ビットコインマイナーが数学パズルを解く方法: SHA-256 から Proof of Work までを解説

ビットコインマイナーはどのような数学パズルを解くのでしょうか?

ビットコインがどのように機能するか疑問に思ったことがあるなら、おそらく次のようなことを聞​​いたことがあるでしょう。 ビットコインマイニング。一見すると、これは SF 映画から飛び出してきたもののように聞こえます。強力なマシンが難しい数学の問題を解決して、デジタル マネーを獲得するというものです。しかし、これらの数学パズルは一体何であり、なぜそれほど重要なのでしょうか?

このブログでは、ビットコイン マイニングにおける数学の役割を詳しく説明し、マイナーが解くパズルを説明し、これらの課題がビットコイン ネットワークのセキュリティと公平性に不可欠である理由を探ります。

ビットコインネットワークにおける数学の役割

ビットコインは暗号通貨の一種であり、分散型ネットワーク上で実行されるデジタル形式のお金です。従来の通貨とは異なり、銀行や中央当局が管理することはありません。代わりに、世界中の何千台ものコンピューターが、 ノード- システムのスムーズな稼働を維持するために協力します。ここで数学が登場します。

ビットコインを次のように考えてください。 巨大な公開ノート 世界中で共有されています。ビットコインを持っている人は全員コピーを持っており、そこに書かれていることについて全員が同意する必要があります。誰かにビットコインを送るときは、新しい残高を反映するためにすべてのノートブックを更新する必要があります。しかし、次のページを書くのは誰でしょうか?そこで鉱山労働者とその数学パズルが登場します。

鉱夫とパズルを解く競争

ビットコインマイナーは、ブロックチェーンにトランザクションの新しい「ブロック」を追加する権利を獲得するために競い合います。これを行うには、特別な種類のパズルを解く必要があります。これは典型的な数学の方程式ではなく、より複雑なパズルです。 推測ゲーム.

トランザクションの各ブロックは、 ノンス。マイナーはビットコインのハッシュ関数を通じてこの情報を実行します。SHA-256- 特定の数のゼロで始まるハッシュを見つけることを期待しています。最初に成功したマイナーはブロックをチェーンに追加し、ビットコインで報酬を獲得できます。

このプロセスはと呼ばれます 作業証明 (PoW)、そしてそれはマイナーがシステムを正直に保つために実際の計算作業を行うことを保証します。

暗号化ハッシュの力

ビットコインのパズルの背後にある魔法は、暗号化ハッシュです。あ ハッシュ関数 情報を得るにはマジック ブレンダーのように機能します。何を入力しても、固定長の数字と文字の文字列が出力されます。

• 一貫性: 同じ入力は常に同じ出力を作成します。

• 予測不可能性: 入力のほんのわずかな変化でも、出力は完全に変化します。

• 一方向関数: ハッシュを逆にして元の入力を見つけることは不可能です。

ビットコインマイニングでは、マイナーは、必要な数の先行ゼロを含むハッシュを生成するものが見つかるまで、さまざまなナンスのハッシュを続けます。近道はなく、試行錯誤するしかありません。

パズルが難しくなければならない理由

なぜパズルをそんなに難しくするのかと疑問に思うかもしれません。答えはセキュリティにあります。

ブロックの追加が簡単であれば、悪意のある攻撃者がビットコインの歴史を書き換えたり、コインを二重に使用したりする可能性があります。しかし、パズルを解くには膨大な計算能力と電力が必要となるため、不正行為には法外な費用がかかります。

その結果、誰もが公平に行動しなければならないシステムが誕生し、ネットワークの残りの部分を合わせたよりも多くの計算能力を制御することなく単一のマイナーが支配することはできません。これはほぼ不可能な偉業です。

難易度調整：ビットコイン内蔵サーモスタット

ビットコインには、ブロックの作成を安定的に維持する賢い方法があります 1ブロックあたり10分。 2,016 ブロックごと (約 2 週間ごと) に、ネットワークがパズルの難易度を自動的に調整します。

