Proof of Work: wydobywanie i dostosowywanie trudności

Proof of Work (PoW) wymaga od twórcy bloku wykonania kosztownego obliczeniowo zadania w celu dodania bloku. Zniechęca to do spamu i sprawia, że przepisanie łańcucha jest kosztowne. Weryfikacja dowodu jest tania (jeden skrót). Wykonanie pracy wymaga wielu obliczeń skrótów.

PoW w Bitcoinie: znajdź nonce takie, że SHA256d(block_header) < target. Target to liczba 256-bitowa. Mniejszy target oznacza konieczność uzyskania większej liczby zer wiodących w wyniku haszowania, przez co prawidłowe wartości nonce są rzadsze i trudniejsze do znalezienia.

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"

Nagłówek bloku Bitcoina zawiera pole „bits” kodujące bieżący target. Target = coefficient * 256^(exponent-3). Przykład: bits=0x1703a30c → target = 0x03a30c * 2^(8*(0x17-3)) = liczba 256-bitowa wymagająca około 72 zer wiodących w bitach.

Bitcoin dostosowuje trudność co 2016 bloków (około 2 tygodnie). Dostosowanie targetu: new_target = old_target * (actual_time / 2016 * 10 minut). Jeśli bloki powstawały średnio szybciej niż co 10 minut, target maleje (jest trudniej). Jeśli powstawały wolniej, target rośnie (jest łatwiej). Pozwala to utrzymać czas tworzenia bloku na poziomie około 10 minut.

Moc obliczeniowa sieci (H/s) mierzy łączną moc wydobywczą. Wyższa moc obliczeniowa oznacza mniejsze prawdopodobieństwo znalezienia prawidłowego nonce przez przypadek w jednostce czasu. Aby przepisać k bloków, atakujący potrzebuje ponad 50% mocy obliczeniowej sieci utrzymywanej przez czas proporcjonalny do k*10 minut.

Mając ponad 50% mocy obliczeniowej, atakujący może: (1) wydobywać tajne rozwidlenie, (2) uwzględniać transakcje lub je pomijać, (3) przeprowadzić atak podwójnego wydawania, publikując dłuższy łańcuch po potwierdzeniu płatności. Nie może: ukraść cudzych monet, tworzyć monet z niczego ani odwracać transakcji głęboko w łańcuchu.

Wydobywanie Bitcoina z SHA256d jest zdominowane przez ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) — układy zoptymalizowane pod kątem jednej funkcji skrótu. ASIC są 10^6 razy wydajniejsze od procesorów. Prowadzi to do koncentracji wydobywania w dużych centrach danych i budzi obawy dotyczące centralizacji.

Ethereum używało Ethash (obecnie wycofanego) — PoW wymagającego dużego zbioru danych DAG i dużej ilości pamięci. Wymagania pamięciowe utrudniają stosowanie ASIC-ów (przepustowość pamięci trudno tanio zoptymalizować). Monero używa RandomX (zoptymalizowanego pod kątem CPU i odpornego na ASIC-i). Zcash używa Equihash (wymagającego dużej ilości pamięci).

Strategia samolubnego wydobywania: zachowaj znaleziony blok w tajemnicy, wydobądź drugi blok, a następnie opublikuj oba jednocześnie. Jeśli moment zostanie odpowiednio dobrany, uczciwi górnicy zmarnują pracę na osieroconym bloku. Aby strategia była średnio opłacalna, wymaga około 33% mocy obliczeniowej, a nie 51%.

Proof of Stake (PoS, używany przez Ethereum po The Merge) zastępuje pracę obliczeniową stakowaną kryptowalutą. Walidatorzy są wybierani do proponowania bloków proporcjonalnie do posiadanego stake'u. PoS zużywa o 99,95% mniej energii niż PoW. Kompromis: inne założenia dotyczące zaufania i ekonomika ataków.

Co ma utrzymywać dostosowywanie trudności w Bitcoinie?

PoW wymaga znalezienia nonce takiego, że SHA256d(header) < target. Trudność jest dostosowywana co 2016 bloków. Moc obliczeniowa na poziomie 51% umożliwia ataki podwójnego wydawania. W wydobywaniu Bitcoina dominują ASIC-i, a funkcje wymagające dużej ilości pamięci są odporne na ASIC-i. Następny temat: Bitcoin Script i podpisy UTXO.