Mineração mesclada

A prova de trabalho (PoW) é uma parte fundamental do Consenso Nakamoto. Ele tem duas funções: é um mecanismo de resistência Sybil usado para selecionar produtores de blocos e também fornece uma linha de base e um custo sempre crescente para reverter o blockchain. É por isso que se diz que o PoW protege o blockchain do Bitcoin.

A mineração mesclada é uma técnica para reutilizar o trabalho gasto na proteção de um blockchain para proteger simultaneamente outro blockchain. Da mesma forma que o PoW alimenta o Consenso Nakamoto, a mineração combinada pode impulsionar o consenso de diferentes blockchains. O protocolo de consenso da cadeia minada mesclada também pode ser Nakamoto, ou pode ser uma variante dele, como GHOST ou DECOR. A ação de aplicar a técnica de mineração mesclada é frequentemente chamada de “minerar”. O único requisito para fundir dois blockchains é que eles usem a mesma função de hash de cabeçalho de bloco (e verificação de dificuldade) para obter o PoW.

A forma como a mineração combinada funciona é simples. Primeiro, vamos supor que haja um blockchain primário (seja Bitcoin) e um blockchain secundário S. Sejam h_B e h_S dois novos cabeçalhos de bloco de Bitcoin e S, respectivamente. Seja H uma função hash criptográfica arbitrária. Para iniciar a mineração, o minerador mesclado deve construir o modelo para h_B de forma que ele faça referência a H(h_S) univocamente. O processo de mineração muda muito pouco. Ao minerar, os mineradores tentam encontrar o nonce que resulta na prova de trabalho para h_B que satisfaça a dificuldade estabelecida pela rede Bitcoin como de costume (ou seja, SHA256D(h_B) < target_B). No entanto, se o minerador encontrar um cabeçalho de bloco Bitcoin com prova de trabalho que corresponda à dificuldade da cadeia de mineração mesclada (SHA256D(h_B) < target_S), então h_B, h_S, junto com algumas informações adicionais de link de cabeçalho, torna-se uma prova de trabalho válida do bloco extraído por fusão. O bloco completo minerado conteria o PoW e outros dados específicos da cadeia restantes (ou seja, as transações referenciadas por h_S). O bloco é enviado para a rede blockchain secundária para ser anexado à blockchain secundária. Com a mineração mesclada, duas provas de trabalho diferentes podem ser criadas pelo preço de uma.

Histórico

A mineração combinada é quase tão antiga quanto o Bitcoin. Em 2010, o próprio Satoshi propôs o uso de mineração combinada para garantir uma hipotética cadeia lateral BitDNS que armazenaria nomes de domínio descentralizados. A ideia logo foi implementada e lançada como altcoin Namecoin . Namecoin começou a mineração combinada com Bitcoin em 2011 para obter maior segurança.

Durante esse período, outras blockchains seguiram essa tendência e começaram a fundir a mineração com o Bitcoin. Mas nem tudo foram rosas. Em 2012, LukeJr realizou um ataque de 51% ao Coiledcoin, que na época era uma mineração combinada com Bitcoin. Esse evento mostrou que a mineração combinada não é a panaceia de segurança para todas as cadeias de blocos, e deve haver um alinhamento de alto incentivo entre a nova cadeia minada fundida e as anteriores para que este mecanismo seja seguro.

Durante 2014, ocorreu outro evento importante. Dogecoin e Litecoin usaram a mesma função de mineração e os mineradores começaram a alternar em massa entre os dois blockchains. Quando Dogecoin fosse mais lucrativo, todos mudariam para minerar Dogecoin, acelerando a produção de blocos. Quando o ajuste de dificuldade do Dogecoin entrasse em ação e tornasse muito difícil a mineração lucrativa, eles mudariam em massa para o Litecoin para maximizar a lucratividade, e o ciclo se repetiria. Isso causou instabilidade no hashrate, taxas de bloqueio erráticas e emissão de tokens. Posteriormente, o hashrate Dogecoin tornou-se muito baixo para ser considerado seguro. A comunidade Dogecoin decidiu começar a aceitar blocos fundidos com Litecoin. Até hoje, não houve nenhuma tentativa de nenhum mineiro de uma comunidade atacar a outra. Existem várias razões pelas quais nenhum ataque foi perpetrado: primeiro, a mineração combinada foi benéfica para ambas as comunidades porque com a mineração combinada a dificuldade e as taxas de bloqueio poderiam estabilizar novamente. Em segundo lugar, também foi benéfico para os mineiros, que poderiam duplicar temporariamente as suas receitas (até que os ajustes de dificuldade ascendente da blockchain encerrassem este período de carência). Terceiro, tendo hashrates comparáveis, nenhum minerador poderia facilmente atacar a outra cadeia. Quarto, não houve disputa ideológica entre as comunidades Litecoin e Dogecoin (podemos perguntar-nos se havia algum sentimento de pertença nessas comunidades). Os mineiros explorariam apenas a cadeia mais lucrativa.

