Proof of Work: mining e adeguamento della difficoltà

La Proof of Work (PoW) richiede al produttore di un blocco di eseguire un'attività computazionalmente costosa per aggiungere un blocco. Questo scoraggia lo spam e rende costosa la riscrittura della catena. Verificare la prova è semplice (un solo hash). Il lavoro richiede numerosi calcoli di hash.

PoW di Bitcoin: trovare un nonce tale che SHA256d(block_header) < target. Il target è un numero a 256 bit. Un target più piccolo richiede più zeri iniziali nell'output dell'hash, rendendo i nonce validi più rari e difficili da trovare.

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"

Il campo "bits" dell'intestazione del blocco Bitcoin codifica il target corrente. Target = coefficient * 256^(exponent-3). Esempio: bits=0x1703a30c → target = 0x03a30c * 2^(8*(0x17-3)) = un numero a 256 bit per il quale sono necessari circa 72 bit iniziali a zero.

Bitcoin aggiusta la difficoltà ogni 2016 blocchi (circa 2 settimane). Aggiustamento del target: new_target = old_target * (actual_time / 2016 * 10 minutes). Se i blocchi sono stati creati con una media inferiore a 10 minuti, il target diminuisce (la difficoltà aumenta). Se sono stati creati più lentamente, il target aumenta (la difficoltà diminuisce). In questo modo si mantiene un tempo di circa 10 minuti per blocco.

L'hash rate della rete (H/s) misura la potenza complessiva di mining. Un hash rate maggiore corrisponde a una probabilità minore, per unità di tempo, di trovare casualmente un nonce valido. Per riscrivere k blocchi, un attaccante ha bisogno di oltre il 50% dell'hash rate della rete, mantenuto per un tempo proporzionale a k*10 minuti.

Con oltre il 50% dell'hash rate, un attaccante può: (1) minare un fork segreto, (2) includere o escludere transazioni, (3) effettuare un double-spend pubblicando una catena più lunga dopo la conferma di un pagamento. Non può: rubare le coin altrui, creare coin dal nulla o annullare transazioni profondamente sepolte nella catena.

Il mining SHA256d di Bitcoin è dominato dagli ASIC (Application-Specific Integrated Circuits), chip ottimizzati per una singola funzione hash. Gli ASIC sono 10^6 volte più efficienti delle CPU. Questo concentra il mining nei grandi data center, aumentando i timori di centralizzazione.

Ethereum utilizzava Ethash (ora deprecato), una PoW memory-hard che richiedeva un grande dataset DAG. Questa proprietà ostacola gli ASIC (la larghezza di banda della memoria è difficile da ottimizzare a basso costo). Monero usa RandomX (ottimizzato per CPU e resistente agli ASIC). Zcash usa Equihash (memory-hard).

Strategia di selfish mining: trattenere un blocco trovato, minare un secondo blocco e poi rilasciarli entrambi simultaneamente. Se il rilascio è sincronizzato correttamente, i miner onesti sprecano lavoro sul blocco orfano. In media, per risultare redditizia richiede circa il 33% dell'hash rate, non il 51%.

La Proof of Stake (PoS, usata da Ethereum dopo il Merge) sostituisce il lavoro di hash con criptovaluta messa in staking. I validatori vengono scelti per proporre i blocchi in proporzione alla quantità messa in staking. La PoS usa il 99,95% di energia in meno rispetto alla PoW. Compromesso: diverse ipotesi di fiducia e diversa economia degli attacchi.

Che cosa cerca di mantenere l'aggiustamento della difficoltà di Bitcoin?

La PoW richiede di trovare un nonce tale che SHA256d(header) < target. La difficoltà viene aggiustata ogni 2016 blocchi. Un hash rate del 51% consente attacchi double-spend. Gli ASIC dominano il mining di Bitcoin; le funzioni memory-hard ostacolano gli ASIC. Prossimo argomento: Bitcoin Script e firme UTXO.