بیت کوین و فناوری بلاک چین

1)ملزومات بیت 1

ساتوشی ناکاموتو در اثر معروف خود راه حلی را برای مشکلاتی که پیاده سازی و قابلیت استفاده ارز دیجیتال با آن مواجع بود . به ویژه مشکل دوگانه خرج کردن نشان داد. در حالی که هویت واقعی ناکاموتو محل حدس و گمان است. آنچه مشخص است این است که او تا سال 2010 در پروژه بیت کوین فعال بوده و سپس عقب نشینی کرد و پروژه را برای توسعه بیشتر در اختیار جامعه قرار داد.

او سیستمی را با سرور تمبر زمانی توزیع شده p2p پیشنهاد کرد که به عنوان مولد اثبات محاسباتی ترتیب زمانی تراکنش ها عمل میکند. سکه الکترونیکی به عنوان زنجیره ای از امضای دیجیتال تعریف میشود. هر تراکنش به عنوان مجموعه ای از هش امضا شده دیجیتالی تراکنش قبلی و کلید عمومی مالک بعدی تعریف میشود. همانطور که در شکل نشان داده شده است از کلید خصوصی برای امضای تراکنش استفاده می شود و کلید عمومی برای تایید تراکنش انجام میشود. کلید عمومی در کیف پول نگه داری می شود. به عنوان مجموعه ای از هش امضا شده صورت زنجیره ای نرم افزاری، سخت افزاری یا آنلاین پیاده سازی شود.

شکل1)ساختار تراکنش در 1 چین، بیت کوین

دفتر کل بیت کوین به عنوان یک سیستم انتقال وضعیت تعریف میشود که شامل حالتی است که وضعیت مالکیت تمام بیت کوین های موجود و یک تابع انتقال وضعیت را در قالب تراکنش نشان می دهد. خروجی تابع انتقال یک حالت جدید است. نتایج این فرایند تغییرات حالت فرستنده و گیرنده در صورتی است که فرستنده بیت کوین کافی برای انجام یک تراکنش داشته باشد یا در غیر این صورت خطا داشته باشد.

2)معاملات بیت کوین

هر تراکنش با مقدار هش تعیین می شود که نشان دهنده یک شناسه تراکنش و مجموعه ای از ورودی ها و خروجی ها است. هر خروجی تراکنش فقط یک بار می تواند به عنوان ورودی در کل بلاک چین استفاده شود. تلاش برای ارجاع نشده باشد، خروجی تراکنش خرج نشده (UTXO) و اگر به آن ارجاع داده شده باشد، خروجی تراکنش مصرف شده (STXO) نامیده می شود. یک تراکنش می تواند چندین ورودی و تنها دو تا خروجی داشته باشد.

ورودی های چندگانه را می توان برای ترکیب مقادیر کمتری از سکه های در حال انتقال استفاده کرد، و خروجی ها میتوانند مقداری باشد که برای طرف مقابل ارسال می شود یا تغییری که به فرستنده بازگردانده می شود.

دفتر کل بیت کوین به عنوان یک سیستم انتقال وضعیت تعریف می شود که شامل حالتی است که وضعیت مالکیت تمام تمام بیت کوین های موجود و یک تابع انتقال وضعیت را درقالب تراکنش نشان می دهد. خروجی تابع انتقال یک حالت جدید است. نتایج این فرایند تغییرات حالت فرستنده و گیرنده در صورتی است که فرستنده بیت کوین کافی برای انجام یک تراکنش را داشته باشد یا در غیر این صورت خطا داشته باشد.

با این حال یک کاربر می تواند سعی کند شبکه را دستکاری کند و بیش از یک تراکنش از یک سکه را برای کاربران مختلف صادر کند(مشکل خرج مضاعف). علاوه بر این، همان کاربر مبی تواند چندید نمونه را برای تایید قصد اولیه خود تنظیم کند و در نتیجه حمله sybil را انجام دهد.

3)اثبات کار و بلاک چین

با درخواست اثبات کار از هر گره ای که تراکنش را تایید میکند، از این موقعیت ها در شبکه بیت کوین جلوگیری میشود(یا حداقل به حداقل می رسد). گره ها باید محاسبات سنگینی را انجام دهند تا ثابت کنند که اعضای معتبر شبکه هستند. تا زمانی که کل قدرت محاسباتی گره های صادق بیشتر از قدرت محاسباتی مهاجم باشد ، سیشتم ثابت می ماند و تمام تراکنش های قانونی رخ می دهند.

مجموعه ای از تراکنش ها همراه با هش بلوک قبلی و nonce یک بلوک را اعلام میکند. یک سرور برچسب زمانی یک هش از یک بلوک ایجاد میکند و آن را به طور عمومی اعلام میکند ، بنابراین ثابت می کند که که داده های داخل بلوک باید در زمان هش وجود داشته باشند.

سرور مهر زمان باید تایید کند که مهر زمانی بلوک از مهر زمانی بلوک قبلی در زنجیره بیشتر است و کمتر از دو ساعت در آینده است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. این هش ها در یک زنجیره به هم متصل می شوند و به آن زنجیره بلوک می گویند.

