Що таке Proof-of-Work?

Вступ

Біткоїн-майнери збирають і транслюють транзакції в блоці, а також перевіряють їхню дійсність. Потім вони застосовують криптографічну хеш-функцію заголовка попереднього блоку до нового блоку. Зрештою вони намагаються розв'язати проблему доказу роботи (Proof-of-Work або PoW). Сатоші Накамото впровадив механізм консенсусу PoW для розв'язання проблеми візантійських генералів, створивши прозорий та об'єктивний протокол.

Що таке підтвердження роботи (PoW)?

Proof-of-Work – це буквально доказ того, що було зроблено роботу для перевірки транзакцій у мережі та створення нових біткоїнів. Це механізм та алгоритм консенсусу, який використовує обчислювальну потужність для перевірки транзакцій та додавання їх до блокчейну Біткоїна. Такий механізм дозволяє мережі Біткоїна залишатися надійною та децентралізованою.

PoW розв'язує проблеми візантійських генералів, які можуть вивести з ладу розподілену комп'ютерну систему з різних причин, не тільки зловмисного характеру, а й, наприклад, через дефект програмного забезпечення, несправність апаратного забезпечення або добре скоординовану атаку зловмисника. Усі вони можуть бути перепонами, які заважають вузлам досягти консенсусу у розподілених мережах.

Проблема візантійських генералів характерна лише для децентралізованих систем, де домовитися складніше.

Біткоїн розвʼязує проблему візантійських генералів, пропонуючи спосіб безпечного спілкування та передачі коштів без необхідності довіряти один одному через мережу вузлів, які погоджуються щодо істини до того, як її буде позначено часовою міткою. Як тільки один вузол записав транзакцію, копія поширюється на всі інші вузли мережі. PoW був створений для досягнення цієї мети.

Чому Proof-of-Work важливий?

Proof-of-Work часто хибно розуміють або недооцінюють, оскільки багато хто вважає його марною тратою зусиль на поганий дизайн системи; стверджується, що введення транзакції до будь-якого іншого цифрового реєстру може бути здійснено миттєво та без зусиль. Ось чому Proof-of-Work необхідний для безпеки реєстру та для запобігання його компрометації якоюсь однією стороною. Зусилля не марні, якщо вони дозволяють мережі стати альтернативою чинній грошовій системі та її різноманітним недолікам.

Важливість Proof-of-Work полягає у його здатності слугувати відчутною статтею витрат для створення біткоїнів та забезпечення довіри. Було б непомірно здійснити атаку 51% на мережу Біткоїна з метою створення підроблених монет або проведення шахрайських транзакцій. Якщо будь-яка організація спробує скомпрометувати мережу Біткоїна, їй доведеться повторити всі попередні докази роботи так швидко, щоб випередити безперервний доказ роботи мережі. З цієї причини Біткоїн має неперевершені характеристики вартісності та є незмінним, оскільки підтверджені транзакції змінити практично неможливо.

Щоб підтримувати стабільність системи Proof-of-Work, Накамото реалізував просте, але геніальне рішення, відоме як алгоритм коригування складності, який регулює рівень складності виявлення нового блоку кожні 10 хвилин. Це дуже важливо для запобігання надто швидкому відкриттю нових блоків у міру того, як все більше майнерів приєднуються до мережі. Це рішення також гарантує, що процес майнінгу не стане надто повільним, якщо активність впаде.

Proof-of-Work та Proof-of-Stake

PoW – це хороший спосіб використання енергії для захисту Біткоїна, який зобов'язує всіх дотримуватися одних і тих же фіксованих правил, у тому числі заборони на випуск більшої кількості біткоїнів для збільшення пропозиції.

Різниця у безпеці між двома механізмами консенсусу має велике значення. Proof-of-Work передбачає споживання енергії, щоб гарантувати, що Біткоїн залишиться найбезпечнішою мережею у світі, тоді як Proof-of-Stake (PoS) не розв'язує проблеми можливого втручання з боку зловмисників. Натомість PoS жертвує безпекою заради масштабованості, через що блокчейн стає швидшим, але не викликає довіри. Механізм консенсусу PoW Біткоїна коштує дорого і спонукає учасників публікувати лише правдиву інформацію.

