Kako deluje Bitcoin? Tehnične lastnosti omrežja Bitcoin.

Tehnične lastnosti omrežja bitcoin so navidez zelo kompleksne, saj so produkt dolgoletnih poskusov reševanja glavnega problema digitalnega sveta: odsotnosti redkosti informacij. Ker celoten digitalni svet temelji na informacijah, lahko le te z lahkoto pošiljamo po svetu brez stroškov, s pomočjo uporabe komunikacijskih protokolov kot je internetni protokol TCP/IP. Problem nastane, ko želimo preko komunikacijskega protokola pošiljati vrednost, izraženo v enotah denarja. Pri pošiljanju informacij pošiljatelj ustvari njihovo kopijo, ki jo nato posreduje prejemniku. Pri tem pa obdrži izvirnik, ki se po vsebini ne razlikuje od kopije. Ker digitalne informacije nimajo fizične oblike, lahko brez težav ustvarimo nešteto identičnih kopij podatkov.

Pošiljanje denarja preko komunikacijskih kanalov ustvari priložnost zlorabe, pri kateri pošiljatelj ustvari kopijo digitalnega denarja, ki jo pošlje prejemniku, original pa obdrži zase. Ker imata obe stranki identično kopijo denarja, je pošiljatelj opravil nakup brez stroškov, ponudba denarja pa se je povečala za količino, ki jo je poslal. To v teoriji pomeni, da digitalni denar ne more obstajati ob odsotnosti redkosti informacij, saj bi se njegova ponudba neomejeno širila, kar bi privedlo do hiperinflacije denarja in neizbežnega ekonomskega kolapsa. Rešitev torej predstavlja zagotavljanje redkosti informacij.

Problem (ne)redkosti informacij smo uspeli delno rešiti že pred nekaj desetletji, s pomočjo centraliziranih klirinških hiš (centralized clearing house). To vlogo so ponavadi opravljale banke in plačilni procesorji, ki so denarne bilance uporabnikov hranili na svojih centraliziranih podatkovnih bazah in tako skbeli za validnost transakcij in preprečevanje večkratne porabe sredstev. Ker so hranile ogromne količine denarja, so te entitete predstavljale lahko tarčo za hekerske napade, katerim so zelo pogosto podlegle. Prav tako so predstavljale lahko tarčo za napade s strani oblasti, ki je vsilila obvezno identifikacijo uporabnikov, poročanje o denarnih tokovih, preprečevanje pranja denarja in podobne nebuloze. S tem je oblast dobila neomejeno moč pri nadzorovanju monetarne politike in kapitala svojega prebivalstva, saj je lahko le z nekaj kliki in odloki posameznikom odtujila ali pa zamrznila premoženje. Digitalen denar je oblasti omogočil tudi zelo preprosto metodo večanja ponudbe denarja, saj je fiatni denar postalo mogoče tiskati brez stroškov, ker je predstavljal zgolj številke na ekranu.

Druga rešitev reševanja odsotnosti redkosti informacij pa se je razvila v krogih kriptografov, ki so se desetletja borili proti posaganju oblasti v posameznikovo zasebnost in svobodo, ter se zavedali vloge, ki jo je denar pri tem igral. Po mnogih neuspelih poskusih kreacije digitalnega denarja, ki so večinoma propadli zaradi centralizacije določenih delov sistema, se je leta 2008 pojavila prva potencialna rešitev. Anonimni programer, ki se je skrival pod psevdonimom Satoshi Nakamoto, je na kriptografskem forumu objavil belo knjigo, katera je predstavila arhitekturo monetarnega sistema, temelječega na vrstniški tehnologiji, s svojo lastno valuto, imenovano bitcoin.

VRSTNIŠKA TEHNOLOGIJA

Bitcoin temelji na vrstniški tehnologiji, ki omogoča, da stranki transakcijo opravita neposredno, ne da bi se morali zanašati na plačilnega posrednika. Ta tehnologija obstaja že vrsto let, uporabljamo pa jo za neposredno deljenje datotek, brez zanašanja na centralizirane strežnike. Pri vrstniški tehnologiji je vsak “vrstnik” oziroma vozlišče tako strežnik kot odjemalec. Vrstniška tehnologija omogoča decentralizacijo omrežja brez potrebe po osrednjem avtentikacijskem strežniku.

