (LTC): Litecoin ใช้ Scrypt hashing algorithm ซึ่งในตอนแรกได้รับการออกแบบมาให้ทนทานต่อ ASIC
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin ยังใช้อัลกอริทึม Scrypt
• Ethereum (ETH): Ethereum ในตอนแรกใช้ Ethash ซึ่งเป็นรุ่นแก้ไขของฟังก์ชันแฮช Keccak สำหรับอัลกอริทึม PoW ก่อนที่จะเปลี่ยนไปใช้ Proof-of-Stake

ข้อมูลเชิงลึกที่นำไปปฏิบัติได้

สำหรับบุคคลและองค์กรที่สนใจเทคโนโลยีบล็อกเชน การทำความเข้าใจระบบหลักฐานตามแฮชเป็นสิ่งสำคัญ นี่คือข้อมูลเชิงลึกที่นำไปปฏิบัติได้:

• ติดตามข่าวสารล่าสุดเกี่ยวกับการพัฒนาในกลไกฉันทามติ ภูมิทัศน์บล็อกเชนมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยมีอัลกอริธึมและแนวทางใหม่ๆ เกิดขึ้นเป็นประจำ
• ประเมินการแลกเปลี่ยนระหว่างกลไกฉันทามติที่แตกต่างกัน พิจารณาความปลอดภัย ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน ความสามารถในการปรับขนาด และคุณสมบัติการกระจายอำนาจของแต่ละแนวทาง
• พิจารณาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของ PoW หากการใช้พลังงานเป็นข้อกังวล ให้สำรวจกลไกฉันทามติทางเลือกหรือสนับสนุนความคิดริเริ่มที่ส่งเสริมแนวทางปฏิบัติในการขุดที่ยั่งยืน
• ทำความเข้าใจความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการรวมศูนย์ของพลังงานการขุด สนับสนุนความคิดริเริ่มที่ส่งเสริมระบบนิเวศการขุดที่มีการกระจายอำนาจและกระจายอำนาจมากขึ้น
• สำหรับนักพัฒนา: ทดสอบและตรวจสอบการนำอัลกอริธึมการแฮชของคุณอย่างเข้มงวดเพื่อให้แน่ใจว่ามีความปลอดภัยและทนทานต่อการโจมตี

บทสรุป

ระบบหลักฐานตามแฮช โดยเฉพาะ Proof-of-Work มีบทบาทสำคัญในการรักษาความปลอดภัยเครือข่ายบล็อกเชนและเปิดใช้งานการสร้างสกุลเงินดิจิทัลแบบกระจายอำนาจ แม้ว่า PoW จะเผชิญกับการวิพากษ์วิจารณ์เกี่ยวกับการใช้พลังงานในระดับสูง แต่ก็ยังคงเป็นกลไกฉันทามติที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและเชื่อถือได้ ในขณะที่อุตสาหกรรมบล็อกเชนยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความยั่งยืนของระบบหลักฐานตามแฮช และการสำรวจกลไกฉันทามติทางเลือก การทำความเข้าใจระบบเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่เกี่ยวข้องหรือสนใจอนาคตของเทคโนโลยีบล็อกเชน