Independência

Uma das razões pelas quais a mineração combinada foi historicamente preferida é que ela permite a criação de blockchains totalmente independentes. Por independente queremos dizer que essas cadeias secundárias podem continuar a viver mesmo que a cadeia primária faça uma pausa devido a um problema técnico ou simplesmente desapareça sem o apoio da sua comunidade. A cadeia secundária ainda pode continuar recebendo trabalho dos mineradores de fusão sem uma cadeia primária. Nos primeiros anos, nem mesmo o Bitcoin tinha futuro garantido. Uma das razões pelas quais a cadeia lateral Rootstock escolheu a mineração de fusão para seu protocolo de consenso (em vez de um consenso federado como o Liquid) é que o Rootstock foi criado durante as guerras do tamanho do bloco, e havia um risco real de o Bitcoin ser interrompido por invasores ou destruído por uma comunidade dividida.

Taxas de bloqueio

Uma razão importante para preferir a mineração mesclada a outras formas alternativas de herdar a segurança do Bitcoin é que a mineração mesclada permite que a cadeia secundária tenha uma taxa de bloqueio mais alta.

Depois do Bitcoin, todos os blockchains criados foram projetados para suportar taxas de bloqueio mais altas (tempos entre blocos mais baixos). Acredita-se que isso afete negativamente a descentralização, pois pode levar mineradores individuais a gerar mais blocos órfãos, forçando-os a ingressar em pools maiores para permanecerem competitivos. As altas taxas de bloqueio trazem vários benefícios, sendo o evidente que as transações dos usuários são confirmadas mais rapidamente. Um benefício paradoxal das taxas de bloco mais elevadas é que a variação do pagamento da recompensa é reduzida: isto, por sua vez, reduz os incentivos para aderir a grandes grupos de mineração, o que melhora a descentralização. A taxa de bloqueio representa uma compensação entre usabilidade e descentralização e a taxa ideal é difícil de encontrar.

Portanto, os projetistas de blockchains de mineração mesclada que desejam fundir a mineração com o Bitcoin devem ter muito cuidado com as taxas de bloqueio. Um intervalo médio de bloqueio inferior a 10 segundos sem a adoção de protocolos de consenso mais inclusivos pode colocar uma pressão adicional na largura de banda nos pools de mineração mesclados, aumentando os custos, o que pode colocá-los em desvantagem com os pools de mineração não mesclados.

Concorrentes à mineração combinada

Semelhante à mineração combinada de Nakamoto, existem outras maneiras de herdar a segurança de outras cadeias. O primeiro método conhecido foi implementado pelo protocolo Mastercoin/OMNI, e foi seguido pelo protocolo Counterparty. Novos projetos como o RGB também adotaram esse método. O método é baseado na incorporação dos dados de transação de um livro-razão alternativo nas transações Bitcoin. No RGB, essa incorporação ainda existe, mas está completamente oculta dentro da árvore Taproot. No entanto, nem o histórico do razão Mastercoin/Counterparty/RGB forma uma blockchain separada. O histórico do razão é simplesmente a lista sequencial de transações especiais incorporadas em blocos Bitcoin. Existem outras maneiras de criar blockchains separados que herdam a segurança de uma cadeia primária, geralmente tentando sincronizar total ou parcialmente os dois blockchains. Todos são baseados na publicação de dados nas saídas OP_RETURN . Alguns exemplos são Veriblock, PoX e Syncchains. Com essas cadeias “sincronizadas”, a reversão de um bloco da cadeia primária reverte automaticamente os blocos da cadeia secundária que vieram depois. Uma desvantagem é que eles forçam os nós secundários da blockchain a executar também os nós primários da cadeia. Embora blockchains vinculados possam fornecer segurança compartilhada (e transferências rápidas entre cadeias), o consenso síncrono não pode fornecer taxas de bloqueio mais rápidas para o blockchain secundário sem a introdução de outro protocolo de consenso comutado (ou seja, Microblocos do Bitcoin NG ). Pelo contrário, uma cadeia de mineração combinada pode utilizar qualquer taxa de bloqueio, embora, como mencionado anteriormente, exista um limite que, se for ultrapassado, a mineração combinada torna-se antieconómica devido aos elevados requisitos de largura de banda.