VOZLIŠČA

Ker je vsak vrstnik v Bitcoin omrežju hkrati strežnik in odjemalec, se je za lažje razumevanje uveljavilo ime “vozlišče”. Vozlišče predstavlja vsak računalnik, ki ima naloženo programsko opremo bitcoin in lahko sprejema ali oddaja transakcije ter preverja njihovo veljavnost v verigi blokov.

RUDARJENJE

Izdajanje bitcoinov delno posnema tradicionalno izkopavanje zlate rude iz Zemljine skorje. Proces se imenuje rudarjenje, kar v očeh mnogih predstavlja umazan in škodljiv pojem. Resnica pa je ta, da je rudarjenje novih kovancev zgolj proces, pri katerem specializirani računalniki porabljajo električno energijo za izračunavanje kriptografske enačbe. Pri tem se ne razlikujejo od ostalih računalnikov ter kljub zmotnemu prepričanju mnogih okoljevarstvenikov ne onesnažujejo okolja, saj je stranski pojav porabe elektrike zgolj oddajanje toplote. Računalnik, ki prvi pravilno izračuna oz. ugani rešitev kriptografske uganke, je nagrajen z novimi kovanci, ki preko njega pridejo v obtok. Najustreznejša prispodoba procesa računanja in preverjanja kriptografske enačbe je reševanje uganke Sudoku. Rešitev uganke je zelo zapletena, njeno preverjanje pa izredno enostavno. Podobno kot pri Sudoku tudi pri računanju kriptografske uganke rudarji porabijo veliko energije, da pridejo do ustreznega rezultata. Vozlišča pa nato ustreznost njihove rešitve zlahka preverijo, saj mora ustrezati točno določenim pravilom, ki jih določa sistem.

Rudarji pa poleg odkrivanja novih kovancev tudi vzdržujejo omrežje. To je pravzaprav njihova glavna naloga, za katero jih sistem nagrajuje. Rudarski računalniki skrbijo, da se nove transakcije vnašajo v verigo blokov in s tem posodabljajo bilance. Njihovo delo pa stalno nadzorujejo vozlišča, ki preverjajo skladnost novo izračunanih blokov s pravili omrežja. Če nek rudarski računalnik poskuša v verigo vnesti neskladne informacije, vozlišča njegovo spremembo zavržejo in se posvetijo novim. Celoten proces je zelo podoben igranju namizne igre, pri kateri se vsi igralci strinjajo s pravili. Ko pride nekdo, ki želi spremeniti pravila v svojo korist, ga drugi igralci zavrnejo, svojo igro pa lahko igra zgolj sam s seboj. Če želi, da bi se mu drugi pridružili, jih mora v to prepričati, kar pa je pri rastočem številu uporabnikov vedno težja naloga.

Temelj rudarskega procesa je sistem za doseganje konsenza, ki ga imenujemo dokaz o delu (Proof of Work). Ta zagotavlja, da lahko nove bloke odkrivajo zgolj iskreni računalniki, ki za izračun kriptografske enačbe porabijo zadostno količino električne energije, pretvorjene v zgoščevalno moč. Sama poraba električne energije ni dovolj, saj bi to omogočalo oblasti, da z lahkoto posega v omrežje, ker si lasti večino elektrarn in s tem brezplačno električno energijo, s katero bi lahko cenzurirala in napadla omrežje. Rudarski računalniki vsebujejo posebne procesorje, katerih edina vloga je računanje kriptografskega algoritma SHA-256. Zaradi specializacije so ti računalniki mnogo učinkovitejši pri računanju novih zgoščenih vrednosti od povprečnega računalnika s splošnim procesorjem. Skupna zgoščevalna moč omrežja bitcoin je trenutno večja od celotne računske moči vseh ostalih računalnikov na svetu za nekaj velikostnih razredov. To pomeni, da nimamo na voljo zadostne infrastrukture, s katero bi oblast lahko posegla v delovanje omrežja, saj ga ščitijo decentralizirani rudarski računalniki, ki so razpršeni po svetu, hkrati pa se skrivajo za tehnologijo VPN.

ALGORITEM PRILAGAJANJA TEŽAVNOSTI

Razložili smo že, kako poteka rudarjenje novih kovancev. Omenili smo tudi, da je rudarski proces novih kovancev začasen in se zaključi po 32 prepolovitvah, s katerimi se narudari celotna zaloga bitcoinov. Urnik izdajanja kovancev bomo bolj podrobno razložili v naslednjem delu.

