Рубрики
Статьи

Proof of Work: что это Такое. Разбираемся в Основах Функционирования Блокчейн Сети

Известно, что блокчейн обеспечивает безопасное хранение данных. Но что обеспечивает ему эту безопасность? За счет чего происходит децентрализация и что это? Какую именно математическую задачу решают механизмы майнеров, и как вообще работает система? Что кроется за понятиями Proof of Stake и Proof of Work и чем они отличаются? Что объединяет системы защиты от спама и механизмы достижения консенсуса? Разберемся с этим в данной статье.

Как устроена сеть: в чем суть алгоритмов консенсуса?

Proof of Work (PoW) – если переводить с английского языка, то можно сформулировать это как «доказательство проделанной работы». Фактически, Proof of Work (PoW) – это один из механизмов достижения консенсуса при добавлении нового узла в блокчейн.

Наравне с Proof of Work выделяют алгоритм Proof of Stake. Proof of Stake (PoS) – переводится как доказательство доли или подтверждение ставки. Оба механизма направлены на достижение консенсуса в криптовалютах и воплощают собой отличающиеся друг от друга механизмы доказательства работы в блокчейне. Но зачем это требуется?

Консенсус – это достижение нодами, работающими в блокчейне, согласия по проведению транзакций и созданию новых блоков. Другими словами, это принцип, по которому большинство соглашается с тем, что новый блок в блокчейне является верным. Дело в принципе работы системы, придуманной Сатоши Накамото. Когда проводится транзакция, с точки зрения работы системы это выглядит следующим образом: пока пользователи пересылают друг другу монеты, информация о транзакциях формируется в блоки и записываются в блокчейн (распределенный реестр).

Однако для безопасной работы децентрализованной системы следует соблюдать осторожность при организации новых блоков и подтверждении текущих транзакций. Именно эту работу и берут на себя механизмы консенсуса.

В сущности, работа децентрализованной сети криптовалют устроена таким образом, что для подтверждения манипуляций с криптовалютой требуется системное решение сложных математических задач и, соответственно, возможности получить доказательство выполнения работы.

Proof of Work (PoW): что это и как работает простыми словами

Децентрализация – ключевое свойство блокчейна, но именно она делает механизм потенциально уязвимым. Как узнать, что загружается верный и исправный блок в блокчейн? В этом и состоит работа механизмов достижения консенсуса. Разберемся, что такое Proof of Work, откуда он и как используется в концепции сетевых систем.

История создания: как появился PoW и где использовался изначально?

Изначально алгоритм работы, аналогичный криптовалютному Proof of Work, предлагался еще в 1993 году в качестве защиты от спам-рассылок по электронной почте. Его придумали Синтия Дворк и Мони Наор. Затем тот же алгоритм, но уже в более сложном виде, был упомянут в 1997 в проекте HashCash Адама Блэка. Звучала идея следующим образом: «Найти такое значение x, что хеш SHA(x) содержал бы N старших нулевых бит», – эта формулировка задачи и объясняет, как именно работает PoW.

В 1999 году термин был уже официально введен. Впервые его использовали Маркус Якобссон и Ари Джуелс в виде словосочетания «Proof of Work» в своей статье «Proofs of Work and Bread Pudding Protocols», опубликованной в журнале Communications and Multimedia Security.

PoW: суть и последовательность работы механизма

Чтобы понять принцип работы механизма PoW (доказательство выполнения работы), дадим определение, что такое Proof of Work.

Proof of Work – это механизм консенсуса, направленный на защиту системы от негативных воздействий, вроде спама или dos-атак.

Область ответственности механизма Proof of Work – это прежде всего генерация задачи определенной сложности по нахождению хеша и осуществление быстрой проверки её решения.

Решение PoW-задач изначально рассчитано не на человека, а на компьютер. В установленные сроки компьютер достигает верного решения, однако это требует огромной энергии и мощности от оборудования. При всем при этом проверка результата проста и не занимает много времени.

