Hashcash — Bagaimana Adam Back Mereka Blok Motor Bitcoin

Hashcash, yang dicipta oleh Adam Back pada tahun 1997, adalah sistem bukti kerja (proof-of-work) yang memerlukan pengirim e-mel melakukan pengiraan sebelum menghantar mesej bagi memerangi spam. Teknologi ini kemudiannya menjadi asas kepada enjin perlombongan Bitcoin, membolehkan sistem mata wang digital terpencar pertama di dunia berfungsi tanpa memerlukan pihak ketiga yang dipercayai.

Suatu tinjauan tentang bagaimana teknologi di sebalik Hashcash — bukti kerja (proof of work) — akan membentuk penyelidikan ke atas wang digital selama lebih sedekad akan datang.

Artikel ini oleh Aaron van Wirdum telah diterbitkan dalam Bitcoin Magazine.

Sumbang.

[ANNOUNCE] hash cash postage implementation

Tarikhnya ialah 28 Mac 1997, apabila kira-kira 2,000 pelanggan senarai mel Cypherpunks menerima e-mel dengan tajuk di atas dalam peti masuk mereka. Penghantarnya ialah seorang pasca-doktorat Britain berusia 26 tahun di University of Exeter, seorang kriptografer muda dan penyumbang prolifik kepada senarai mel tersebut bernama Dr. Adam Back. E-mel itu mengandungi penerangan dan pelaksanaan awal apa yang digambarkannya sebagai "skim pos berasaskan pelanggaran hash separa" — sejenis setem setara untuk e-mel, berdasarkan helah kriptografi yang bijak.

"Idea menggunakan hash separa ialah ia boleh dibuat sangat mahal untuk dikira," tulis Back, menjelaskan kelebihan sistemnya, "namun dapat disahkan dengan serta-merta."

Cadangan oleh kriptografer yang kemudiannya akan menjadi Ketua Pegawai Eksekutif Blockstream ini tidak segera mendapat perhatian ramai dalam senarai e-mel tersebut; hanya seorang pembaca yang membalas, dengan pertanyaan teknikal tentang algoritma pencincangan yang dipilih. Namun, teknologi di sebalik Hashcash — *bukti kerja (proof of work)* — akan membentuk penyelidikan ke dalam wang digital selama lebih sedekad akan datang.

"Pricing via Processing or Combatting Junk Mail"

Hashcash Back sebenarnya bukanlah penyelesaian pertama seumpamanya.

Menjelang awal 1990-an, janji internet, dan terutamanya kelebihan sistem mel elektronik, telah menjadi jelas kepada para peminat teknologi yang prihatin. Namun, perintis internet pada masa itu mula menyedari bahawa e-mel, sebagaimana sistem mel elektronik ini dipanggil, memberikan cabaran tersendiri.

"Khususnya, kemudahan dan kos rendah menghantar mel elektronik, dan terutama sekali kesederhanaan menghantar mesej yang sama kepada banyak pihak, hampir menjemput penyalahgunaan," jelas penyelidik IBM Dr. Cynthia Dwork dan Dr. Moni Naor dalam kertas putih 1992 mereka yang bertajuk "Pricing via Processing or Combatting Junk Mail."

Sesungguhnya, apabila e-mel semakin popular, begitu juga spam.

Satu penyelesaian diperlukan, para pengguna awal internet bersetuju — dan penyelesaian itulah yang ditawarkan oleh kertas kerja Dwork dan Naor.

Pasangan itu mencadangkan satu sistem di mana pengirim perlu melampirkan beberapa data pada setiap e-mel yang mereka hantar. Data ini akan menjadi penyelesaian kepada masalah matematik, unik untuk e-mel tersebut. Secara khusus, Dwork dan Naor mencadangkan tiga teka-teki calon yang boleh digunakan untuk tujuan tersebut, kesemuanya berdasarkan kriptografi kunci awam dan skim tandatangan.

Menambahkan penyelesaian pada e-mel tidaklah terlalu sukar, idealnya hanya memerlukan beberapa saat kuasa pemprosesan dari komputer biasa, sementara kesahihannya mudah diperiksa oleh penerima. Tetapi, dan ini adalah helahnya, walaupun jumlah kuasa pemprosesan yang remeh setiap e-mel akan bertambah bagi pengiklan, penipu dan penggodam yang cuba menghantar ribuan atau bahkan jutaan mesej sekaligus. Spam, menurut teori ini, boleh dibuat mahal dan oleh itu, tidak menguntungkan.

"Idea utama adalah untuk memerlukan pengguna mengira fungsi yang sederhana sukar, tetapi tidak mustahil, untuk mendapatkan akses kepada sumber, dengan itu menghalang penggunaan yang remeh," jelas Dwork dan Naor.

