Что такое Proof-of-Work?

Введение

Биткоин-майнеры собирают и транслируют транзакции в блоке, а также проверяют их действительность. Затем они применяют криптографическую хеш-функцию заголовка предыдущего блока к новому блоку. Наконец, они пытаются решить проблему доказательства работы (Proof-of-Work или PoW). Сатоши Накамото внедрил механизм консенсуса PoW для решения проблемы византийских генералов, создав прозрачный и объективный протокол.

Что такое доказательство работы (PoW)?

Proof-of-Work – это буквально доказательство того, что была проделана работа для проверки транзакций в сети и создания новых биткоинов. Это механизм и алгоритм консенсуса, который использует вычислительную мощность для проверки транзакций и добавления их в блокчейн Биткоина. Такой механизм позволяет сети Биткоина оставаться надежной и децентрализованной.

PoW решает проблемы византийских генералов, которые могут привести к сбою распределенной компьютерной системы по разным причинам, не только злонамеренного характера, но и, к примеру, из-за дефекта программного обеспечения, сбоя оборудования или хорошо скоординированной атаки злоумышленника. Все они могут быть трудностями, которые мешают узлам достичь консенсуса в распределенных сетях.

Проблема византийских генералов характерна только для децентрализованных систем, где договориться сложнее.

Биткоин решает проблему византийских генералов, предоставляя способ безопасного общения и передачи средств без необходимости доверять друг другу через сеть узлов, которые соглашаются с правдой до того, как она будет отмечена временной меткой. Как только один узел записал транзакцию, копия распространяется на все остальные узлы в сети. PoW был создан для достижения этой цели.

Почему Proof-of-Work важен?

Proof-of-Work часто неправильно понимают или недооценивают, так как многие считают его напрасной тратой усилий на плохой дизайн системы; они утверждают, что ввод транзакции в любой другой цифровой реестр может быть осуществлен мгновенно и без усилий. Вот почему Proof-of-Work необходим для безопасности реестра и для предотвращения его компрометации какой-либо одной стороной. Усилия не напрасны, если они позволяют сети стать альтернативой существующей денежной системе и ее различным недостаткам.

Важность Proof-of-Work заключается в его способности служить ощутимой статьей расходов на создание биткоинов и обеспечение их достоверности. Было бы непомерно проводить атаку 51% на сеть Биткоина с целью создания поддельных монет или проведения мошеннических транзакций. Если какая-либо организация попытается скомпрометировать сеть Биткоина, ей придется повторить все предыдущие доказательства работы достаточно быстро, чтобы опередить непрерывное доказательство работы сети. По этой причине Биткоин обладает непревзойденными характеристиками дороговизны и неизменен, поскольку подтвержденные транзакции изменить практически невозможно.

Чтобы поддерживать стабильность в системе проверки доказательства работы, Накамото реализовал простое, но гениальное решение, известное как алгоритм корректировки сложности, который регулирует уровень сложности обнаружения нового блока каждые 10 минут. Это крайне важно для предотвращения слишком быстрого открытия новых блоков по мере того, как все больше майнеров присоединяются к сети. Это решение также гарантирует, что процесс майнинга не станет слишком медленным, если активность упадет.

Proof-of-Work и Proof-of-Stake

PoW является хорошим способом использования энергии для защиты Биткоина, заставляя всех придерживаться одних и тех же фиксированных правил, включая запрет на выпуск большего количества биткоинов для увеличения предложения.

Разница в безопасности между двумя механизмами консенсуса имеет большое значение. Proof-of-Work подразумевает потребления энергии, чтобы гарантировать, что Биткоин сохранит свою позицию самой безопасной сети в мире, тогда как Proof-of-Stake (PoS) не решает проблему возможного вмешательства со стороны злоумышленников. Вместо этого PoS жертвует безопасностью ради масштабируемости, что делает блокчейн более быстрым, но не вызывающим большого доверия. Механизм консенсуса PoW Биткоина стоит дорого и побуждает участников публиковать только правдивую информацию.

Proof-of-Stake – это механизм консенсуса для большинства альткоинов, цифровых пенни-акций и других схем Понци, продаваемых как альтернатива биткоину. Этот механизм консенсуса работает через «стейкинг»: инвесторы замыкают токены выбранного протокола в системе, чтобы токен нельзя было потратить. Чем выше количество токенов, тем выше вероятность проверки блока транзакций.

