ทำความเข้าใจ Argon2id Proof of Work

บทความนี้อธิบายว่า Argon2id คืออะไร Blocknet นำมาใช้เป็น Proof of Work อย่างไร ทำไมหน่วยความจำเร็วจำนวนมากจึงช่วยได้ และ seine รีดจำนวนแฮชจาก CPU แต่ละตัวที่ใช้งานอย่างไร

Argon2id คืออะไร?

RFC 9106 ซึ่งเผยแพร่ในปี 2021 โดย Crypto Forum Research Group ของ IRTF อธิบายว่าเป็น “ฟังก์ชัน Argon2 แบบ memory-hard สำหรับการแฮชรหัสผ่านและงาน Proof of Work” Argon2 มีสามรูปแบบ:

• Argon2d เลือกบล็อกก่อนหน้าที่จะอ่านจากข้อมูลที่คำนวณไปแล้ว RFC ระบุว่า “เหมาะกับคริปโตเคอร์เรนซีและงาน Proof of Work”
• Argon2i เลือกบล็อกตามลำดับที่ไม่ขึ้นกับข้อมูล จึงเหมาะกับการแฮชรหัสผ่าน
• Argon2id “ทำงานแบบ Argon2i ในครึ่งแรกของรอบแรกที่ผ่านหน่วยความจำ และแบบ Argon2d ในส่วนที่เหลือ” เป็นรูปแบบหลัก โดย RFC กำหนดว่าทุกการนำไปใช้งานต้องรองรับ

ภายใน Argon2 มองหน่วยความจำเป็นแถวยาวของบล็อกขนาด 1,024 bytes แต่ละบล็อกใหม่เป็นผลของฟังก์ชันบีบอัด G ที่รับสองอินพุต ได้แก่ บล็อกก่อนหน้าทันทีและบล็อกอ้างอิงก่อนหน้านั้นในหน่วยความจำ G สร้างบนรอบผสมข้อมูลของฟังก์ชันแฮช BLAKE2b ซึ่งทำงานกับคำขนาด 64-bit ด้วยการบวก XOR และการหมุนบิต

Blocknet ใช้ Argon2id เป็น Proof of Work อย่างไร?

Blocknet กำหนดค่า Argon2id ทุกค่าไว้ในโค้ดฉันทามติ นักขุดและโหนดทุกตัวจึงคำนวณฟังก์ชันเดียวกันทุกประการ:

การขุดคือการค้นหา นักขุดนำส่วนหัวของบล็อกที่ต้องการเผยแพร่มาเลือก nonce แล้วคำนวณแฮช Argon2id หากผลลัพธ์ 32 bytes ซึ่งอ่านเป็นตัวเลขมีค่าน้อยกว่าหรือเท่ากับเป้าหมายเครือข่าย บล็อกนั้นก็ถูกต้อง หากไม่ใช่ นักขุดจะลอง nonce ถัดไป

เป้าหมายมาจากความยากโดยตรง คือ (2^256 − 1) หารด้วยความยาก ทำให้ความยากใกล้เคียงกับจำนวนแฮชที่คาดว่าทั้งเครือข่ายต้องคำนวณเพื่อพบบล็อกหนึ่งบล็อก Blocknet ตั้งเป้าหนึ่งบล็อกทุกห้านาที แฮชเรตเครือข่ายจึงประมาณความยากหารด้วย 300 วินาที ส่วนความยากติดตามเวลาบล็อกล่าสุดผ่านค่าเฉลี่ยเคลื่อนที่ถ่วงน้ำหนัก 60 บล็อก

พูลทำงานแบบเดียวกันด้วยเป้าหมายที่ง่ายกว่า บน bntpool.com โปรแกรมขุด seine ส่งแชร์ที่ผ่านความยากต่อการเชื่อมต่อซึ่งต่ำกว่า และแชร์ใดที่ผ่านเป้าหมายเครือข่ายด้วยก็คือบล็อกที่พบ

ทำไม Proof of Work แบบ memory-hard จึงเหมาะกับคอมพิวเตอร์ทั่วไป?