Proof-of-Stake – це механізм консенсусу для більшості альткоїнів, цифрових пенні-акцій та інших схем Понці, які продаються як альтернатива біткоїна. Цей механізм консенсусу працює через «стейкінг»: токени обраного протоколу блокуються в системі так, щоб їх не можна було витратити. Чим більша кількість токенів, тим вища ймовірність перевірки блоку транзакцій.

Враховуючи, що більшість токенів альткоїнів видаються інсайдерам і розробникам до того, як вони стають загальнодоступними, стає очевидно, наскільки погано спроєктована децентралізація в мережах з доказом частки.

Основні відмінності між двома механізмами такі:

Proof-of-Work

• Валідація виконується мережею майнерів
• Через конкуренцію потрібно багато енергії та обчислювальної потужності для визначення ймовірності знаходження нового блоку.
• Proof-of-Work потребує реальних фізичних витрат на виробництво, що захищає мережу від атак.
• Proof-of-Work має економічну та екологічну перевагу

Proof-of-Stake

• Валідація здійснюється учасниками, які пропонують свої токени як заставу.
• Використовується менше енергії, але сума частки чи кількість монет визначає ймовірність перевірки нового блоку.
• Proof-of-Stake не потребує реальних витрат за виробництво, що робить мережу вразливою до атак.
• Proof-of-Stake не має жодних екологічних переваг

У Proof-of-Stake легко придбати 51% частку, а потім змінити правила протоколу на свою користь, і відносно просто цензурувати участь і діяльність у мережі, наприклад, відхилити транзакції фізичної чи юридичної особи.

Як працює Proof-of-Work

Proof-of-Work раніше функціонував завдяки використанню центральних процесорів (ЦП) та графічних процесорів (ГП). Однак через необхідність величезної кількості електроенергії тепер потрібна допомога спеціалізованих комп'ютерів, керованих майнерами, відомих як спеціалізовані інтегральні схеми (ASIC). Вони використовуються для введення даних транзакції, інформації попереднього заголовка блоку та одноразового номера (випадкове число) для вгадування результату хеш-функції.

Хеш-функції – це математичні функції. У Біткоїні SHA-256 – це алгоритм хеш-функції, який перетворює ваші вхідні дані – все, що може бути представлене одиницями та нулями – у вихідні дані, унікальний рядок з 64 символів, який ідеально корелює з вхідними даними.

Виходячи з того, як це працює, неможливо визначити результівний висновок із загальнодоступних вхідних даних, крім за допомогою високовартісного швидкого вгадування через ASIC.

З іншого боку, майнери бажають оптимізувати свою роботу. Для прибутковості вони повинні збільшити кількість хешів (або припущень) в секунду, використовуючи найдешевше і найнадійніше джерело енергії.

Коригування складності Біткоїна робить майнінг ще більш конкурентоспроможною галуззю. Простіше кажучи, Proof-of-Work схожий на купівлю лотерейних білетів із розіграшем призів кожні 10 хвилин. Чим більше квитків ви купуєте, тим вище статистична можливість виграшу в лотерею. Що стосується ASIC, Bitmain Antminer S19j Pro може працювати зі швидкістю 104 TH/s, що означає 104 трильйони припущень або квитків за секунду.

Через посилення конкуренції окремим майнерам стало важче майнити біткоїн з 2012 року, коли виникла потреба в ASIC. Однак, тепер вони можуть приєднатися до майнінг-пулу, щоб збільшити свої шанси на отримання винагороди в біткоїні, хоча кошти будуть розділені між усіма учасниками.

Переваги та недоліки

Proof-of-Work необхідний для забезпечення безпеки, незмінності та децентралізації Біткоїна. Ось основні переваги та недоліки механізму консенсусу Біткоїна.

Переваги

• Децентралізація, тобто справжній технологічний прорив
• Стійкість до цензури внаслідок децентралізації
• Незмінність блокчейну
• Це чесна та об'єктивна система, заснована на надійних правилах протоколу та законах фізики.
• Високий рівень безпеки: PoW економічно стимулює майнерів захищати мережу
• Уловлювання вуглецю та метану: Біткоїн використовує марно витрачену енергію для випуску більшої кількості монет та перевірки транзакцій
• Монетизуючи енергію, PoW прискорює розгортання мереж відновлюваної енергії, а також покращує балансування навантаження у наявних мережах, роблячи їх ефективнішими та безпечнішими.

