Qu'est-ce qu'un nonce et comment est-il utilisé dans la preuve de travail?

Comprendre le concept d'un nonce en cryptographie

Un nonce est un nombre utilisé une seule fois dans la communication cryptographique. Le terme «nonce» est dérivé du «nombre utilisé une fois» et joue un rôle essentiel pour assurer l'intégrité des données, empêcher les attaques de relecture et maintenir la sécurité des réseaux de blockchain. Dans le contexte de la technologie de la blockchain, en particulier dans les mécanismes de consensus de la preuve de travail (POW) , un NONCE est une valeur aléatoire que les mineurs s'adaptent pour produire une sortie de hachage qui répond à une cible de difficulté définie par le réseau. Cette valeur est incluse dans l'en-tête de bloc et est modifiée à plusieurs reprises pendant le processus d'extraction jusqu'à ce qu'un hachage valide soit trouvé. Le caractère unique du nonce garantit que même si le reste des données de bloc reste inchangé, le hachage résultant diffèrera avec chaque nouvelle valeur nonce.

Le rôle de nonce dans la preuve de travail de travail

Dans la preuve de travail , les mineurs rivalisent pour valider les transactions et ajouter de nouveaux blocs à la blockchain. Pour ce faire, ils doivent résoudre un puzzle cryptographique intensif en calcul. Ce puzzle consiste à trouver un hachage de l'en-tête de bloc qui est numériquement inférieur ou égal à la cible de difficulté actuelle définie par le réseau. L'en-tête de bloc contient plusieurs composants, y compris le hachage de bloc précédent, la racine Merkle des transactions, l'horodatage et le nonce . Étant donné que les autres champs sont fixes ou contraintes, le nonce est la variable principale que les mineurs manipulent. En incrémentant le nonce et en recalculant le hachage à plusieurs reprises, les mineurs tentent de trouver un hachage qui satisfait la condition de difficulté. Ce processus est entièrement probabiliste et nécessite une puissance de calcul massive.

Comment les mineurs utilisent le nonce pour trouver un hachage valide

Le processus d'exploitation commence par un mineur collectionnant les transactions en attente et formant un bloc de candidats. Une fois l'en-tête de bloc assemblé, le mineur définit la valeur initiale de non -ce - commençant typiquement à zéro. L'algorithme de hachage SHA-256 (utilisé dans Bitcoin) est ensuite appliqué à l'en-tête de bloc. Si le hachage résultant ne répond pas aux exigences de difficulté (c'est-à-dire qu'elle n'est pas inférieure à la cible), le mineur incrémente le nonce par un et hache à nouveau l'en-tête de bloc. Cette boucle continue jusqu'à ce qu'un hachage valide soit découvert. Les étapes concernées sont:

• Assemblez l'en-tête de bloc avec les données de transaction et les métadonnées
• Définissez le NONCE sur une valeur initiale (par exemple, 0)
• Calculez le hachage de l'en-tête de bloc à l'aide de SHA-256
• Comparez le hachage à la cible de difficulté du réseau
• Si le hachage n'est pas valide, incrémentez le nonce et répétez le calcul du hachage
• Continuer jusqu'à ce qu'un hachage avec des zéros de premier plan suffisants se trouve

Étant donné que le champ NONCE dans Bitcoin est de 32 bits, il permet plus de 4 milliards de valeurs possibles (de 0 à 2 ^ 32 - 1). Une fois que toutes les valeurs nonce sont épuisées sans succès, les mineurs modifient d'autres aspects du bloc - tels que la transaction ou l'horodatage de Coinbase - pour générer un nouvel en-tête de bloc et redémarrer la recherche nonce.

Limitations de taille nonce et techniques d'extranonce

La limitation 32 bits du champ Nonce signifie que les mineurs ne peuvent tester qu'environ 4,3 milliards de valeurs nonce par configuration de bloc. Compte tenu de l'immense pouvoir de hachage des plates-formes minières modernes, cette plage peut être épuisée en quelques secondes. Pour surmonter cette limitation, les mineurs utilisent une stratégie extranonce . L'ExtranOnce est une valeur stockée dans la transaction Coinbase, qui fait partie des données de transaction du bloc. En modifiant l'extranonce, les mineurs modifient efficacement la racine Merkle du bloc, leur permettant de générer un nouvel en-tête de bloc et de réinitialiser le compteur nonce. Cette technique étend l'espace de recherche bien au-delà de la limite d'origine 32 bits, permettant des opérations minières soutenues sans être contrainte par l'épuisement non -ce.