Работа PoW в блокчейне: основные определения

Начнем с того, что блокчейн – это распределительный реестр децентрализованной системы. PoW предполагает уникальную, построенную по ассиметричному принципу схему использования вычислительных ресурсов компьютеров для подтверждения транзакций: по условиям задача должна быть выполнимой и сложной для стороны, ищущей хеш новых блоков, но легко проверяемой для поставщика услуги.

Для поддержания этого правила все участники системы были негласно разделены на две группы: майнеры (ищущие новые блоки) и операторы узла (ноды).

Майнеры – это участники системы криптовалюты, конкурирующие между собой за нахождение хеша для новых блоков в блокчейне (подтверждение транзакции). Разумеется, майнеры обслуживают систему не бесплатно: за каждый добавленный в блокчейн блок они получают денежное вознаграждение в виде процента. Вероятность выигрыша в этой конкуренции зависит от вычислительной мощности оборудования майнера в соотношении с вычислительной мощностью всей сети Биткоина.

Это правило неизбежно стимулирует участников к повышению класса оборудования, а майнинг, в свою очередь, увеличивает безопасность сети блокчейн: чем выше вычислительная мощь сети, тем сложнее ее взломать. При этом новые блоки подлежат быстрой проверке, а блокчейн остается в безопасности.

Операторы полного узла (или ноды) – это обычные участники, скачавшие установщик блокчейна. Этот дистрибутив автоматически проверяет и распространяет транзакции и блоки в сети. Они, в свою очередь, являются ядром блокчейна, т.к. представляют собой своего рода сервер для системы.

Какие задачи генерирует Proof of Work и кто их решает

Если говорить простыми словами, то система выставляет определенные требования к хеш-функции нового блока. Например, что в начале хеша должно находиться три нуля. Компьютер майнера начинает вычисления, имея требования к новому блоку и суммарный хеш (хеш блокчейна на момент проведения транзакции).

Для того, чтобы новая хеш-функция отвечала запросу системы, компьютер майнера производит вычисления, результат которых всегда можно проверить при необходимости. Количество вычислений и затраченное на них время определяет сложность задачи.

Каким образом Proof of Work попал в мир криптовалюты

Основу идеи механизма консенсуса Proof of Work (доказательство выполнения работы) Сатоши Накамото взял из проекта Hashcash, но внес необходимые изменения в соответствии с областью применения механизма. В криптовалюте этот механизм работает аналогично, но с одной поправкой: был добавлен механизм переменной сложности.

Механизм изменяющейся сложности задач работает по принципу изменения N (запрашиваемого количества нулей) в зависимости от суммарной мощности участников сети.

Если говорить простым языком, то суть механизма Proof of Work заключается в том, чтобы предоставить нодам (узлам сети) возможность проверить, выполнил ли майнер расчеты. Этот процесс заключается в том, чтобы попытаться найти хеш заголовка блока, по своему значению соответствующего заданному уровню сложности. Заголовок блока в этом определяется как фрагмент блокчейна, содержащий ссылку на предшествующий блок и суммарное значение входящих в него транзакций.

Алгоритмы шифрования криптовалюты: что это и зачем?

В основе любой криптовалюты лежит алгоритм шифрования. Алгоритм шифрования подразумевает собой сложный механизм зашифровки данных с помощью кодов. Именно такие задачи и решают майнеры: расшифровка алгоритма и поиск хеша для нового блока. Эти алгоритмы и называются протоколами майнинга.

Существует множество таких протоколов, но самые популярные из них это SHA-256, Equihash, Ethash и Scrypt. У каждого протокола есть свои особенности. В PoW вычисляемой хеш-функцией является SHA-256.

Протокол криптовалюты определяет порядок взаимодействия нод, передачи данных между ними, устанавливаются условия признания блока верным. Чтобы были выполнены все эти условия и их можно было проверить, существует механизм Proof of Work. Рассмотрим один из самых популярных алгоритмов шифрования.

