Вступ

Те, як ми ведемо бізнес, керуємо активами та обмінюємо цінності в епоху цифрових технологій, зазнає революційних змін. Технологія блокчейн лежить в основі цієї трансформації. Але що таке блокчейн?

Блокчейн — це загальна незмінна книга, яка спрощує процес запису транзакцій і відстеження активів у бізнес-мережі. Прикладами нематеріальних активів є нематеріальні активи, такі як інтелектуальна власність, патенти, авторські права та брендинг. Іншими словами, якщо він має цінність, його можна відстежувати та торгувати в мережі блокчейн. Це зменшує ризики, а також значно знижує витрати для всіх залучених сторін.

У діловому світі своєчасна та точна інформація має вирішальне значення. Оскільки блокчейн надає негайні спільні та повністю прозорі дані, що зберігаються в незмінній книзі, він є технологією, яка може швидко надавати цю інформацію. Лише учасники з необхідними дозволами мають доступ до цієї книги. Блокчейн-мережа може обслуговувати відстеження замовлень, платежів, рахунків і виробництва. Крім того, оскільки всі учасники мають єдиний погляд на правду, кожну деталь транзакції можна переглянути від початку до кінця. Ця прозорість не тільки підвищує довіру, але й відкриває двері для нових можливостей і ефективності.

Nonce: від основ до блокчейна

Термін «Nonce» може здатися технічним і складним, але його суть проста. Номер nonce — це унікальне число, яке відіграє важливу роль у блокчейні та криптографії. Воно походить від фрази «номер використовується лише один раз».

У випадку з біткойнами nonce – це чотирибайтове число, яке додається до хешованого або зашифрованого блоку в світі блокчейну. Після повторного аналізу це число має відповідати певним обмеженням рівня складності, накладеним мережею блокчейн. Основна функція nonce — бути числом, яке намагаються знайти майнери блокчейну. Майнер отримує винагороду за блок після успішного розгадування одноразового блоку.

Nonce відіграє важливу роль у безпеці блокчейну. Безпека блокчейну залежить від його здатності генерувати та перевіряти великі зашифровані числа, відомі як «хеш». Криптографічна функція, яка генерує хеш, є детермінованою, що означає, що вона завжди вироблятиме той самий результат, якщо ввести той самий вхід. Цей детермінований характер гарантує, що хоча генерація хешу є ефективною, виведення початкового введення стає складним, тим самим підвищуючи безпеку блокчейну.

Для посилення безпеки блокчейну дані з попередніх блоків шифруються або «хешуються» в послідовність чисел, яка формує заголовок блоку для наступного блоку. Цей заголовок блоку містить критичні метадані, такі як номер версії блокчейну, хеш попереднього блоку, корінь Merkle, позначку часу, цільову складність і, що найважливіше, nonce.

Nonce використовується для автентифікації інформації в блоці. Під час процесу майнінгу генерується випадкове число, яке додається до хешу поточного заголовка, а потім повторюється. Після цього нове значення порівнюється з цільовим хешем. Якщо отримане хеш-значення відповідає вимогам, майнер успішно вирішує проблему та отримує блокування. Якщо це не так, значення nonce збільшується та повторюється. Цей ітеративний процес триває, доки майнер не досягне мети.

Через високу складність майнінгу більшість блоків відкриваються пулами майнінгу, оскільки окремим майнерам може бракувати необхідної потужності хешування. Значення nonce навряд чи буде правильно вгадано з першої спроби, вимагаючи від майнерів перевірити багато значень nonce, перш ніж визначити правильне. Час, необхідний для створення рішення, визначається рівнем складності, який вимірює складність створення хешу нижче цільового. Щоб забезпечити узгодженість мережі, складність блоку залишається однаковою, що дає всім майнерам однакові шанси вивести правильний хеш.

Майнінг, Nonce і криптографічні головоломки

Світ блокчейну величезний, і одним із найцікавіших його аспектів є процес майнінгу. Багато блокчейн-мереж покладаються на майнінг для забезпечення своєї безпеки та безперервності. Але як одноразовий номер вписується в цю загадку?

Майнінг — це обчислювальний процес, у якому транзакції додаються до публічної книги, блокчейну. Майнер перевіряє та перевіряє транзакції, щоб переконатися, що вони дійсні. Ці транзакції додаються до блоку після їх перевірки. Однак перед тим, як блок можна буде додати до блокчейну, майнери повинні вирішити складну математичну головоломку, в якій і вступає в гру nonce.

