Proof of Work: mining och svårighetsjustering

Proof of Work (PoW) kräver att en blockproducent utför en beräkningsmässigt kostsam uppgift för att lägga till ett block. Detta motverkar spam och gör det dyrt att skriva om kedjan. Det är billigt att verifiera beviset (en hash). Att utföra arbetet kräver många hashberäkningar.

Bitcoin-PoW: hitta en nonce sådan att SHA256d(block_header) < target. target är ett 256-bitars tal. Ett mindre target innebär att hashresultatet måste ha fler inledande nollor, vilket gör giltiga nonce-värden mer sällsynta och svårare att hitta.

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"

Bitcoins blockhuvud har ett "bits"-fält som kodar det aktuella target-värdet. Target = coefficient * 256^(exponent-3). Exempel: bits=0x1703a30c → target = 0x03a30c * 2^(8*(0x17-3)) = ett 256-bitars tal som kräver ungefär 72 inledande nollbitar.

Bitcoin justerar svårighetsgraden var 2016:e block (cirka 2 veckor). Justering av target: new_target = old_target * (actual_time / 2016 * 10 minuter). Om blocken kom snabbare än ett genomsnitt på 10 minuter minskar target (svårare). Om de kom långsammare ökar target (lättare). Detta upprätthåller en blocktid på cirka 10 minuter.

Nätverkets hashrate (H/s) mäter den totala miningkapaciteten. Högre hashrate = mindre sannolikhet per tidsenhet att av en slump hitta en giltig nonce. För att skriva om k block behöver en angripare mer än 50 % av nätverkets hashrate under en tid som är proportionell mot k*10 minuter.

Med mer än 50 % hashrate kan en angripare: (1) bryta en hemlig förgrening, (2) ta med eller utesluta transaktioner, (3) genomföra en double-spend genom att publicera en längre kedja efter att en betalning har bekräftats. Kan inte: stjäla andras mynt, skapa mynt ur tomma intet, återkalla transaktioner långt bak i kedjan.

Bitcoin-mining med SHA256d domineras av ASIC:er (Application-Specific Integrated Circuits) — kretsar optimerade för en enda hashfunktion. ASIC:er är 10^6 gånger effektivare än processorer. Detta koncentrerar mining till stora datacenter och väcker farhågor om centralisering.

Ethereum använde Ethash (nu föråldrat) — minneshård PoW som kräver en stor DAG-datauppsättning. Minneshårdhet motverkar ASIC:er (minnesbandbredd är svår att optimera billigt). Monero använder RandomX (CPU-optimerad och ASIC-resistent). Zcash använder Equihash (minneshård).

Strategi för selfish mining: håll inne ett upptäckt block, bryt ett andra block och släpp sedan båda samtidigt. Om tidpunkten väljs rätt slösar ärliga miners arbete på det övergivna blocket. Kräver ungefär 33 % hashrate för att i genomsnitt vara lönsam, inte 51 %.

Proof of Stake (PoS, som Ethereum använder efter The Merge) ersätter hashberäkningar med kryptovaluta som satts in som insats. Validatorer väljs för att föreslå block i proportion till sin insats. PoS använder 99,95 % mindre energi än PoW. Avvägning: andra antaganden om tillit och annan attackekonomi.

PoW kräver att man hittar en nonce sådan att SHA256d(header) < target. Svårighetsgraden justeras var 2016:e block. 51 % hashrate möjliggör double-spend-attacker. ASIC:er dominerar Bitcoins mining; minneshårda funktioner motverkar ASIC:er. Nästa avsnitt: Bitcoin Script och UTXO-signaturer.