Протоколы криптовалюты: алгоритм шифрования SHA-256 (Secure Hash Algorithm)

Впервые этот протокол был использован в 2001 году для защиты веб-сайтов. Алгоритм был придуман и создан Агентством национальной безопасности США.

Задача протокола – преобразование любой информации в значения, у которых фиксированная длина. Результат этих преобразований будет использоваться в качестве идентификатора зашифрованных сведений. В данном случае алгоритм криптовалюты генерирует 256-битный хеш функций (дайджест размером 256 бит). Именно этот хеш ищут майнеры, чтобы создать новый блок, а PoW ищет доказательства нахождения нового хеша согласно протоколу. При необходимости система может проверить, действительно ли майнер проделал эту работу и очень быстро найти этому подтверждения или опровержения.

Secure Hash Algorithm отлично справляется с защитой сервера поэтому его алгоритм используется во многих криптовалютах.

Proof of Work: чем определяется сложность вычислений

Все вычисления производятся в режиме реального времени, а их сложность устанавливается такого уровня, чтобы и правда оказаться сложной, тогда как проверка результатов при любой сложности остается простой задачей. Таким образом, узлы всегда могут проверить корректность работы майнера. Однако, предсказать, какой именно майнер вычислит новый блок, остается невозможным, так как процесс весьма случаен. Процесс нахождения хеша – это своего рода лотерея.

После окончания всех вычислений значение хеша должно быть меньше заданной цели, чтобы система подтвердила правильность нового узла. Каждый новый блок показывает, что по его поиску была проделана определенная работа, которую легко можно проверить и получить доказательство.

Исходя из устройства блокчейна, каждый новый блок включает в себя хеш предыдущего блока. Таким образом образуется цепь, которая и называется блокчейном. Соответственно, изменить блок не представляется возможным, возможно лишь создать новый на той же высоте и содержащий в себе хеш предыдущего блока. Для реализации этого необходимо провести работу по поиску хеша всех предыдущих транзакций, что представляется слишком сложным и затратным процессом. Именно поэтому блокчейн сети становится защищенным.

Как сложность задач побеждает инфляцию

Сложность вычислений переменна. Именно с помощью сложности задач система криптовалют удерживает инфляцию. Установлено, что скорость появления новых монет Биткоина – 1 раз в 10 минут. Это врем установлено и не подлежит изменениям. Система поддерживает это правило с помощью сложности задач.

Если время уменьшается и нахождение хеша становится слишком быстрым, то сложность задач увеличивается. Майнерам становится сложнее решать задачи и это требует больше времени и мощности. Если же время нахождения биткоина растет, то задачи упрощаются. Сложность задачи определяется количеством запрашиваемых N в начале хэш-функции.

Преимущества PoW: почему именно этот механизм остается самым надежным?

  1. Высокий уровень защищенности от атак;
  2. Обладатели большого количества монет не получают права воздействия на систему, т.к. в PoW всё решает вычислительная скорость оборудования майнеров;
  3. Малый простор для мошенничества. Система столь затратна в своих действиях, что делает задумки мошенников просто нерентабельными;
  4. PoW работает в криптовалютах, обеспечивая им устойчивость на рынке многолетним существованием;
  5. Многие криптовалюты, работающие на протоколе, уже сегодня имеют привлекательную цену. То же самое может касаться и новых криптовалют, работающих по этому дорогостоящему протоколу.

Proof of Work & майнинг: проблема электроэнергии

По сути, именно использование алгоритма Proof of Work запустило гонку майнеров и создало целую индустрию майнинга. Соответственно, сложность майнинга росла вместе с количеством уже добытой криптовалюты. Это стало требовать нового, более мощного оборудования для майнеров, поскольку сложность задач и требования к мощности превзошли параметры даже суперкомпьютеров! Таким образом, Proof of Work повлиял не только на рынок криптовалюты, но и на рынок оборудования.