Учитывая, что большинство токенов альткоинов выдаются инсайдерам и разработчикам до того, как они стают общедоступными, легко понять, насколько плохо спроектирована децентрализация в сетях с доказательством доли.

Основные различия между двумя механизмами следующие:

Proof-of-Work

• Валидация выполняется сетью майнеров
• Из-за конкуренции требуется много энергии и вычислительной мощности для определения вероятности нахождения нового блока.
• Доказательство работы подразумевает реальные физические затраты на производство, что изолирует сеть от атак.
• Доказательство работы имеет экономическое и экологическое преимущество

Proof-of-Stake

• Валидация осуществляется участниками, которые предлагают свои токены в качестве залога.
• Используется меньше энергии, но сумма ставки или количество монет определяет вероятность проверки нового блока.
• Доказательство доли не имеет реальных затрат на производство, что делает сеть уязвимой для атак.
• Доказательство доли не дает никаких экологических преимуществ

В Proof-of-Stake легко приобрести 51% долю, а затем изменить правила протокола в свою пользу, и относительно просто подвергнуть цензуре участие и деятельность в сети, например, отклонить транзакции физического или юридического лица, не включая их.

Как работает Proof-of-Work

Proof-of-Work ранее функционировал благодаря использованию центральных процессоров (ЦП) и графических процессоров (ГП). Однако из-за огромного количества потребляемой электроэнергии теперь необходима помощь специализированных компьютеров, управляемых майнерами, известных как специализированные интегральные схемы (ASIC). Они служат для ввода данных транзакции, информации из предыдущего заголовка блока и одноразового номера (случайное число) для угадывания результата хеш-функции.

Хеш-функции – это математические функции. В Биткоине SHA-256 – это алгоритм хеш-функции, который преобразует ваши входные данные – все, что может быть представлено единицами и нулями – в выходные данные, строку из 64 символов, которая будет уникальной и идеально коррелирует с входными данными.

Исходя из того, как это работает, невозможно определить результирующий вывод из общедоступного ввода, кроме как с помощью дорогостоящего быстрого угадывания через ASIC.

С другой стороны, майнеры хотят оптимизировать свою работу. Для прибыльности, они должны увеличить количество хешей (или предположений) в секунду, которые их устройства могут производить, используя самый дешевый и надежный источник энергии.

Корректировка сложности Биткоина делает майнинг еще более конкурентоспособной отраслью. Проще говоря, доказательство работы похоже на покупку лотерейных билетов с розыгрышем призов каждые 10 минут. Чем больше билетов вы покупаете, тем выше статистическая вероятность выигрыша в лотерею. С точки зрения ASIC, Bitmain Antminer S19j Pro может работать со скоростью 104 TH/s, что в основном означает 104 триллиона догадок или билетов в секунду.

Из-за возросшей конкуренции соло-майнерам стало труднее добывать биткоины с 2012 года, когда возникла необходимость в ASIC. Тем не менее теперь они могут присоединиться к пулу майнинга, чтобы увеличить свои шансы на получение вознаграждения в биткоинах, хотя средства будут разделены между членами пула.

Преимущества и недостатки

Proof-of-Work необходим для обеспечения безопасности, неизменности и децентрализации Биткоина. Вот основные преимущества и недостатки механизма консенсуса Биткоина.

Преимущества

• Децентрализация, т.е. настоящий прорыв технологии
• Устойчивость к цензуре в результате децентрализации
• Неизменяемость блокчейна
• Это честная и объективная система, основанная на надежных правилах протокола и законах физики.
• Высокий уровень безопасности: PoW экономически стимулирует майнеров защищать сеть
• Улавливание углерода и метана: Биткоин использует потраченную впустую энергию для выпуска большего количества монет и проверки транзакций
• Монетизируя энергию, PoW ускоряет развертывание сетей возобновляемой энергии, а также улучшает балансировку нагрузки в существующих сетях, делая их более эффективными и безопасными.

Недостатки

• Более низкая скорость транзакций
• Затраты на майнинг (OPEX и CAPEX) очень высоки, но необходимы для доказательства работы.
• PoW потребляет много энергии, но было доказано, что это стимулирует инновации в области возобновляемых источников энергии и использования энергии, израсходованной впустую.