Одного разу під час процесу майнінгу: nonce — це псевдовипадкове число, яке використовується переважно як лічильник у процесі майнінгу в контексті технології блокчейн. Наприклад, біткойн-майнери повинні кілька разів вгадати правильний nonce, щоб обчислити хеш блоку, який відповідає певним вимогам. Перший майнер, який виявить nonce, який дає дійсний хеш блоку, отримує право додати наступний блок до блокчейну та отримує винагороду за свої зусилля.

Розуміння Nonce у Blockchain: проста ілюстрація

Щоб зрозуміти, як nonce працює в блокчейні, візуалізуємо симуляцію блоку.

Щоб блок було визнано дійсним за допомогою механізму підтвердження роботи, його результуючий хеш має бути або малим числом, або починатися з певної кількості нулів, що визначається встановленим рівнем складності. Наприклад, якщо складність вимагає, щоб хеш починався з чотирьох нулів, то це стає нашою метою. (Наступні зображення взято з: https://pintu.co.id/)

Початковий блок – до додавання nonce цей блок не відповідає критеріям.

У нашому першому блоці ми маємо дані транзакцій, як-от переказ 5 BTC від A до B. Хеш цих даних дорівнює bc97ee..5052 у шістнадцятковій формі. Перекладаючи початкові символи з шістнадцяткового, «b» означає 11, а «c» дорівнює 12, завдяки чому хеш читається як 111297…5052 у десятковому форматі. Це означає, що наш хеш починається з числа 1.

Щоб змінити початкове число хешу на 0, майнери вводять змінну, яка може змінити результат хешу. Ця змінна є nonce, випадковою цифрою, яка при додаванні може створити інший хеш. Після додавання nonce майнер застосовує алгоритм хешування SHA-256, щоб отримати новий хеш.

Блок із одноразовим номером «1» – навіть із одноразовим номером блок не відповідає меті.

Блок із Nonce «23» – незважаючи на інший nonce, блок залишається невідповідним.

Використовуючи значення nonce 1, новий отриманий хеш є 306b…ba6a. Однак це не задовольняє нашу мету починати з чотирьох нулів. Потім майнери послідовно змінюють значення nonce, щоразу застосовуючи алгоритм SHA-256, прагнучи отримати хеш, який відповідає рівню складності.

Успішний блок. З одноразовим номером «16663» хеш блоку починається з необхідних чотирьох нулів.

Після численних випробувань було виявлено, що значення nonce 16 663 дає хеш, який починається з бажаних чотирьох нулів.

Цей ітеративний метод застосування методів хешування та коригування nonces називається майнінгом. Майнери змагаються за те, щоб визначити правильний nonce і виконати хешування відповідно до встановленої цілі. Перший майнер, який створить відповідний блок (знайде одноразовий номер, що призводить до хешу нижче цільового), отримує винагороду, часто в біткойнах.

Неразове відкриття методом проб і помилок

Майнінг — це повторюваний процес. Майнери коригують значення nonce і повторюють дані блоку на невизначений термін, поки не знайдуть хеш-значення, яке відповідає критеріям мережі. Це часто порівнюють з лотереєю, в якій майнери роблять численні припущення, щоб знайти виграшний номер (один раз). Складність цього процесу забезпечує безпеку мережі, оскільки зміна будь-якої інформації, доданої до блокчейну, ускладнюється з точки зору обчислень і потребує ресурсів.

Роль обладнання

Кількість майнерів і обчислювальна потужність, яку вони надають мережі, впливають на складність визначення правильного nonce. Високопродуктивні обчислювальні ресурси можуть швидше обробляти складні математичні рівняння, що дає майнерам перевагу в пошуку правильного nonce. Рівень складності регулюється в міру того, як мережа блокчейну зростає, і все більше майнерів приєднуються до боротьби, щоб блоки додавалися з відносно постійною швидкістю.

Чому Nonce має значення?

Nonce гарантує, що кожен блок має унікальне значення, навіть якщо транзакції, що містяться в ньому, ідентичні. Ця унікальність має вирішальне значення для безпеки блокчейну. Вимагаючи від майнерів розв’язувати одноразові випадки, мережа гарантує, що будь-який зловмисник вважатиме, що зміна даних транзакцій буде надміру дорогою та трудомісткою.

Унікальний підхід Ethereum до Nonce

Ethereum, провідна блокчейн-платформа, внесла численні інновації в блокчейн-простір. Однією з його відмінних особливостей є підхід до nonce, який дещо відрізняється від інших блокчейн-мереж.