Однако и здесь есть обратная сторона: механизм консенсуса Proof of Work (PoW) расходует все большее количество электроэнергии при произведении расчетов. В настоящий момент для решения одной задачи майнерам необходима огромнейшая вычислительная мощность оборудования и небывалое количество электроэнергии. Еще в 2012 году суммарная мощность вычисления Биткоина уже превышала мощность самых крутых суперкомпьютеров. Так появилась потребность в некой альтернативе. И вскоре эта альтернатива была найдена в механизме консенсуса под названием Proof-of-Stake.

Решение проблемы потребления электроэнергии: механизм консенсуса Proof-of-Stake (PoS)

Proof-of-Stake впервые был упомянут в 2012 году в качестве альтернативы привычному PoW. PoS использует некую «долю» в качестве ресурса, определяющего ноду, которая получит право добычи нового блока.

Proof-of-Stake дословно переводится с английского как «подтверждение доли». Согласно идее PoS, майнеру больше не требуется тратить невероятную мощность своего оборудования в надежде первым вычислить новый блок. Система сама выбирает майнера для блока на основании доли его баланса в общей сумме монеты. Соответственно, вероятность генерирования нового блока тем больше, чем больше баланс майнера.

Согласно этой системе, каждый хранитель токенов (монет) получает процент за хранение, в зависимости от количества проведенных транзакций.

Преимущество PoS: почему нападение на систему не имеет смысла?

Люди, выступающие на стороне PoS, выделяют следующую особенность этого алгоритма, которая делает систему защищенной от нападения. Суть защиты кроется в принципе работы PoS систем.

Для того, чтобы атаковать сеть, работающую по принципу Proof-of-Stake, инвестору необходимо накопить внушительную долю криптовалюты на своем балансе. А ели у инвестора уже есть множество монет на балансе, то зачем ему рушить систему? Причем с финансовой точки зрения он пострадает от падения системы в той же степени, что и все остальные участники. В итоге, в системе Proof-of-Stake недобросовестным инвесторам просто не остается места для маневра, говоря простыми словами.

Таким образом, сервер защищен от нападений просто потому, что ключевое правило работы Proof-of-Stake лишает нападение на систему всякого смысла и выгоды. В то же время система работает и не требует масштабных хеш-вычислений новых блоков. Но всё ли так гладко?

Слабые стороны системы Proof-of-Stake

В работе любого механизма со временем выявляются слабые стороны, и Proof-of-Stake не стал исключением. Вскоре после первого запуска Proof-of-Stake на монете PeerCoin было выявлено несколько слабых сторон механизма консенсуса. Разберем, какие именно недостатки системы вызывают наибольшее количество опасений.

  • Угроза для децентрализации сети. Дело в том, что механизм консенсуса Proof-of-Stake провоцирует накопление большого количества монет в одних руках, что угрожает децентрализации сети;
  • В итоге, работа механизма Proof-of-Stake может привести к монополизации монет для узкого круга людей. Объединившись, эта группа монополистов монеты сможет устанавливать собственные правила, что недопустимо согласно концепту устройства криптовалют;
  • Проблема Nothing-at-Stake (проблема пустой «доли»). Суть этой проблемы заключается в том, что по мнению многих у атакующего есть возможность сделать форк блокчейна (от английского fork – вилка; изменение правил внутри сети, по которым блок в блокчейне признается подлинным). По этой теории, если атакующему удается сделать форк блокчейна, создав при этом более длинную альтернативную цепочку блоков из несуществующих ресурсов, то система рухнет. Более того, создателя этого блокчейна могут поддержать и другие майнеры, которые так же не расходуют при этом подлинных ресурсов. Посредством этого форка у нарушителей системы появится возможность отклонять некоторые транзакции и осуществлять атаку «двойной траты».

Не смотря на эти недостатки, многие пользователи считают алгоритм Proof-of-Stake достаточно безопасной мерой для рынка криптовалюты.

