Proof of Work: การขุดและการปรับความยาก

การพิสูจน์การทำงาน (PoW) กำหนดให้ผู้สร้างบล็อกทำงานที่ใช้การคำนวณสูงเพื่อเพิ่มบล็อก งานนี้ช่วยยับยั้งสแปมและทำให้การเขียนห่วงโซ่ใหม่มีต้นทุนสูง การตรวจสอบหลักฐานทำได้รวดเร็ว โดยใช้แฮชเพียงครั้งเดียว ส่วนการทำงานจริงต้องคำนวณแฮชจำนวนมาก

การพิสูจน์การทำงานของบิตคอยน์: ค้นหานอนซ์ที่ทำให้ SHA256d(block_header) < target โดย target คือจำนวนขนาด 256 บิต ค่า target ที่เล็กลงหมายถึงต้องมีเลขศูนย์นำหน้าในผลลัพธ์แฮชมากขึ้น ทำให้นอนซ์ที่ถูกต้องหาได้ยากและมีจำนวนน้อยลง

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"

ส่วนหัวบล็อกบิตคอยน์มีฟิลด์ "bits" ซึ่งเข้ารหัส target ปัจจุบัน โดย Target = coefficient * 256^(exponent-3) ตัวอย่าง: bits=0x1703a30c → target = 0x03a30c * 2^(8*(0x17-3)) = จำนวนขนาด 256 บิตที่ต้องมีศูนย์นำหน้าประมาณ 72 บิต

บิตคอยน์จะปรับความยากทุก 2016 บล็อก (ประมาณ 2 สัปดาห์) การปรับ target คือ new_target = old_target * (actual_time / 2016 * 10 minutes) หากสร้างบล็อกได้เร็วกว่าเฉลี่ย 10 นาที target จะลดลง ทำให้ยากขึ้น หากช้ากว่านั้น target จะเพิ่มขึ้น ทำให้ง่ายขึ้น วิธีนี้ช่วยรักษาเวลาเฉลี่ยต่อบล็อกไว้ที่ประมาณ 10 นาที

อัตราแฮชของเครือข่าย (H/s) ใช้วัดกำลังการขุดทั้งหมด อัตราแฮชที่สูงขึ้นหมายถึงความน่าจะเป็นต่อหน่วยเวลาที่จะค้นพบนอนซ์ที่ถูกต้องโดยบังเอิญมีน้อยลง หากต้องการเขียนห่วงโซ่จำนวน k บล็อกใหม่ ผู้โจมตีต้องมีอัตราแฮชมากกว่า 50% ของเครือข่ายต่อเนื่องเป็นเวลาที่แปรผันตาม k*10 นาที

เมื่อมีอัตราแฮชมากกว่า 50% ผู้โจมตีสามารถ: (1) ขุดห่วงโซ่แยกไว้เป็นความลับ (2) รวมธุรกรรมหรือไม่รวมธุรกรรม (3) ใช้จ่ายซ้ำโดยเผยแพร่ห่วงโซ่ที่ยาวกว่าหลังจากการชำระเงินได้รับการยืนยันแล้ว ไม่สามารถ: ขโมยเหรียญของผู้อื่น สร้างเหรียญขึ้นจากความว่างเปล่า หรือย้อนธุรกรรมที่อยู่ลึกในห่วงโซ่

การขุด SHA256d ของบิตคอยน์ถูกครอบงำโดย ASIC (วงจรรวมเฉพาะงาน) ซึ่งเป็นชิปที่ปรับให้เหมาะกับฟังก์ชันแฮชเดียว ASIC มีประสิทธิภาพสูงกว่า CPU ถึง 10^6 เท่า ส่งผลให้การขุดกระจุกตัวอยู่ในศูนย์ข้อมูลขนาดใหญ่และก่อให้เกิดข้อกังวลด้านการรวมศูนย์

อีเธอเรียมเคยใช้ Ethash (ปัจจุบันเลิกใช้แล้ว) — การพิสูจน์การทำงานที่ใช้หน่วยความจำสูงและต้องใช้ชุดข้อมูล DAG ขนาดใหญ่ การใช้หน่วยความจำสูงช่วยต้านทาน ASIC ได้ เพราะแบนด์วิดท์หน่วยความจำปรับให้เหมาะสมด้วยต้นทุนต่ำได้ยาก โมเนโรใช้ RandomX ซึ่งปรับให้เหมาะกับ CPU และต้านทาน ASIC ส่วนซีแคชใช้ Equihash ซึ่งใช้หน่วยความจำสูง

กลยุทธ์การขุดแบบเห็นแก่ตัวคือการเก็บบล็อกที่ค้นพบไว้ไม่เผยแพร่ ขุดบล็อกที่สอง แล้วเผยแพร่ทั้งสองบล็อกพร้อมกัน หากจับจังหวะได้ถูกต้อง นักขุดที่ซื่อสัตย์จะเสียงานไปกับบล็อกกำพร้า โดยเฉลี่ยแล้วกลยุทธ์นี้ต้องมีอัตราแฮชประมาณ 33% จึงจะทำกำไรได้ ไม่ใช่ 51%

การพิสูจน์การถือครอง (PoS ซึ่งอีเธอเรียมใช้หลังการเปลี่ยนผ่านเครือข่าย) แทนที่งานแฮชด้วยสกุลเงินดิจิทัลที่นำมาวางเดิมพัน ผู้ตรวจสอบจะได้รับเลือกให้เสนอและสร้างบล็อกตามสัดส่วนของเงินที่วางเดิมพัน PoS ใช้พลังงานน้อยกว่าการพิสูจน์การทำงาน 99.95% ข้อแลกเปลี่ยนคือมีสมมติฐานด้านความไว้วางใจและเศรษฐศาสตร์ของการโจมตีที่แตกต่างกัน

การปรับความยากของบิตคอยน์พยายามรักษาสิ่งใดไว้

การพิสูจน์การทำงานกำหนดให้ค้นหานอนซ์ที่ทำให้ SHA256d(header) < target ความยากจะปรับทุก 2016 บล็อก การมีอัตราแฮช 51% ช่วยให้โจมตีด้วยการใช้จ่ายซ้ำได้ ASIC ครองการขุดบิตคอยน์ ส่วนฟังก์ชันที่ใช้หน่วยความจำสูงจะต้านทาน ASIC บทถัดไป: สคริปต์บิตคอยน์และลายเซ็น UTXO