خوارزمية Bitcoin

ما هي خوارزمية البيتكوين؟

تشير خوارزمية البيتكوين إلى مجموعة متكاملة من الأساليب التشفيرية وآليات الإجماع التي تشغل شبكة البيتكوين. فهي تحدد كيفية إنتاج الكتل، والتحقق من المعاملات، وربط الكتل معًا لتشكيل دفتر أستاذ مقاوم للتلاعب.

بدلاً من كونها خوارزمية واحدة، تعتمد منظومة البيتكوين على مزيج من البروتوكولات: يحدد إثبات العمل (PoW) حقوق إنتاج الكتل؛ وتولد SHA-256 بصمات التجزئة للكتل والمعاملات؛ وتؤمن ECDSA توقيعات المعاملات وإنشاء العناوين؛ وتضغط أشجار ميركل مئات أو آلاف المعاملات في ملخص واحد؛ كما يحافظ ضبط الصعوبة على فاصل زمني ثابت لإنتاج الكتل. تعمل هذه العناصر معًا لتمكين المشاركين اللامركزيين من تحقيق الإجماع دون سلطة مركزية.

لماذا يستخدم البيتكوين إثبات العمل؟

الهدف الأساسي من اعتماد إثبات العمل هو تحويل إنتاج الكتل إلى منافسة ألغاز يمكن للجميع التحقق منها. من يعثر أولًا على تجزئة تلبي معايير الشبكة يحصل على حق إضافة الكتلة التالية، ويمكن لجميع العقد الأخرى التحقق من الحل بسرعة.

يعمل إثبات العمل كيانصيب عام، لكن كل "تذكرة" يجب حسابها، مما يجعل التزوير مكلفًا للغاية. تحمي هذه الآلية من هجمات سيبيل (حيث ينشئ المهاجم هويات مزيفة كثيرة) ومحاولات إعادة كتابة سجل المعاملات، إذ تتطلب مثل هذه الهجمات إعادة حساب كم هائل من العمليات الحسابية. وعلى عكس نماذج الإجماع القائمة على الهوية أو التصويت، يربط PoW الأمان بموارد العالم الحقيقي—الكهرباء والأجهزة—مما يجعل الأنشطة الخبيثة غير مجدية اقتصاديًا.

كيف يستخدم البيتكوين SHA-256 لربط المعاملات بالكتل؟

يجمع البيتكوين الكتل من خلال تمرير رأس الكتلة—الذي يتضمن تجزئة الكتلة السابقة، والطابع الزمني، وهدف الصعوبة، والنانس، وجذر ميركل—عبر SHA-256 مرتين، بحثًا عن ناتج تجزئة أقل من هدف محدد. عند العثور على ذلك، يتم إنتاج كتلة جديدة وربطها بالكتلة السابقة.

يمكن اعتبار "التجزئة" بمثابة تمرير البيانات عبر وصفة ثابتة لإنتاج بصمة فريدة وثابتة الطول. حتى التغيير الطفيف في البيانات المدخلة ينتج بصمة مختلفة تمامًا، مما يجعل من شبه المستحيل عكس العملية أو إيجاد مدخلين مختلفين لهما نفس التجزئة. يغير المعدنون قيمة النانس باستمرار حتى تحقق نتيجة SHA-256 لرأس الكتلة متطلبات الصعوبة.

الخطوة الأولى: تجمع العقد المعاملات وتتحقق من توقيعاتها ومصادر UTXO (مخرجات المعاملات غير المنفقة).

الخطوة الثانية: تبني العقد شجرة ميركل من المعاملات وتضع جذر ميركل الناتج في رأس الكتلة.

الخطوة الثالثة: يعدل المعدنون النانس والحقول القابلة للتغيير الأخرى، ويحسبون SHA-256 مرتين، ويبثون الكتلة عند العثور على حل صالح. وتحتاج العقد الأخرى فقط إلى تجزئة واحدة للتحقق من الصحة.

ما هو دور ECDSA في البيتكوين؟

تتيح ECDSA، أي خوارزمية التوقيع الرقمي للمنحنيات الإهليلجية، للمستخدمين إثبات أن من يملك مفتاحًا خاصًا معينًا فقط يمكنه تفويض الإنفاق. يعمل المفتاح الخاص كمفتاح المنزل، بينما يعمل المفتاح العام والعنوان كرقم صندوق البريد—يمكن لأي شخص إرسال عملات إليك، لكن لا يمكن إلا لمن يملك المفتاح إنفاقها.

عند بدء معاملة، توقع محفظتك عليها باستخدام مفتاحك الخاص. وتستخدم العقد الأخرى مفتاحك العام للتحقق من التوقيع دون الحاجة لرؤية المفتاح الخاص. يتيح ذلك التحقق العلني مع حماية حقوق الملكية. يستخدم البيتكوين منحنى secp256k1 تحديدًا لـ ECDSA، الذي يوفر توازنًا عالي الكفاءة والأمان.