ค่าข้างต้นทำให้หน่วยความจำเป็นศูนย์กลางของทุกแฮช เมื่อมีหนึ่งรอบและหนึ่งเลน ครึ่งหลังของรอบจะขึ้นกับข้อมูล โดยตำแหน่งบล็อกอ้างอิงแต่ละบล็อกมาจากคำ 64-bit แรกของบล็อกที่เพิ่งคำนวณก่อนหน้า นักขุดไม่รู้ล่วงหน้าว่าจะต้องใช้บล็อกเก่าใดจนถึงเวลาที่ต้องใช้ จึงเก็บพื้นที่ 2 GiB ทั้งหมดไว้ในหน่วยความจำ

นักขุดอาจลองเก็บบล็อกน้อยลงแล้วคำนวณบล็อกที่ขาดใหม่เมื่อต้องใช้ RFC 9106 เรียกวิธีนี้ว่าการแลกเวลามาเป็นหน่วยความจำ ซึ่งประหยัดหน่วยความจำ “โดยแลกกับการเรียกฟังก์ชันบีบอัดภายในมากขึ้น” ทุกบล็อกที่ไม่เก็บไว้ต้องจ่ายคืนด้วยการคำนวณเพิ่มเติม

นี่คือเหตุผลที่การออกแบบนี้เหมาะกับฮาร์ดแวร์ทั่วไป เดสก์ท็อป แล็ปท็อป และเซิร์ฟเวอร์มี RAM หลายกิกะไบต์พร้อมตัวควบคุมหน่วยความจำอยู่แล้ว ชิปที่ออกแบบเพื่อแฮชอย่างเดียวก็ยังต้องมีหน่วยความจำเร็วหลายกิกะไบต์ข้างคอร์แฮช ค่าแนะนำชุดแรกใน RFC 9106 คือ Argon2id หนึ่งรอบบนหน่วยความจำ 2 GiB ซึ่งมีจำนวนรอบและขนาดหน่วยความจำเท่ากับที่ Blocknet ใช้ และ RFC ระบุว่าค่านี้ “เพิ่มต้นทุนของผู้โจมตีบนฮาร์ดแวร์เฉพาะทางสำหรับ brute force ให้สูงสุด” โค้ด daemon ของ Blocknet อธิบายการเลือก Proof of Work แบบ memory-hard ว่า “เพื่อต้านทาน ASIC และให้การขุดเป็นธรรม” Argon2id ออกแบบมาต้านทาน ASIC และค่า 2 GiB นำการออกแบบนั้นมาใช้งาน การขุดจึงเปิดกว้างให้คอมพิวเตอร์ที่ผู้คนมีอยู่แล้ว คู่มือ Proof of Work เทียบกับ Proof of Stake อธิบายการเปรียบเทียบกับ staking

ทำไม RAM และแบนด์วิดท์หน่วยความจำจึงกำหนดแฮชเรต?

RAM กำหนดจำนวนเธรด Parallelism 1 หมายถึงหนึ่งแฮชทำงานบนหนึ่งเธรด และแต่ละเธรดต้องมีพื้นที่ 2 GiB เต็มของตัวเอง เครื่องที่มี 16 GB เปิดได้ราวหกถึงเจ็ดเธรดหลังเผื่อพื้นที่ให้ระบบ seine วัดหน่วยความจำ สำรองไว้ 5% และเลือกจำนวนเธรดให้คุณ

แบนด์วิดท์และความหน่วงกำหนดความเร็วแต่ละเธรด หนึ่งแฮชสร้างบล็อกใหม่ 2,097,152 บล็อก และแต่ละบล็อกอ่านบล็อกอ้างอิง 1 KiB จากตำแหน่งหนึ่งในพื้นที่นั้น รวมเป็นการเขียนประมาณ 2 GiB และอ่านประมาณ 2 GiB ต่อแฮช ที่ 10 H/s เครื่องถ่ายโอนข้อมูลผ่านหน่วยความจำราว 40 GiB ทุกวินาที ในครึ่งที่ขึ้นกับข้อมูล ที่อยู่อ่านแต่ละตำแหน่งจะทราบต่อเมื่อบล็อกก่อนหน้าเสร็จแล้ว เวลาตอบสนองของหน่วยความจำจึงสำคัญพอๆ กับปริมาณรับส่งข้อมูล