Crítica e Evolução

A fusão minada no consenso de Nakamoto foi analisada e apoiada e criticada em artigos de pesquisa. No entanto, toda a investigação existente centrou-se nos efeitos práticos da mineração combinada na descentralização, embora ainda exista uma falta de formalização do método. A pesquisa acadêmica não ultrapassou o método de mineração mesclada de Namecoin. Mas este método foi bastante melhorado. O lançamento do Rootstock Bitcoin mesclado sidechain minerado em 2018 reviveu a pesquisa, o que levou à descoberta de protocolos de mineração mesclados mais seguros, como as variantes com reconhecimento de fork. Algumas dessas melhorias foram implementadas no Rootstock em sucessivas atualizações de rede. Porém, a nova pesquisa teórica ainda está dispersa em artigos online e RSKIPs (proposta de melhoria de porta-enxertos) e merece melhor documentação. As novas variantes da mineração combinada, que serão discutidas no artigo seguinte, podem resistir a alguns ataques conhecidos. Por exemplo, geralmente acredita-se que uma sidechain minerada por fusão não pode ser segura contra ataques de gasto duplo quando o hashrate de mineração por fusão é baixo (ou seja, <10% do hashrate da cadeia primária), embora com algumas novas variantes de protocolo isso possa acontecer (sob suposições de segurança e atividade ligeiramente diferentes).

O projeto de mineração mesclada do Namecoin

A maneira como o Namecoin funde minas com o Bitcoin é simples. No final do campo coinbase da transação de geração o minerador escreve 4 bytes que indicam que segue um registro AuxPow . Esses 4 bytes são chamados de bytes mágicos e são usados pelo Namecoin para encontrar facilmente o registro AuxPow. Em seguida, encontramos o registro AuxPow onde os mineradores devem armazenar o resumo do hash raiz de uma árvore Merkle contendo os hashes de bloco dos diferentes blockchains que estão sendo minerados por mesclagem. Em seguida, segue o campo treeSize, que especifica o número de blocos minerados por mesclagem de blockchains distintos incluídos na árvore, e um campo treeNonce que supostamente ajuda a evitar colisões de IDs de cadeia, mas o design é falho e esse valor não é utilizado. O diagrama a seguir mostra um bloco Bitcoin carregando um registro AuxPow vinculado a 4 blocos (W,X,Y e Z) de 4 blockchains diferentes de mineração mesclada:

O design de mineração mesclada de Namecoin

Para que os nós Namecoin verifiquem a prova de trabalho de um bloco Namecoin, o bloco deve incluir campos de dados contendo:

• Um caminho Merkle para provar a inclusão da transação Coinbase na árvore de transações de blocos Bitcoin
• A própria transação coinbase, contendo a raiz da árvore AuxPow.
• Um caminho Merkle para encontrar o hash do bloco Namecoin na árvore AuxPow.

O consenso do Namecoin tem uma regra para verificar a prova de mineração combinada e a prova de trabalho do cabeçalho Bitcoin (ignorando todos os outros campos).

Distinção de cadeia primária/secundária

Geralmente distinguimos uma única blockchain primária de todas as blockchains secundárias mineradas por fusão porque os blocos de blockchains secundários precisam de uma prova Merkle adicional para permitir a verificação da prova de trabalho. Mas do ponto de vista da teoria dos jogos, não existe blockchain primário. Todos eles contribuem para o orçamento de segurança. Se o hashrate do blockchain primário caísse para 10% do hashrate total extraído por fusão, alguém ficaria tentado a dizer que o blockchain secundário se tornou o principal, porque agora esse blockchain provavelmente será aquele que pagará pela maior parte da segurança. orçamento. A distinção pode ser ainda mais confusa porque uma blockchain “secundária” extraída por fusão pode capturar trabalho de mais de uma cadeia “primária”, como é o caso do Rootstock. Embora a maior parte do hashrate do Rootstock venha de mineradores de Bitcoin, houve momentos em que uma pequena parte do hashrate veio de mineradores de Bitcoin Cash, portanto, o Rootstock herdou o hashrate de duas cadeias primárias.

Mesmo que, por razões filosóficas, alguém não queira obter hashrate, por exemplo, do Bitcoin SV, isso não pode ser facilmente evitado. Do ponto de vista do consenso do Rootstock, os cabeçalhos dos blocos Bitcoin e Bitcoin SV parecem idênticos (o bloco pai ou os campos de dificuldade podem ser usados para distingui-los heuristicamente com base na dificuldade do bloco, mas isso não seria preciso). Portanto, é possível que o Rootstock tenha um hashrate mais alto que o Bitcoin, combinando o hashrate de todos os blockchains baseados em SHA256D, incluindo o Bitcoin.

Portanto, seguimos uma definição sintática: as cadeias primárias são aquelas com provas de mineração mescladas mais curtas, normalmente tendo um único cabeçalho de bloco, e as cadeias secundárias são aquelas que requerem um cabeçalho de bloco adicional e seu hash embutido no primeiro.