كيف تعزز أشجار ميركل كفاءة التحقق في البيتكوين؟

تجمع شجرة ميركل تجزئات المعاملات في أزواج طبقة بعد طبقة حتى يتم إنتاج ملخص واحد—جذر ميركل. تحتاج العقد الخفيفة (عملاء SPV) فقط إلى تنزيل رأس الكتلة ومسار إثبات متعلق بمعاملتها لتأكيد تضمينها.

يشبه الأمر امتلاك إيصال رئيسي من متجر: لكل إيصال فردي مساره في الشجرة، لذا تحتاج فقط للتحقق من مسار واحد بدلاً من مراجعة جميع الإيصالات ليوم كامل. تتيح هذه البنية للمحافظ المحمولة أو العملاء الخفيفين التحقق السريع من المعاملات دون تخزين جميع بيانات البلوكشين، مما يقلل من عبء الشبكة.

كيف يضبط البيتكوين صعوبة التعدين للحفاظ على كتل بمدة تقارب 10 دقائق؟

كل 2,016 كتلة (أي تقريبًا كل أسبوعين)، تراجع الشبكة الوقت الفعلي المنقضي مقابل الهدف وتضبط صعوبة التعدين تلقائيًا بحيث يعود متوسط زمن الكتلة إلى نحو 10 دقائق.

إذا زادت قوة التجزئة الإجمالية للشبكة وتم تعدين الكتل بسرعة أكبر، تزداد الصعوبة (مما يتطلب تجزئات أصغر). وإذا انخفضت قوة التجزئة، تنخفض الصعوبة. يعمل هذا التعديل كناقل حركة أوتوماتيكي للحفاظ على سرعة ثابتة. حتى عام 2024 (مع توفر البيانات على مواقع مثل Blockchain.com)، بلغ معدل تجزئة الشبكة أعلى مستوياته عدة مرات—مما يبرز قدرة الخوارزمية على التكيف.

كيف تُستخدم خوارزمية البيتكوين في المحافظ ومنصات التداول؟

تشكل خوارزمية البيتكوين الأساس لعمليات مثل إنشاء العناوين، توقيع المعاملات، البث، والتأكيد على السلسلة. في المنصات، تُنفذ هذه العمليات تلقائيًا ولكنها تعتمد على نفس الخوارزميات الأساسية.

على سبيل المثال، عند إيداع البيتكوين على Gate، ينشئ النظام عنوان بيتكوين جديدًا لك. وتتحقق عقد البلوكشين من الإيداع باستخدام ECDSA وUTXO، وتصبح الأصول متاحة في حسابك بعد بلوغ عدد معين من التأكيدات.

عند سحب البيتكوين من Gate إلى محفظة خارجية:

الخطوة الأولى: تقدم عنوان السحب والمبلغ؛ ينشئ النظام معاملة UTXO ويوقعها بمفاتيح يديرها المنصة.

الخطوة الثانية: تُبث المعاملة إلى شبكة البيتكوين؛ ويجمعها المعدنون في كتل مسجلة عبر SHA-256 وأشجار ميركل.

الخطوة الثالثة: عند بلوغ التأكيدات عتبة المنصة، يكتمل السحب. يمكن أن تؤثر ازدحام الشبكة ورسوم المعدنين على السرعة—فالرسوم الأعلى غالبًا ما تعني تأكيدات أسرع ولكن بتكلفة أكبر.

ما هي مخاطر وقيود خوارزمية البيتكوين؟

أحد المخاطر الأساسية هو مركزية قوة التجزئة وهجمات 51%. إذا سيطر كيان واحد على معظم القدرة الحسابية للشبكة، يمكنه نظريًا إعادة تنظيم الكتل الأخيرة أو إنفاق نفس العملات مرتين—رغم أن ذلك مكلف للغاية.

هناك أيضًا مخاوف تتعلق باستهلاك الطاقة. إذ يربط PoW الأمان مباشرة باستهلاك الكهرباء، مما يفرض تكاليف واقعية وأثار نقاشات بيئية. كما يمكن أن تؤثر رسوم الشبكة والازدحام على تجربة المستخدم—إذ قد تواجه المعاملات منخفضة الرسوم تأخيرات في أوقات الذروة.

تُعد الحوسبة الكمومية تهديدًا طويل الأجل قد يقوض أنظمة التوقيع الحالية. ويكمن رد المجتمع في إتاحة المجال لترقيات سوفت فورك أو هارد فورك إلى خوارزميات توقيع مقاومة للكم. عند التعامل مع الأصول، تحقق دائمًا من العناوين والشبكات ومعايير الرسوم؛ وكن حذرًا من الروابط الاحتيالية والمحافظ المزيفة لتجنب فقدان الأصول.

كيف تقارن خوارزمية البيتكوين بآليات الإجماع الأخرى؟

مقارنةً بإثبات الحصة (PoS)، الذي يستخدم تجميد الرموز وآليات العقوبات لمواءمة حوافز المشاركين (مما يؤدي إلى استهلاك طاقة أقل وتأكيدات أسرع)، تركز خوارزمية البيتكوين على موارد العالم الحقيقي (قوة التجزئة والكهرباء)، مما يجعل الهجمات الخبيثة أكثر تكلفة ولكن باستهلاك طاقة أكبر.

