إثبات العمل: التعدين وضبط الصعوبة

يتطلب إثبات العمل (PoW) من منتج الكتلة تنفيذ مهمة مكلفة حسابيًا لإضافة كتلة. ويحد ذلك من الرسائل المزعجة ويجعل إعادة كتابة السلسلة مكلفة. أما التحقق من الإثبات فزهيد التكلفة (تجزئة واحدة). ويتطلب إنجاز العمل إجراء عدد كبير من حسابات التجزئة.

إثبات العمل PoW في Bitcoin: اعثر على قيمة nonce بحيث تكون SHA256d(block_header) < target. والهدف هو عدد مكوّن من 256 بت. ويعني الهدف الأصغر ضرورة وجود عدد أكبر من الأصفار البادئة في ناتج التجزئة، ما يجعل قيم nonce الصالحة أندر وأصعب في العثور عليها.

import hashlib def mine(data, difficulty): target = "0"*difficulty nonce = 0 while True: h = hashlib.sha256(f"{data}{nonce}".encode()).hexdigest() if h.startswith(target): return nonce, h nonce += 1 nonce, h = mine("block data", 4) print(nonce, h) # hash starts with "0000"

تحتوي ترويسة كتلة Bitcoin على حقل "bits" الذي يرمّز الهدف الحالي. الهدف = coefficient * 256^(exponent-3). مثال: bits=0x1703a30c ← الهدف = 0x03a30c * 2^(8*(0x17-3))، وهو عدد مكوّن من 256 بتًا ويتطلب نحو 72 بتًا صفريًا في البداية.

يعدّل Bitcoin الصعوبة كل 2016 كتلة (نحو أسبوعين). تعديل الهدف: new_target = old_target * (actual_time / 2016 * 10 minutes). إذا جاءت الكتل أسرع من متوسط 10 دقائق، ينخفض الهدف (فتزداد الصعوبة). وإذا جاءت أبطأ، يرتفع الهدف (فتنخفض الصعوبة). ويحافظ ذلك على زمن كتلة يبلغ نحو 10 دقائق.

يقيس معدل تجزئة الشبكة (H/s) إجمالي قدرة التعدين. وكلما ارتفع معدل التجزئة، انخفض احتمال العثور على قيمة nonce صالحة عشوائيًا خلال وحدة زمنية معينة. ولإعادة كتابة k من الكتل، يحتاج المهاجم إلى أكثر من 50% من معدل تجزئة الشبكة، والمحافظة عليه لمدة تتناسب مع k*10 دقائق.

مع امتلاك أكثر من 50% من معدل التجزئة، يستطيع المهاجم: (1) تعدين تفرع سري، (2) تضمين المعاملات أو استبعادها، (3) تنفيذ إنفاق مزدوج من خلال نشر سلسلة أطول بعد تأكيد دفعة. لكنه لا يستطيع: سرقة عملات الآخرين، أو إنشاء عملات من العدم، أو عكس المعاملات العميقة في السلسلة.

تهيمن ASICs (الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيقات) على تعدين SHA256d في Bitcoin — وهي شرائح محسّنة لوظيفة تجزئة واحدة. وتتميز ASICs بكفاءة أعلى من وحدات CPU بمقدار 10^6 مرة. ويؤدي ذلك إلى تركّز التعدين في مراكز بيانات كبيرة، ما يثير مخاوف بشأن المركزية.

استخدم Ethereum خوارزمية Ethash (المهملة الآن)، وهي خوارزمية إثبات عمل صعبة من ناحية الذاكرة وتتطلب مجموعة بيانات DAG كبيرة. وتقاوم الصعوبة من ناحية الذاكرة ASICs، إذ يصعب تحسين عرض نطاق الذاكرة بتكلفة منخفضة. ويستخدم Monero خوارزمية RandomX (مُحسّنة لوحدات CPU ومقاومة لـ ASICs)، بينما يستخدم Zcash خوارزمية Equihash (الصعبة من ناحية الذاكرة).

استراتيجية التعدين الأناني: احتفظ بكتلة عُثر عليها، ثم عدّن كتلة ثانية، وبعد ذلك أطلق الكتلتين في الوقت نفسه. وإذا حدث ذلك في التوقيت المناسب، يهدر المعدّنون الصادقون عملهم على الكتلة المهجورة. ويتطلب الأمر نحو 33% من معدل التجزئة لتحقيق الربحية في المتوسط، وليس 51%.

يستبدل إثبات الحصة (PoS، المستخدم في Ethereum بعد عملية الدمج) عمل التجزئة بعملة مشفّرة مودَعة كحصة. ويُختار المدقّقون لاقتراح الكتل بما يتناسب مع حصصهم. ويستخدم PoS طاقة أقل بنسبة 99.95% من PoW. والمقابل هو افتراضات ثقة واقتصاديات هجوم مختلفة.

يتطلب إثبات العمل PoW العثور على قيمة nonce بحيث تكون SHA256d(header) < target. وتُعدّل الصعوبة كل 2016 كتلة. ويتيح امتلاك 51% من معدل التجزئة تنفيذ هجمات الإنفاق المزدوج. وتهيمن ASICs على تعدين Bitcoin، بينما تقاوم الدوال الصعبة من ناحية الذاكرة ASICs. التالي: Bitcoin Script وتوقيعات UTXO.