• マイナーがあまりにも早く解決すると、難易度は上がります。

• マイナーの動きが遅すぎると、難易度が低下します。

これはダーツボードを調整するのと似ています。プレーヤーがブルズアイに簡単にヒットする場合は、ターゲットを小さくします。誰も打てないなら、あなたがそれを大きくします。

これ 難易度調整 ネットワークにどれだけのコンピューティング能力が追加されても、ビットコインは安定した状態を保ちます。

宝くじのたとえ: 運を賭けたゲームとしてのマイニング

本質的に、ビットコインマイニングは次のようなものです。 宝くじ。すべてのマイナーは高速で数字を推測しています。 1 秒あたりにできる推測 (ハッシュ) が多いほど、勝つ可能性が高くなります。しかし、それでも運が重要な役割を果たします。1 人の小規模なマイナーが運が良ければ、大規模なマイニング ファームの前にブロックを獲得できる可能性があります。

報酬は？最新の半減期の時点では、 3.125 ビットコインと取引手数料。この宝くじのようなシステムにより、マイニングが分散的かつ公平に行われます。

マイナーが勝った場合はどうなりますか?

鉱山労働者が最終的にパズルを解くとき:

1. 放送: マイナーはネットワークに解決策を発表します。

2. 検証: 他のノードがソリューションをチェックします。これは迅速かつ簡単です。

3. ブロックの追加: ブロックがブロックチェーンに追加されます。

4. 褒美: マイナーはブロック報酬と手数料を徴収します。

5. 新しいラウンド: ネットワークは次のブロックに進みます。

2 人のマイナーが同時に勝った場合、ブロックチェーンは一時的に分裂 (フォーク) する可能性がありますが、最終的には最も長いチェーンが勝ちます。

マークル ツリー: トランザクションの整理

ビットコインのもう 1 つの数学ツールは、 マークルツリー。各ブロックには何千ものトランザクションが含まれる可能性があるため、マークル ツリーはデータを圧縮して要約します。

• 各トランザクションはハッシュ化されます。

• ハッシュのペアが結合され、再度ハッシュされます。

• これは、最後のハッシュと呼ばれるまで繰り返されます。 マークルルート、残ります。

マークル ルートは、ブロックの一意のフィンガープリントとして機能します。トランザクションが 1 つでも変更されると、ルートが変更されるため、改ざんが明らかになります。

エネルギー、ハッシュレート、セキュリティ

ビットコインのパズルは無料ではなく、膨大な電力を必要とします。の ハッシュレート マイナーが 1 秒間に何回推測できるかを測定します。ハッシュ レートが高くなるほど、攻撃コストが高くなるため、ネットワークの安全性は高まります。

このエネルギー消費は議論を引き起こしています。批評家はそれが無駄だと主張するが、支持者は分散型通貨を確保するための代償だと考えている。

結論: ビットコインの中心となる数学

ビットコイン マイニングは複雑に聞こえるかもしれませんが、本質的には、数学、エネルギー、偶然が組み合わさってネットワークの安全性を保つ、美しく設計されたシステムです。

• 数学はパズルとハッシュを通じて公平性を確保します。

• エネルギーが不正行為を高価にします。

• ランダム性によりマイニングが分散化されます。

したがって、次にビットコインマイナーが数学の問題を解いているという話を聞いたら、覚えておいてください。彼らは楽しみのために方程式を計算しているのではありません。彼らは暗号を利用した世界的な宝くじに参加し、デジタルマネーの未来を守っているのです。

参考文献

1. ナカモト、S. (2008)。 ビットコイン: ピアツーピア電子現金システム. https://bitcoin.org/bitcoin.pdf

2. 投資ペディア。 ビットコインマイニングとは何ですか? https://www.investopedia.com/terms/b/bitcoin-mining.asp

3. ビットコインウィキ。 作業証明. https://en.bitcoin.it/wiki/Proof_of_work

4. ビットコインウィキ。 困難. https://en.bitcoin.it/wiki/Difficulty

5. 国際エネルギー機関。 ビットコインのエネルギー消費量. https://www.iea.org

6. アントノプロス、A. (2017)。 ビットコインをマスターする。オライリー・メディア