Walaupun Dwork dan Naor tidak mencadangkan istilah tersebut, jenis penyelesaian yang mereka perkenalkan akan dikenali sebagai sistem "bukti kerja" (proof of work). Pengguna perlu secara literal menunjukkan bahawa komputer mereka melakukan kerja, untuk membuktikan bahawa mereka telah membelanjakan sumber dunia sebenar.

Penyelesaian yang bijak, tetapi mungkin terlalu jauh mendahului zamannya. Cadangan itu tidak pernah berkembang jauh melangkaui kalangan saintis komputer yang agak kecil.

Adam Back dan Cypherpunks

Sekitar masa yang sama Dwork dan Naor menerbitkan kertas putih mereka, sekumpulan aktivis privasi dengan kecenderungan libertarian turut menyedari potensi besar internet. Kumpulan yang didorong oleh ideologi ini mula mengatur melalui senarai mel yang berpusat pada teknologi peningkatan privasi. Seperti Dwork dan Naor, "Cypherpunks" — sebagaimana mereka dipanggil — menggunakan sains kriptografi yang agak baru untuk bekerja ke arah matlamat mereka.

Selama bertahun-tahun, Adam Back — yang memperoleh Ph.D. pada tahun 1996 — telah menetapkan dirinya sebagai salah seorang peserta paling aktif dalam senarai ini, kadang-kadang menyumbang berpuluh-puluh e-mel dalam satu bulan. Seperti kebanyakan Cypherpunks, kriptografer itu bersemangat tentang topik termasuk privasi, kebebasan bersuara dan libertarianisme, dan terlibat dalam perbincangan teknikal berkaitan pengirim semula tanpa nama, sistem fail yang disulitkan, wang elektronik seperti yang diperkenalkan oleh Dr. David Chaum, dan banyak lagi.

Tetapi untuk suatu ketika, Back mungkin lebih dikenali kerana mencetak dan menjual baju "munition": kemeja-T dengan protokol penyulitan dicetak padanya, bertujuan untuk membantu menonjolkan keputusan tidak masuk akal kerajaan A.S. untuk mengawal atur program penyulitan PGP (Pretty Good Privacy) Phil Zimmermann sebagai "peluru" dalam definisi peraturan eksport A.S. Memakai baju Back semasa melintasi sempadan untuk meninggalkan Amerika Syarikat secara teknikalnya menjadikan anda seorang "pengeksport peluru."

Adam Back terkenal dengan baju 'munition' PGP yang menimbulkan kontroversi.

Seperti ramai yang lain, Back tidak menyedari cadangan bukti kerja Dwork dan Naor. Tetapi menjelang pertengahan 1990-an, beliau telah memikirkan idea yang sama untuk menangani spam, kadang-kadang "dengan kuat" di senarai mel Cypherpunks.

"Kelebihan sampingan menggunakan PGP, ialah penyulitan PGP sepatutnya menambah sedikit beban kepada penghantar spam — dia mungkin boleh menyulitkan lebih sedikit mesej sesaat berbanding dia boleh menghantar spam melalui pautan T3," komen Back, sebagai contoh, dalam konteks menambah lebih privasi kepada pengirim semula; idea yang agak serupa dengan Dwork dan Naor.

Senarai mel Cypherpunks berkembang dengan ketara dalam kira-kira setengah dekad. Apa yang bermula sebagai platform perbincangan dalam talian untuk sekumpulan orang yang pada mulanya berkumpul di salah satu syarikat permulaan mereka di Bay Area menjadi fenomena internet kecil dengan ribuan pelanggan — dan sering kali lebih banyak e-mel dalam sehari daripada yang boleh diikuti oleh sesiapa pun.

Adalah sekitar masa ini — 1997, berhampiran puncak populariti senarai — bahawa Back mengemukakan cadangan Hashcashnya.

Hashcash

Hashcash adalah serupa dengan cadangan anti-spam Dwork dan Naor dan mempunyai tujuan yang sama, walaupun Back mencadangkan beberapa kegunaan tambahan seperti menangani penyalahgunaan pengirim semula tanpa nama. Tetapi seperti namanya, Hashcash tidak berdasarkan teka-teki kriptografi seperti cadangan Dwork dan Naor; ia berdasarkan pencincangan (hashing).

Pencincangan ialah helah kriptografi yang mengambil sebarang data — sama ada satu huruf atau seluruh buku — dan menukarkannya menjadi nombor rawak yang kelihatan dengan panjang yang telah ditetapkan.

Sebagai contoh, hash SHA-256 bagi ayat *This is a sentence* menghasilkan nombor perenambelasan ini:

Hash SHA-256 bagi 'This is a sentence' dalam format perenambelasan.