Vérification du nonce par le réseau

Une fois qu'un mineur découvre un nonce valide qui produit un hachage acceptable, ils diffusent le nouveau bloc au réseau. D'autres nœuds vérifient ensuite le bloc en effectuant un seul calcul de hachage à l'aide de l'en-tête de bloc fourni et nonce. Cette vérification est triviale par calcul par rapport au processus d'extraction, qui s'aligne sur la nature asymétrique de la preuve de travail: difficile à résoudre, facile à vérifier. Les nœuds vérifient cela:

• Le hachage de l'en-tête de bloc est inférieur à la cible de difficulté actuelle
• Le nonce inclus dans l'en-tête de bloc a été utilisé correctement
• Toutes les transactions dans le bloc sont valides
• Le bloc suit les règles de consensus

Si tous les vérifications passent, le bloc est accepté dans la blockchain et le mineur est récompensé. La correction du NONCE est confirmée par cette validation de hachage unique, garantissant qu'aucun calcul supplémentaire n'est requis par le réseau pour confirmer les travaux.

Exemple pratique: nonce dans Bitcoin MINING

Considérez un exemple simplifié où un mineur tente d'exploiter un bloc Bitcoin. L'en-tête de bloc comprend le hachage de bloc précédent, la racine Merkle, l'horodatage, la version, la cible de difficulté et le nonce. Le mineur commence par nonce = 0 et calcule le hachage Double SHA-256 de l'en-tête. Supposons que le résultat soit:

SHA256(SHA256(block_header)) = f43a...

Ce hachage ne répond pas aux exigences de difficulté (par exemple, il manque suffisamment de zéros de premier plan). Le mineur incrémente le nonce à 1 et recalcule. Cela continue jusqu'à ce que, à nonce = 2 147 856, le hachage devient:

0000000abc12...

Ce hachage commence par sept zéros de premier plan, satisfaisant la difficulté actuelle. Le mineur diffuse ensuite le bloc avec le nonce gagnant. D'autres nœuds vérifient en hachant le même en-tête de bloc avec nonce = 2 147 856 et en confirmant que le résultat correspond au seuil requis. La validité du nonce est donc prouvée par une seule étape de vérification rapide.

Questions fréquemment posées

Le même nonce peut-il être réutilisé dans différents blocs? Oui, les nonces peuvent être réutilisés sur différents blocs car chaque bloc a une en-tête unique. Étant donné que l'en-tête de bloc comprend les données de hachage de bloc et de transaction précédentes, même la même valeur nonce produira un hachage complètement différent lorsqu'il est appliqué à un bloc différent.

Le nonce est-il toujours incrémenté séquentiellement? Les mineurs commencent généralement à zéro et incrément séquentiellement, mais le logiciel minier avancé peut utiliser des stratégies optimisées, comme en commençant à partir d'une valeur non ECE aléatoire ou en distribuant des gammes de non -ce sur plusieurs unités de traitement pour éviter les calculs redondants.

Que se passe-t-il si aucun nonce valide n'est trouvé? Si aucun nonce valide n'est trouvé dans la plage 32 bits, le mineur modifie les données de bloc - telles que la modification de la transaction Coinbase via l' extranonce - pour générer une nouvelle racine Merkle. Cela crée un nouvel en-tête de bloc, permettant à la recherche nonce de redémarrer à partir de zéro.

Un bloc peut-il avoir plusieurs nonces valides? Oui, plusieurs valeurs nonce peuvent produire des hachages qui répondent à la cible de difficulté. Cependant, le premier mineur à trouver un nonce valide et à diffuser le bloc remporte la récompense. Une fois le bloc confirmé, d'autres nonces valides pour le même bloc deviennent sans importance.