وعلى النقيض من إثبات الحصة المفوض (DPoS)، الذي يعتمد على مجموعة صغيرة من "العقد الفائقة" لتحقيق الإجماع (مما قد يقلل من اللامركزية)، يتجنب البيتكوين الاعتماد على ناخبين محددين—مقدمًا لامركزية أكبر ولكن مع إنتاجية أقل وأوقات تأكيد أطول. ينطوي كل نموذج إجماع على مقايضات بين الأمان، اللامركزية، الأداء، والتكلفة—وكل نموذج يناسب سيناريوهات تطبيق مختلفة.

ملخص سريع: النقاط الأساسية في خوارزمية البيتكوين

تمنح خوارزمية البيتكوين حقوق إنتاج الكتل للمعدنين الذين يحلون ألغاز التجزئة التشفيرية عبر إثبات العمل؛ وتستخدم SHA-256 لإنشاء كتل مقاومة للتلاعب؛ وتستفيد من ECDSA بحيث لا يمكن إنفاق العملات إلا لمن يملك المفتاح الخاص؛ وتوظف أشجار ميركل للتحقق الفعال؛ وتحافظ على إصدار ثابت عبر ضبط الصعوبة الديناميكي. تتيح هذه الميزات محاسبة آمنة ولامركزية على شبكة مفتوحة—مع تحديات تتعلق باستهلاك الطاقة، الرسوم، وتركيز قوة التجزئة. فهم هذه العناصر يساعد المستخدمين على تقييم حدود السرعة، التكلفة، والأمان في المحافظ والمنصات.

الأسئلة الشائعة

لماذا تعدين البيتكوين صعب جدًا؟ كيف يتم تحديد الصعوبة؟

تتعدل صعوبة تعدين البيتكوين تلقائيًا بناءً على إجمالي معدل التجزئة في الشبكة بهدف إنتاج كتلة جديدة كل 10 دقائق في المتوسط. مع انضمام مزيد من المعدنين أو زيادة القدرة الحسابية، تزداد الصعوبة؛ وإذا انخفضت المشاركة، تنخفض الصعوبة. يضمن هذا النظام التكيفي استقرار العرض ويمنع إنتاج الكتل بسرعة قد تؤدي إلى التضخم.

ما أدوار SHA-256 وECDSA في البيتكوين؟

تُستخدم SHA-256 في التعدين وتوليد تجزئات الكتل—حيث يحاول المعدنون مرارًا أرقامًا مختلفة حتى يجدوا واحدة تلبي متطلبات صعوبة الشبكة. تؤمن ECDSA توقيعات المعاملات والتحقق منها—مما يضمن أن من يملك المفتاح الخاص فقط يمكنه إنفاق البيتكوين ويحمي أموالك. باختصار: SHA-256 تؤمن الكتل؛ ECDSA تحمي محفظتك.

لماذا اختار البيتكوين إثبات العمل بدلاً من نماذج الإجماع الأخرى؟

إثبات العمل يؤمن الشبكة بجعل الهجمات مكلفة حسابيًا—إذ يحتاج المهاجم إلى أكثر من 51% من إجمالي قوة التجزئة لتغيير السجلات، وهو أمر مكلف للغاية. قد تواجه النماذج الأخرى مثل إثبات الحصة مخاطر مثل تركيز الثروة. رغم أن PoW يستهلك طاقة كبيرة، إلا أنه يحقق توازنًا رياضيًا واقتصاديًا بين اللامركزية والأمان—وهو خيار تصميم أساسي للبيتكوين.

ما هي المفاهيم الأساسية التي يجب أن تفهمها حول خوارزمية البيتكوين؟

هناك أربعة مفاهيم رئيسية: إثبات العمل (يتنافس المعدنون باستخدام القدرة الحسابية لتجميع الكتل)؛ أشجار ميركل (للتحقق الفعال من سلامة المعاملات)؛ ضبط الصعوبة (للحفاظ على استقرار زمن الكتلة)؛ وتوقيعات ECDSA (لتأمين تفويض المعاملات). إتقان هذه الأساسيات يوضح كيف يحقق البيتكوين تأكيد المعاملات دون ثقة عبر الكود.

هل يمكن للحواسيب الكمومية كسر خوارزمية البيتكوين؟

من الناحية النظرية، قد تهدد الحواسيب الكمومية توقيعات ECDSA في المستقبل، لكن هذا ليس خطرًا وشيكًا. وقد أعد مجتمع البيتكوين استجابات مثل الترقية إلى خوارزميات مقاومة للكم أو أنظمة التوقيع المتعدد. لا تزال تقنية الحوسبة الكمومية بعيدة عن القدرة على كسر التشفير الحالي—لذا لا يوجد قلق عاجل—لكن مواصلة البحث في وسائل الحماية أمر ضروري.