ویژگی مهم بلاک چین این است که تراکنش ها را می توان در هر زمانی از تاریخ ردیابی کرد.

شکل2) طرح بلاک چین

طرح هش اثبات کار که بیت کوین استفاده می کند مشابه Hashcash و بر اساس تابع هش SHA-256 است. اثبات کار با افزایش یک nonce در بلوک انجام میشود تا زمانی که مقداری تولید شود که در ابتدای هش بلوک تعداد بیت های صفر مورد نیاز را داشته باشد. پس از انجام آن، نمی توان آن را بدون تکرار محاسبات واگرد کرد. اگر به نحوی توسط یک مهاجم مخرب تغییر کند، همه بلوک های زیر دارای هش نامعتبر خواهند بود . قاعده این است که طولانی ترین زنجیره ای که اکثریت اجماع را در شبکه دارد، زنجیره صحیح است، بنابراین اگر مهاجم بخواهد بلوکی را تغییر دهد، باید قدرت محاسباتی کافی برای غلبه بر رای اکثریت گره های صادق داشته باشد، بنابراین وارد مشکل مسابقه می شود.

تراکنش های درون یک بلوک در درخت مرکل هش می شوند. درخت مرکل نوعی درخت دوتایی با گره های برگ زیادی است و ریشه گره های برگ هش فرزندان آن است. شکل 4 یک بلوک بیت کوین را نشان می دهد که از درخت مرکل هش تراکنش تشکیل شده است. هر گونه ناهماهنگی در درخت جایی در زنجیره منعکس می شود. بنابراین درخت مرکل برای نگه داری طولانی مدت حیاتی است. این کار برای آزاد کردن فضای ذخیره سازی مورد نیاز برای ذخیره بلاک چین روی گره ها انجام می شود. اندازه فعلی بلاک چین بیت کوین حدود 144.8 گیگابایت است. پس از اینکه تراکنش هادر یک بلوک گنجانده شدند و این بلوک تایید شد، شبکه همه هش های یک درخت به جز هش ریشه موجود در هش بلوک را دور می اندازد. بیت کوین یک تایید پرداخت ساده (SPV) را معرفی کرد که به گره ها نیازی به نگه داشتن رکورد کامل تراکنش ها ندارد، بلکه فقط کپی هدر های بلوک طولانی ترین زنجیره را دارد.

شکل 3)یک بلوک بیت کوین با تراکنش های هش شده در درخت مرکل

4)شبکه بیت کوین و استخراج

اولین تراکنش در یک بلوک یک سکه جدید ایجاد می کند که متعلق به سازنده گروه است . این به گره ها انگیزه می دهد تا تراکنش ها را تایید کنند،و سکه ها را در گردش قرار می دهد،زیرا مرجع مرکزی وجود ندارد که انها را صادر کنید.این تراکنش را تراکنش کوین بیس می نامند.با این رویکرد،گره ها انگیزه ای برای صادق ماندن هستند.شبکه بیت کوین برای تولید یک بلوک در حدود ده دقیقه در نظر گرفته شده است.از انجایی که قدرت محاسباتی در زمان افزایش می یابد،زمان بلوک با افزایش تدریجی دشواری تولید بلوک های جدید تا حدودی ثابت می ماند.

شبکه بیت کوین با پخش تراکنش های جدید به تمام گره ها شروع می شود.هر گره تراکنش ها را در یک بلوک جمع اوری می کند و بر روی یافتن اثبات ان کار می کند و پس از ان بلوک خود را به شبکه پخش می کند.گره های شبکه فقط در صورتی بلوک را معتبرمی پذیرند که تمام تراکنس های درون ان درست باشد و قبلا خرج نشده باشد.اگر بلوک توسط شبکه پذیرفته شود،زنجیره با ایجاد بلوک بعدی و افزودن هش بلوک اضافه شده قبلی به ان ادامه می یابد.

علاوه بر پاداش بر اساس ایجاد بلوک گره ها با سکه و با تایید تراکنش ها پاداش می گیرند فرایند افزودن بلوک های جدید به زنجیره بلوکی استخراج نامیده میشود پاداش بلوک اولیه روی 50 سکه (50 بیت کوین) تنظیم شده بود و قرار بود به تدریج با هر 210000 بلوک به نصف تقسیم شود اولین بلوک در بلاک چین بلوک پیدایش است و برای تامین 50 بیت کوین اولیه به شبکه استفاده میشود. نصف شدن پاداش ایجاد بلوک تا زمانی که پاداش به زیر یک ساتوشی که حداقل واحد بیت کوین است و برابر با BTC 8-10 کاهش یابد.

با در نظر گرفتن ماهیت سیستم های غیر متمرکز توزیع شده، موقعیت هایی وجود دارد که چندین گره تقریبا به طور همزمان یک بلوک را پخش می کنند، اما احتمالا با مجموعه ای از تراکنش های متفاوت روبه رو میشوند. این وضعیت به عنوان فورک شناخته میشود و منجر به وضعیت ناسازگار شبکه میشود. اساسا چندین زنجیره وجود دارد که از بلوک های مختلف سرچشمه میگیرند. این وضعیت به گونه ای حل میشود که شبکه همیشه با طولانی ترین زنجیره ادامه میدهد. به تدریج، در داخل شبکه در مورد مسیر صحیح بلاک چین اجماع وجود خواهد داشت و زنجیره های تولید شده در نتیجه فورک نامعتبر خواهند بود.