Neutralidade da Blockchain

Durante o período de 2011-2013, houve várias propostas publicadas no fórum bitcointalk.org para realizar um hard fork do Bitcoin para abstrair a prova de trabalho do Bitcoin em uma cadeia de cabeçalho “mestre” separada e fazer com que todos os blocos de blockchains minerados por fusão (incluindo Bitcoin) derivam desta cadeia de cabeçalho mestre. Todos os hashes de blocos de blockchains fariam parte de uma única árvore Pow Merkle. No entanto, essas propostas não ganharam força (em geral, nenhuma proposta de hard fork do Bitcoin jamais ganhou força).

Na verdade, o cabeçalho mestre não precisa fazer parte de uma cadeia. O cabeçalho pode ser pequeno e simplesmente especificar uma raiz de árvore Merkle de hashes de bloco de cadeia e o nonce necessário para alterar o cabeçalho para encontrar o PoW. Como veremos em um artigo subsequente, ter um campo de carimbo de data/hora neste pequeno cabeçalho pode melhorar a segurança de todas as cadeias mineradas por mesclagem. Esse pequeno cabeçalho imaginário é representado na figura a seguir, onde X e Y se referem a alguma outra mesclagem. blockchains minerados:

Um projeto de mineração mesclada sem qualquer blockchain primário

Se esta estrutura de dados tivesse sido adotada, não haveria nenhuma blockchain primária na mineração mesclada de Bitcoin.

Quando analisamos os incentivos para que os mineradores protejam mais de uma blockchain com a mesma prova de trabalho, devemos analisar todas elas como cadeias iguais. Para analisar os incentivos à mineração combinada, devemos pensar nos mineradores SHA256D (a função hash real usada) em vez dos mineradores de Bitcoin. Devemos analisar todas as blockchains mineradas por fusão e os incentivos que as blockchains fornecem aos mineradores.

Sidechains minerados por fusão

As cadeias laterais do Bitcoin aumentam a utilidade do Bitcoin e, portanto, contribuem para o valor do Bitcoin. Usando sidechains, os bitcoiners podem realizar pagamentos privados, criar DAOs e explorar casos de uso inovadores sem trocar seus bitcoins por outras moedas mais voláteis (às vezes chamadas de shitcoins pelos maximalistas do Bitcoin). Existem atualmente duas cadeias laterais de Bitcoin: Liquid (consenso federado) e Rootstock (mineração mesclada).

A cadeia lateral Rootstock oferece pagamentos mais baratos e aplicativos de finanças descentralizadas (DeFi). Uma das aplicações descentralizadas úteis para bitcoiners são os autoempréstimos em stablecoin garantidos pelo rBTC. Esta solução permite que os bitcoiners usem tokens denominados fiduciários e não sejam forçados a vender seus bitcoins para seus gastos diários.

É amplamente aceito que o DeFi no Bitcoin crescerá significativamente nos próximos anos, e novos casos de uso imprevistos serão desvendados no futuro. É por isso que a maioria dos bitcoiners apoia o Rootstock e está ansioso para vê-lo crescer mais rápido.

A cadeia lateral Rootstock foi especialmente projetada para fornecer incentivos à comunidade Bitcoin. Ele incentiva a participação de bitcoiners, especialmente de mineradores de Bitcoin, usando um protocolo de consenso de mineração mesclado. Bitcoin e Rootstock podem ser minerados com sucesso por causa dos incentivos e comunidades compartilhadas.

No artigo a seguir apresentarei o modelo de consenso de mineração mesclada do Rootstock e também mostrarei diversas inovações criadas pela comunidade Rootstock que aumentam substancialmente a segurança da mineração mesclada. Também mostrarei como a mineração combinada pode beneficiar o Bitcoin, aumentando seu orçamento de segurança no longo prazo.

Resumo

A mineração mesclada é uma parte fundamental de um protocolo de consenso baseado em PoW que permite que um blockchain herde a segurança de uma cadeia primária sem duplicar os custos de mineração. O consenso de Nakamoto usando a mineração mesclada pode levar a uma maior descentralização do que os protocolos de consenso baseados em prova de autoridade ou prova de participação. No entanto, a segurança da cadeia primária só será partilhada com cadeias minadas fundidas se a associação for mutuamente benéfica. Portanto, a mineração mesclada é ideal para cadeias laterais de Bitcoin que podem agregar um valor tremendo à rede Bitcoin. Rootstock, o primeiro sidechain completo de contrato inteligente de Bitcoin da Turing, é mesclado e minerado por mais de 50% do hashrate atual do Bitcoin, e seu hashrate cresce a cada ano, tornando-o uma das redes de contratos inteligentes mais seguras que existem. O Rootstock usa uma variante do protocolo com reconhecimento de fork, que será discutida no próximo artigo.

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