Pogosto vprašanje, ki se ljudem poraja pri razumevanju rudarskega procesa je, kako zagotoviti, da se novi bloki rudarijo na vsakih 10 minut, ne da bi zaradi nihajoče rudarske moči privedlo do prevelikih odstopanj. Če rudarska moč sunkovito naraste, pomeni, da se bodo bloki rudarili hitreje, vice versa. Kreator omrežja bitcoin je ta problem rešil s t.i. algoritmom prilagajanja težavnosti (difficulty adjustment alghoritm). Ta spremlja povprečno rudarsko moč v obdobju 2016 blokov (približno 14 dni) in po potrebi prilagodi težavnost kriptografske enačbe tako, da povprečen čas dodajanja blokov ustreza 10. minutam. Mehanizem prilagajanja težavnosti je podoben servo mehanizmu v vozilih, ki voznikom pomaga pri natančnem krmiljenju. Podoben mehanizem kalibracije uporabljajo tudi druge naprave in stroji, kot so ure, letala, kompasi, itd.

Učinkovitost algoritma prilagajanja težavnosti je razvidna iz dejstva, da je povprečen čas dodajanja blokov skozi celotno zgodovino bitcoinove verige blokov zelo blizu 10. minutam.

URNIK IZDAJANJA KOVANCEV

Bitcoinov urnik izdajanja kovancev izvira iz logaritemske funkcije, pri kateri se rudarski proces deli na 32. obdobij. V prvem obdobju, od pričetka verige blokov, se je z novim blokom izdalo 50 kovancev. To obdobje je trajalo prvih 210.000 blokov oz. približno 4 leta. V naslednjem obdobju se je nagrada za uspešno izračunan blok prepolovila na 25 kovancev. Po 420.000 blokih se je nagrada znova prepolovila na 12,5 kovancev, v letu 2023 pa znaša 6,25 kovancev. Nekje v prvi polovici leta 2024, z 840.000. blokom, se bo nagrada prepolovila na 3,125 kovancev, s čimer bo inflacija novih kovancev padla pod 1%/leto.

Po koncu 32. obdobja izdajanja kovancev, nekje v prvi polovici 22. stoletja, se bo izdala celotna zaloga bitcoinov, s tem pa se bo rudarski proces zaključil. Po temu obdobju, bo edina nagrada za dodajanje blokov predstavljala stroške transakcij, ki jih bodo plačevali uporabniki za pošiljanje kovancev drugim uporabnikom. Mnoge skrbi, da bodo ti stroški tako visoki, da ne bo nihče želel pošiljati kovancev po verigi blokov, s čimer bo privedlo do centralizacije omrežja na višjih ravneh, kjer bodo centralni plačilni posredniki skrbeli za poravnave.

KRIPTOGRAFIJA Z ELIPTIČNIMI KRIVULJAMI

Bitcoinova varnost temelji na matematičnih pravilih. Kriptografija je posebno področje računalništva, ki se ukvarja z zaščito informacij in varnimi načini komunikacije s pomočjo matematičnih konceptov. Skozi mnoge poskuse kriptografov za šifriranje podatkov in kreacijo digitalnega denarja so se razvili številni kriptografski algoritmi, kot so Merklova drevesa, kriptografija javnih in zasebnih ključev, zgoščevalni algoritmi, mehanizmi konsenza in podobno.

Omrežje bitcoin deluje s pomočjo kombinacije teh mehanizmov, njegovo varnost pa zagotavlja predvsem matematična realnost kriptografije z eliptičnimi krivuljami, ki omogoča, da javni ključ, ki predstavlja naš digitalni sef, ne razkrije zasebnega ključa, ki predstavlja naš dostop do digitalnega sefa. Javni ključ je nabiralnik, v katerega lahko ljudje pošiljajo bitcoine, odklenejo pa ga lahko samo s poznavanjem zasebnega ključa. Kriptografija z uporabo eliptične krivulje tako omogoča, da s pomočjo zasebnega ključa podpišemo oziroma odobrimo naše transakcije in jih tako pošljemo iz našega računa na drugi, ne da bi pri tem naš ključ razkrili javnosti.

V naslednjem poglavju bomo preleteli (pre)pogosto omenjeni angleški termin “blockchain” in pregledali njegove značilnosti.