Yang boleh "diterjemahkan" kepada nombor perpuluhan biasa:

Hash yang sama diterjemahkan kepada nombor perpuluhan biasa.

Atau kepada perduaan (binari):

Hash yang sama diterjemahkan kepada nombor perduaan (binari).

Sementara itu, hash SHA-256 bagi ayat *This, is a sentence* (dengan koma selepas 'This') menghasilkan nombor perenambelasan ini:

Hash SHA-256 bagi 'This, is a sentence' — berbeza sama sekali hanya dengan penambahan satu koma.

Seperti yang anda lihat, hanya dengan memasukkan satu koma ke dalam ayat mengubah keseluruhan hash. Dan yang penting, apa jua hash bagi mana-mana ayat adalah tidak dapat diramalkan sepenuhnya; walaupun selepas ayat pertama telah di-hash, tidak ada cara untuk mengira hash kedua daripadanya. Satu-satunya cara untuk mengetahuinya adalah dengan benar-benar mencincang kedua-dua ayat tersebut.

Hashcash menggunakan helah matematik ini dengan cara yang bijak.

Dengan Hashcash, metadata e-mel (alamat "daripada", alamat "kepada", masa, dll.) diformalkan sebagai protokol. Selain itu, penghantar e-mel mesti menambah nombor rawak pada metadata ini: "nonce." Semua metadata ini, termasuk nonce, kemudian dicincang, sehingga hash yang terhasil kelihatan sedikit seperti salah satu nombor rawak di atas.

Inilah helahnya: tidak setiap hash dianggap "sah." Sebaliknya, versi perduaan hash mesti bermula dengan bilangan sifar yang telah ditetapkan. Contohnya: 20 sifar. Penghantar boleh menjana hash yang bermula dengan 20 sifar dengan memasukkan nonce yang secara rawak menghasilkan kombinasi yang betul… tetapi penghantar tidak dapat mengetahui terlebih dahulu bagaimana rupa nonce tersebut.

Untuk menjana hash yang sah, oleh itu, penghantar hanya mempunyai satu pilihan: cuba dan ralat ("kekerasan"). Dia mesti terus mencuba nonce yang berbeza sehingga dia menemui kombinasi yang sah; jika tidak, e-melnya akan ditolak oleh klien e-mel penerima yang dituju. Seperti penyelesaian Dwork dan Naor, ini memerlukan sumber pengiraan: ia adalah sistem bukti kerja.

"[J]ika ia tidak mempunyai hash 20 bit […] anda mempunyai program yang memantulkannya dengan notis yang menerangkan pos yang diperlukan, dan di mana untuk mendapatkan perisian," jelas Back di senarai mel Cypherpunks. "Ini akan memusnahkan spammer semalaman, kerana 1,000,000 x 20 = 100 MIP years yang pastinya lebih banyak pengiraan daripada yang mereka ada."

Yang perlu diperhatikan, sistem bukti kerja Back adalah lebih rawak daripada Dwork dan Naor. Penyelesaian pasangan itu memerlukan menyelesaikan teka-teki, bermakna komputer yang lebih cepat akan menyelesaikannya dengan lebih pantas daripada komputer perlahan setiap masa. Tetapi secara statistik, Hashcash masih membenarkan komputer yang lebih perlahan untuk mencari penyelesaian yang betul dengan lebih pantas pada sebahagian masa.

(Dengan analogi, jika seseorang berlari lebih laju daripada orang lain, yang pertama akan memenangi pecut antara mereka setiap kali. Tetapi jika seseorang membeli lebih banyak tiket loteri daripada orang lain, yang kedua secara statistik masih akan menang sebahagian masa — cuma tidak selalu.)

Kekurangan Digital (Digital Scarcity)

Seperti cadangan Dwork dan Naor, Hashcash — yang akan diperincikan oleh Back dalam kertas putih pada tahun 2002 — tidak pernah berkembang dengan cara yang sangat besar. Ia telah dilaksanakan dalam platform SpamAssassin sumber terbuka Apache, dan Microsoft memberikan idea bukti kerja satu percubaan dalam format "cap pos e-mel" yang tidak serasi. Dan Back, serta sarjana lain, menghasilkan pelbagai aplikasi alternatif untuk penyelesaian tersebut selama bertahun-tahun, tetapi kebanyakannya tidak pernah mendapat banyak momentum. Bagi kebanyakan aplikasi berpotensi, kekurangan kesan rangkaian mungkin terlalu besar untuk diatasi.

Namun begitu, Dwork dan Naor serta Back (secara berasingan) memang memperkenalkan sesuatu yang baru. Di mana salah satu ciri paling kuat produk digital adalah kemudahan ia boleh disalin, bukti kerja pada asasnya adalah konsep pertama yang menyerupai kekurangan maya yang tidak bergantung kepada pihak pusat: ia mengikat data digital kepada sumber dunia sebenar yang terhad, iaitu kuasa pengkomputeran.