นี่คือเหตุผลที่หน้าประสิทธิภาพของ seine ระบุว่าแฮชเรต “ขึ้นกับแบนด์วิดท์และความหน่วงหน่วยความจำพอๆ กับจำนวนคอร์” คู่มือฮาร์ดแวร์ขุด Blocknet แสดงผลดีที่สุดของฮาร์ดแวร์แต่ละเจเนอเรชัน

huge pages ช่วยด้วยเหตุผลเดียวกัน พื้นที่ 2 GiB ครอบคลุมเพจปกติขนาด 4 KiB จำนวน 524,288 เพจ หรือเพจขนาด 2 MiB จำนวน 1,024 เพจ เพจที่ใหญ่ขึ้นและน้อยลงลดการพลาดในการแปลที่อยู่ระหว่างการอ่านแบบกระจัดกระจาย ซึ่งเพิ่มได้ประมาณ 4–6% บนเครื่องตรวจสอบของ seine คู่มือ huge pages มีขั้นตอนตั้งค่า

เคอร์เนล CPU ของ seine ใช้ Argon2id ได้เต็มที่อย่างไร?

เคอร์เนลคือลูปภายในที่คำนวณบล็อก รุ่น x86 ของ seine มีเคอร์เนล scalar, AVX2 และ AVX-512 รวมทั้งรูปแบบ streaming ส่วนรุ่น Arm มี NEON พร้อมเส้นทางเร็ว SHA3 แต่ละแบบจัดการงานที่ติดข้อจำกัดหน่วยความจำต่างกัน:

• AVX2 และ AVX-512 ทำรอบแบบ BLAKE2b ของ G กับคำ 64-bit หลายคำพร้อมกันในรีจิสเตอร์เวกเตอร์กว้าง AVX-512 ยังมีคำสั่งหมุนบิตโดยตรง ซึ่งรอบเหล่านั้นใช้ตลอดเวลา
• Prefetching ขอข้อมูลบล็อกอ้างอิงจากหน่วยความจำก่อนต้องใช้ ในครึ่งแรกของรอบจะรู้ที่อยู่ล่วงหน้า seine จึงขอบล็อกล่วงหน้าสองสามขั้น ในครึ่งหลัง seine ขออ้างอิงถัดไปทันทีที่คำแรกของบล็อกปัจจุบันเสร็จสมบูรณ์ แล้วทำส่วนที่เหลือของการบีบอัดระหว่างรอข้อมูล
• Streaming เก็บ 64 บล็อกล่าสุดในวงแคชขนาดเล็ก และเขียนแต่ละบล็อกที่เสร็จไปยังพื้นที่ 2 GiB ด้วย streaming stores ซึ่งส่งตรงสู่หน่วยความจำและเว้นแคชไว้ให้บล็อกที่แฮชยังต้องใช้ seine เปรียบเทียบวิธีนี้อัตโนมัติบน AMD EPYC Zen 5
• NEON พร้อม SHA3 ใช้คำสั่ง XAR ของส่วนขยาย Arm SHA3 ซึ่งทำ XOR และหมุนบิตในขั้นเดียว พร้อมการ prefetch ที่ครอบคลุมมากขึ้น

บนฮาร์ดแวร์ที่เราทดสอบ เคอร์เนลที่เหมาะสมสร้างความต่างมาก ผลต่อไปนี้เป็นการทดสอบคู่บนเครื่องเดียวกันและจำนวนเธรดเท่ากัน จากหน้าประสิทธิภาพของ seine:

คุณไม่ต้องเลือกสิ่งเหล่านี้เอง seine เปรียบเทียบเคอร์เนลที่ CPU รองรับกับงานขุดจริง เปลี่ยนเมื่อยืนยันผลที่เร็วขึ้นสองครั้งเท่านั้น และแคชตัวที่ชนะไว้สำหรับเปิดครั้งต่อไป เคอร์เนลที่ดีที่สุดขึ้นกับจำนวนเธรด ขนาดเพจ และการจัดวาง CPU seine จึงวัดบนเครื่องของคุณแทนการกำหนดตายตัว

หากต้องการใช้หน่วยความจำของคุณขุด ให้ดาวน์โหลด seine เรียกใช้ แล้ววางที่อยู่ของคุณ คู่มือการขุด อธิบายส่วนที่เหลือ