Недоліки

• Нижча швидкість транзакцій
• Витрати на майнінг (OPEX і CAPEX) дуже високі, але необхідні для доказу роботи.
• PoW споживає багато енергії, але було доведено, що це стимулює інновації в галузі відновлюваних джерел енергії та використання марно витраченої енергії.

Критика Proof-of-Work

Критика енергоспоживання Біткоїна є звичайним явищем. Оскільки Біткоїн вимагає значної кількості енергії для захисту мережі, Proof-of-Work є легким вектором атаки для тих, чиї інтереси більше пов'язані з фіатною фінансовою системою.

Однак у широко поширеному наративі не згадується, що Біткоїн насправді є рушійною силою у технології, яка генерує чисту енергію та використовує марно витрачену енергію.

Як це відбувається? Біткоїн-майнери повинні знайти найбільш рентабельні джерела енергії, щоб отримувати прибуток. У результаті доступна енергія для майнінгу біткоїнів все частіше надходить із відновлюваних джерел енергії, а також з марно витрачених і невикористаних джерел енергії, а не з викопного палива.

Відновлювані джерела

Оскільки відновлювані джерела енергії – насамперед вітер та сонячна енергія – є одними з найдешевших джерел енергії, біткоїн-майнери зацікавлені у субсидуванні своїх інновацій, що на благо всім.

Багато хто не розуміє, що споживання енергії безпосередньо не призводить до викидів вуглекислого газу, на відміну від джерела. Вплив викидів вуглецю пов'язаний з виробництвом енергії, а не з її споживанням.

Марно витрачена енергія

Спалювання природного газу є прикладом марної витрати енергії: щоб уникнути високих витрат на транспортування природного газу з віддалених місць, нафтовим компаніям, які його видобувають, рекомендується або викидати газ в атмосферу, або буквально «спалювати» його, щоб обмежити вплив на навколишнє середовище. Однак, його безпечне спалювання також має свою вартість, і якби газові бурильники могли використовувати газогенератор для живлення майнерів біткоїнів, ця марно витрачена енергія знайшла б корисне використання – виробництво біткоїнів!

Невикористана енергія

Оскільки об'єкти з майнінгу біткоїнів можуть бути розташовані в будь-якій точці світу, їх дедалі більше приваблює невикористана енергія, яка часто знаходиться надто далеко від населених пунктів, – наприклад океанські течії або сонце пустелі. Біогаз – ще один варіант, який виробляє надійну енергію, але часто не підключений до мережі.

Поширені запитання

Як визначається рівень складності проблеми PoW?

Залежно від того, скільки хешів за секунду видобувається в мережі, складність хеш-функції відповідно збільшуватиметься або зменшуватиметься, так що майнерам потрібно в середньому 10 хвилин, щоб знайти новий блок у глобальній мережі.

Чи може метод повного перебору розв'язати проблему Proof-of-Work?

Єдиний спосіб розв'язати проблему PoW – використати повний перебір, загальний метод розв'язання проблем, та алгоритмічну парадигму, яка шукає всі можливі розв'язання цієї проблеми, перш ніж знайти найбільш задовільне.

Що буде з Proof-of-Work, коли весь біткоїн буде добутий?

Коли весь біткоїн буде добуто, для перевірки транзакцій все одно знадобиться Proof-of-Work, за який майнери отримуватимуть комісію.

Чи існують життєздатні альтернативи Proof-of-Work?

Для створення децентралізованої, незмінної, захищеної від цензури та безпечної криптовалюти, такої як біткоїн, безпечної альтернативи доказу роботи не існує.

Що станеться, якщо два майнери одночасно розв'яжуть проблему Proof-of-Work для одного і того ж блоку?

Буде обрано блок у найдовшому ланцюжку, який має «найбільшу комбіновану складність» використаних хешів і використав найбільшу обчислювальну потужність для його створення.

Прикінцеве слово

Політики та організації отримують вигоду, критикуючи доказ роботи Біткоїна і фінансуючи проєкти, спрямовані на дискредитацію Біткоїна через його енергоспоживання. Їхня вигода полягає в тому, щоб зберегти поточну систему такою, якою вона є, зручною для них, зображуючи Біткоїн неправильним і шкідливим для людства та Землі.

Біткоїн руйнівний для них; це надія, яка потрібна людству і яку потрібно відкрити та зрозуміти, щоб оцінити її повністю. Proof-of-Work необхідний для переходу до нової грошової системи та іншого світу, і зусилля, необхідні для його створення, роблять його ще більш достойним.