Dan kekurangan, sudah tentu, adalah prasyarat untuk wang. Sesungguhnya, Back khususnya secara eksplisit meletakkan Hashcash dalam kategori wang sepanjang sumbangannya dalam senarai mel Cypherpunks dan kertas putihnya, membandingkannya dengan satu-satunya wang digital yang pernah dilihat dunia pada ketika itu: Ecash DigiCash oleh Chaum.

"Hashcash mungkin menyediakan langkah sementara sehingga digicash menjadi lebih meluas digunakan," hujah Back dalam senarai mel. "Hashcash adalah percuma, apa yang anda perlu lakukan ialah membakar beberapa kitaran pada PC anda. Ia selaras dengan budaya internet perbincangan bebas, di mana mereka yang bermasalah kewangan boleh bertarung dengan jutawan, pegawai kerajaan yang telah bersara, dll atas syarat yang sama. [Dan] Hashcash mungkin menyediakan kita dengan kaedah sandaran untuk mengawal spam jika digicash menjadi busuk (diharamkan atau dikehendaki menahan identiti pengguna)."

Walaupun namanya, bagaimanapun, Hashcash tidak boleh berfungsi dengan baik sebagai wang yang lengkap (begitu juga cadangan Dwork dan Naor). Mungkin yang paling penting, sebarang bukti kerja yang "diterima" tidak berguna kepada penerima. Tidak seperti wang, ia tidak boleh dibelanjakan semula di tempat lain. Di atas itu, apabila komputer meningkat dalam kelajuan setiap tahun, mereka boleh menghasilkan lebih banyak bukti dari masa ke masa pada kos yang lebih rendah: Hashcash akan tertakluk kepada (hiper)inflasi.

Apa yang ditawarkan oleh bukti kerja, lebih daripada apa-apa pun, adalah asas baru untuk penyelidikan dalam bidang wang digital. Beberapa cadangan wang digital yang paling terkenal yang berikutnya dibina di atas Hashcash, biasanya dengan membenarkan bukti kerja digunakan semula. (Dengan Bukti Kerja Boleh Guna Semula (Reusable Proof of Work — RPOW) Hal Finney sebagai contoh yang paling jelas.)

Bitcoin

Akhirnya, sudah tentu, bukti kerja menjadi batu penjuru bagi Bitcoin, dengan Hashcash sebagai salah satu daripada beberapa rujukan dalam kertas putih Bitcoin.

Namun, dalam Bitcoin, Hashcash (atau, lebih tepat, satu versi daripadanya) digunakan dengan cara yang sangat berbeza daripada yang disangka ramai sebelumnya. Tidak seperti Hashcash dan cadangan berasaskan Hashcash yang lain, kekurangan yang disediakannya tidak digunakan sebagai wang sama sekali. Sebaliknya, Hashcash membolehkan perlumbaan. Pelombong mana yang pertama menghasilkan bukti kerja yang sah — hash bagi blok Bitcoin — yang akan menentukan transaksi mana yang diluluskan. Sekurang-kurangnya secara teori, sesiapa sahaja boleh bersaing secara sama rata: seperti loteri, pelombong kecil secara statistik akan menjadi yang pertama menghasilkan bukti kerja yang sah dari semasa ke semasa.

Selanjutnya, sebaik sahaja blok baru dilombong, mengesahkan satu set transaksi, transaksi ini tidak mungkin diterbalikkan. Seorang penyerang perlu membuktikan sekurang-kurangnya kerja sebanyak yang diperlukan untuk mencari blok pada mulanya, bertambah untuk setiap blok tambahan yang ditemui, yang dalam keadaan biasa menjadi eksponen lebih sukar dari masa ke masa. Sumber dunia sebenar yang mesti dibelanjakan untuk menipu biasanya melebihi potensi keuntungan yang boleh dibuat dengan menipu, memberi keyakinan kepada penerima transaksi Bitcoin bahawa transaksi ini adalah muktamad.

Inilah caranya, dalam Bitcoin, Hashcash membunuh dua ekor burung dengan satu batu. Ia menyelesaikan masalah perbelanjaan dua kali (double-spending) secara terpencar, sambil menyediakan helah untuk mendapatkan duit syiling baru ke dalam edaran tanpa pengeluar berpusat.

Hashcash tidak merealisasikan sistem wang elektronik pertama — Ecash memegang mahkota itu, dan bukti kerja tidak benar-benar boleh berfungsi sebagai wang. Tetapi sistem wang elektronik *terpencar* mungkin mustahil tanpanya.