Критика Proof-of-Work

Критика энергопотребления Биткоина является обычным явлением. Поскольку Биткоин требует значительного количества энергии для защиты сети, Proof-of-Work является легким вектором атаки для тех, чьи интересы больше связаны с ранее существовавшей фиатной финансовой системой.

Однако в широко распространенном нарративе не упоминается, что Биткоин на самом деле является движущей силой инноваций в технологии, которая генерирует чистую энергию и использует энергию, израсходованную впустую.

Как? Биткоин-майнеры должны найти наиболее рентабельные источники энергии, чтобы получать прибыль. В результате доступная энергия для майнинга биткоинов все чаще поступает из возобновляемых источников энергии, а также из потраченных впустую и «бесхозных» источников энергии, а не из ископаемого топлива.

Возобновляемые источники

Поскольку возобновляемые источники энергии – прежде всего ветер и солнечная энергия – являются одними из самых дешевых источников энергии, майнеры биткоинов заинтересованы в субсидировании своих инноваций, что на благо всем.

Многие неправильно понимают, что потребление энергии не приводит к выбросам углекислого газа напрямую, в отличие от источника. Влияние на выбросы углерода связано с производством энергии, а не с ее потреблением.

Потраченная впустую энергия

Сжигание природного газа в факелах является примером напрасной траты энергии: чтобы избежать высоких затрат на транспортировку природного газа из удаленных мест, добывающим его нефтяным компаниям рекомендуется либо выбрасывать газ в атмосферу, либо буквально «сжигать» его, чтобы ограничить воздействие на окружающую среду. Тем не менее его безопасное сжигание также имеет свою стоимость, и если бы газовые бурильщики могли использовать газогенератор для питания майнеров биткоинов, эта потраченная впустую энергия превратилась бы в полезное использование – производство биткоинов!

«Бесхозная» энергия

Поскольку объекты по добыче биткоинов могут быть расположены в любой точке мира, их все больше привлекает «заброшенная» энергия, которая часто находится слишком далеко от населенных пунктов, – например океанские течения или солнце пустыни. Биогаз – еще один такой вариант, который производит надежную энергию, но часто не подключен к сети.

Частозадаваемые вопросы

Как определяется уровень сложности проблемы PoW?

В зависимости от того, сколько хешей в секунду добывается в сети, сложность хеш-функции будет соответственно увеличиваться или уменьшаться, так что майнерам требуется в среднем 10 минут, чтобы найти новый блок в глобальной сети.

Может ли метод полного перебора решить проблему Proof-of-Work?

Единственный способ решить проблему PoW – использовать метод перебора, общий метод решения проблем, и алгоритмическую парадигму, которая ищет все возможные решения данной проблемы, прежде чем найти наиболее удовлетворительное.

Что происходит с Proof-of-Work, когда весь биткоин добыт?

Когда весь биткоин будет добыт, для проверки транзакций все равно потребуется Proof-of-Work, за что майнеры будут получать комиссию.

Существуют ли жизнеспособные альтернативы Proof-of-Work?

Для создания децентрализованной, неизменной, защищенной от цензуры и безопасной криптовалюты, такой как биткоин, нет безопасной альтернативы Proof-of-Work.

Что произойдет, если два майнера одновременно решат задачу доказательства работы для одного и того же блока?

Будет выбран блок в самой длинной цепочке, который имеет «наибольшую комбинированную сложность» используемых хешей и потребовал наибольшей вычислительной мощности для его создания.

Заключительное слово

Намеренно вводящие в заблуждение политики и организации получают выгоду, критикуя Proof-of-Work Биткоина и финансируя проекты, направленные на дискредитацию Биткоина за его энергопотребление. Их выгода состоит в том, чтобы сохранить текущую систему такой, какая она есть, удобной для них, изображая Биткоин неправильным и вредным для человечества и Земли.

Биткоин разрушителен для них; это надежда, которая нужна человечеству и должна быть обнаружена и понята, чтобы быть полностью оцененной. Proof-of-Work необходим для перехода к новой денежной системе и другому миру, и усилия, необходимые для его создания, делают его еще более достойным.