Два типи Nonce в Ethereum

Хоча термін «nonce» може здатися унікальним у своєму застосуванні, Ethereum використовує його двома різними способами:

1. Proof of Stake Nonce: Ethereum перейшов від механізму Proof of Work (PoW) до механізму Proof of Stake (PoS). У PoS концепція nonce, яка використовується в традиційному процесі майнінгу PoW, не застосовується безпосередньо. Замість майнерів, які змагаються у вирішенні хеш-головоломок, валідатори в PoS вибираються для створення нових блоків на основі кількості монет, які вони тримають і які готові «ставити» або заблокувати як заставу. Чим більше монет вони ставлять, тим вищий шанс бути обраним для підтвердження блоку транзакцій. Цей енергоефективний механізм не включає традиційний процес майнінгу, таким чином усуваючи потребу в PoW nonce у контексті створення блоку.
2. Обліковий запис Nonce: це залишається унікальною функцією Ethereum. Обліковий запис nonce діє як лічильник транзакцій для кожного облікового запису в мережі Ethereum. Щоразу, коли ви надсилаєте транзакцію зі свого облікового запису Ethereum, це одноразове значення збільшується на одиницю, забезпечуючи унікальність кожної транзакції з вашого облікового запису.

Чому обліковий запис не має значення

Замовлення транзакцій

Обліковий запис nonce гарантує, що транзакції обробляються в порядку їх надходження. Немає гарантії, що транзакції, надіслані в швидкій послідовності, будуть оброблені в тому порядку, в якому вони були надіслані в розподілених системах. Однак з обліковим записом nonce майнери повинні обробляти транзакції в порядку, визначеному значенням nonce. Транзакція з nonce рівним 1, наприклад, буде оброблена лише після того, як буде оброблено транзакцію з nonce рівним 0.

Запобігання повторним атакам

Обліковий запис nonce має вирішальне значення для запобігання повторним атакам. Без nonce зловмисник може повторно надіслати або «відтворити» транзакцію кілька разів, що потенційно призведе до подвійних витрат. Проте з nonce кожна транзакція є окремою, навіть якщо сума та одержувач залишаються незмінними. Завдяки цій унікальності мережа Ethereum відхилятиме будь-які повторні транзакції з уже використаним nonce, запобігаючи атакам повтору.

Практичний приклад

Уявіть, що у вас є адреса Ethereum, і ви надіслали кілька транзакцій з цієї адреси. Кожна з цих транзакцій матиме унікальний nonce, починаючи з 0 для першої транзакції та збільшуючись на одиницю для кожної наступної транзакції. Цей nonce не лише відображає кількість транзакцій, які ви надіслали, але й забезпечує унікальність і безпеку кожної транзакції.

Майбутнє Nonce у Blockchain

У міру того як технологія блокчейну продовжує розвиватися, зростає роль і значення nonce. У цьому останньому розділі розглядатимуться потенційні досягнення, виклики та ширші наслідки nonce у ландшафті блокчейнів, що постійно розвивається.

Адаптивні Nonce Алгоритми

Зі збільшенням обчислювальної потужності, доступною майнерам, зростає потреба в адаптивних nonce алгоритмах. Ці алгоритми регулюють складність пошуку правильного nonce у режимі реального часу, гарантуючи, що блоки додаються до блокчейну з постійною швидкістю, незалежно від загальної потужності хешування мережі.

Квантові обчислення та Nonce

Поява квантових обчислень створює як виклики, так і можливості для технології блокчейн. Квантові комп’ютери могли знайти правильний nonce набагато швидше, ніж поточні системи. Хоча це може прискорити перевірку транзакцій, це також може порушити баланс сил у системах підтвердження роботи. Розробники блокчейну вже досліджують алгоритми nonce, які були б квантово стійкими.

Протоколи підвищеної безпеки

Оскільки кіберзагрози стають все більш витонченими, роль nonce у забезпеченні безпеки транзакцій стане ще більш важливою. Майбутні блокчейн-системи можуть використовувати кілька nonce або поєднувати значення nonce з іншими криптографічними методами для підвищення безпеки.

Екологічні міркування

Енергоємний процес пошуку правильного nonce в системах підтвердження роботи викликав екологічні проблеми. Майбутні блокчейн-системи можуть шукати більш енергоефективні способи використання nonces або переходу до proof-of-stake чи інших консенсусних механізмів, які не покладаються на енергоємний процес майнінгу.

Висновок

Хоча nonce здається простою концепцією, він відіграє вирішальну роль у складному світі блокчейну. Nonce, безсумнівно, буде адаптуватися в міру розвитку технології, забезпечуючи безпеку, ефективність і актуальність блокчейна в епоху цифрових технологій.