5) مشکل مقیاس پذیری بیت کوین

با اندازه بلوک 1 مگابایت، بیت کوین مقیاس پذیری بالایی دارد مسائل میزان تراکنش هایی می توان با آن ها پشتیبانی کرد،این اندازه بلوک کمتر از 7 تراکنش در ثانیه (TPS) است .در مقایسه، شبکه پرداخت ویزا در طول تعطیلات سال 2013 به 47000 دست یافت و در حال حاضر میانگین صد ها میلیون TPS در روز است. برای دست یابی به چنین نرخی در شبکه بیت کوین به اندازه بلوک 1 مگابایت با فرض اینکه حجم تراکنش 300 بایت باشد، به 8 گیگابایت در هر بلوک بیت کوین در هر 10 دقیقه نیاز است که منجر به بیش از 400 ترابایت داده در سال میشود. این امر شبکه بیت کوین را به شدت متمرکز میکند تا فقط از گره هایی با چنین ظرفیت هایی ذخیره سازی پشتیبانی کند و این کاملا برعکس چیزی است که بیت کوین و بلاک چین برای آن در نظر گرفته شده اند.

راه حل های متعددی برای مقابله موثر با این موضوع پیشنهاد شد.

در نتیجه، تعداد سافت و هارد فورک بیت کوین رخ داد. سافت فورک هر تغییری است که به عقب سازگار باشد، یعنی به نرم افزارقدیمی امکان می دهد بلوک های جدید ایجاد شده را معتبر تشخیص دهد. ازسوی دیگر، هارد فورک یک به روز رسانی نرم افزاری است که قانون جدیدی را به شبکه معرفی می کند، بنابراین نرم افزارقدیمی قادر به تشخیص بلوک های جدید نیست.

)SegWig شاهد تفکیک شده) یکی از راه حل های پیشنهادی برای مسئله مقیاس پذیری بیت کوین است که با مشکل انعطاف پذیری تراکنش ها سروکار دارد. این مشکل به دلیل این واقعیت است که امضای تراکنش تمام داده های موجود در تراکنش را پوشش نمی دهد، بنابراین ممکن است برخی از گره های مخرب در شبکه یک تراکنش را تغییر داده و هش آن را باطل کنند.

SegWit افزایش اندازه بلوک را تا حداکثر 4 مگابایتو اضافه کردن لایه دوم در بالای شبکه موجود را امکان پذیرمی کند. این داده های امضا را از سایر داده های تراکنش جدا می کند و معرفی شبکه لایتنینگ را به عنوان یک پروتکل لایه دوم تسهیل می کند. در 24آگوست 2017 در بلوک 481,824 فعال شد.

شبکه لایتنینگ "چیز بزرگ بعدی" در شبکه بیت کوین است. قرار است با استفاده از شبکه ای از کانال های پرداخت خرد، پرداخت های خرد را تسهیل کند. کانال پرداخت خرد توافق بین دو طرف برای تاخیر در اعلام تراکنش به شبکه و در عین حال انجام معامله است. هر دو طرف می توانند تعادل فعلی خود را در زنجیره بلوکی تضمین کنند، اما آنها تصمیم می گیرند ارسال اطلاعات مربوط به تراکنش به شبکه را به تعویق بیندازند.

آزمایش موفقیت آمیز شبکه Lightning توسط Blockstream در ژانویه 2018 انجام شد .

ذ)بیت کوین کش و بیت کوین گلد

با محبوبیت روزافزون بیت کوین، این شبکه قادر به انجام بسیاری از تراکنش ها نبود، بنابراین تایید آن حتی چند روز طول کشید . هارد فورک بیت کوین کهbch)) در تاریخ 1 آگوست 2017 در بلوک 478558 رخ داد. صاحبان بیت کوین در زمان فورک نیز صاحب بیت کوین کش شدند. اندازه بلوک به 8 مگابایت ارتقا یافت که منجر به زمان تأیید سریعتر شد.

بیت کوین گلد BTG) )هارد فورک بیت کوین است که در 24 اکتبر 2017 در بلوک 491407 اتفاق افتاد. مانند بیت کوین کش، هر دارنده بیت کوین قبل از فورک، دارنده بیت کوین گلد نیز شد. دلیل این فورک این است که به جای پردازندهها، بیت کوین عمدتاً با ماشینهای ASIC استخراج میشود. سازندگان بیت کوین گلد به دنبال تغییر آن با تغییر الگوریتم اثبات کاراز SHA-256 به Equihash این الگوریتم حافظه سنگینی دارد و بیشتربرای استخراج روی پردازنده های گرافیکی مناسب است. سختی استخراج برای هر بلوک جدید ایجاد شده تنظیم می شود، به جای اینکه بعد از هر بلوک ۲۰۱۶ در بیت کوین تنظیم شود .