Ethereum & Proof-of-Stake

В 2018 году создатель криптовалюты Ethereum Виталий Бутерин объявил о переходе второй по популярности в мире криптовалюты на механизм Proof-of-Stake. Официальной причиной такого решения были следующие наблюдения: по мнению создателя криптовалюты и его единомышленников, к 2020 году майнинг будет требовать уже невообразимо большого количества электроэнергии, из-за чего стоимость транзакций вырастет пропорционально. Общество Ethereum хочет создать экологичную (без затрат электричества) и при этом доступную для всех криптовалюту. В связи с этим было решено начать проект по перевыпуску криптовалюты, работающей уже по принципу Proof-of-Stake. Название этой криптовалюты – Ethereum 2.0.

Запуск криптовалюты Ethereum 2.0 проходит в несколько этапов. К настоящему моменту люди ждут уже третьего обновления. По словам Виталия Бутерина, после запуска форка эфира потребность в майнинге этой криптовалюты отпадет, а значит и большая часть майнеров потеряет свой бизнес. При этом создатель утверждает, что присоединиться к проекту сможет любой пользователь, а вознаграждение за транзакции будет составлять около 15%.

Pow и PoS: а что если объединить?

У двух самых известных механизмов консенсуса есть свои недостатки и преимущества. Но что если объединить два механизма, а не выбрать, на чьей стороне быть? Решит ли такой способ проблемы безопасности сети?

В настоящее время уже существует гибрид двух механизмов PoS и PoW. Новый механизм получил название Proof of Activity или «доказательство активности». Этот механизм консенсуса подразумевает этап PoW (выпуск валюты с помощью майнинга) и этап PoS, который наступает по завершении эмиссии. В целом, такой подход только начинает набирать популярность в сети цифровой валюты.

Какие еще механизмы консенсуса бывают?

Pow и PoS можно считать своего рода «китами» на просторах рынка криптовалют. Однако, существуют и иные механизмы и их много. Рассмотрим коротко несколько из них.

  • Delegated PoS — обобщенный термин, показывающий развитие базовых протоколов согласия на основе подтверждения доли. Дословно переводится как «делегированное подтверждение доли»;
  • Proof of Burn (переводится как «доказательство сжигания») — это самое «сжигание» осуществляется с помощью перевода токенов на адрес, с которого их точно нельзя потратить. Избавившись от монет из своего кошелька, пользователь получает право на пожизненный майнинг. Такой майнинг тоже устроен по принципу лотереи среди владельцев «сгоревших» монет;
  • Proof of Storage (доказательство хранения) – механизм, позволяющий использовать выделенное место в качестве облачного хранилища.

Коротко о главном в статье:

PoW – механизм консенсуса, основанный на алгоритме шифрования и предоставляющий участникам задачи для вычисления хеша новых блоков, тем самым обеспечивающий безопасность всей сети. Майнеры ищут новый хеш с помощью оборудования, чья мощность может сравниться с мощностью суперкомпьютеров.

Изначально PoW был изобретен в качестве средства защиты от спама, но в дальнейшем Накамото адаптировал его под систему криптовалюты, добавив правило регулирования сложности задач по нахождению хеша.

Для каждого нового вычисления майнер затрачивает все большее количество электроэнергии, а значит стоимость блоков увеличивается. Именно это стало слабой стороной механизма PoW, что послужило поводом для поиска новой идеи относительно механизмов консенсуса.

FAQ

Как майнить в блокчейнах с PoW?

Для майнинга в PoW требуется мощное вычислительное оборудование и условия его содержания. Раньше майнить в PoW можно было хоть с личного ПК на кухне дома, но сейчас для майнинга в системе PoW стоят целые майнинговые фермы. Задачи, предлагаемые механизмом PoW, становятся все сложнее и требуют все больше электроэнергии для нахождения новых блоков.

В чем суть алгоритма PoW?

Система криптовалют основана на шифровании данных. Для проведения любого действия внутри этой сети необходимо подтверждение правильности этого действия. Механизм PoW – это правило, по которому большинство соглашается с достоверностью проделанной майнером работы по поиску хеша новых блоков в блокчейне. Согласно механизму PoW, система генерирует задачу определенной сложности, а оборудование майнеров ищет как решить эту задачу. Таким образом, система задает определенную сложность в поиске хеша для новых узлов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *