Что такое Proof of Work (PoW) в блокчейне

Доказательство работы (PoW) — это согласованный алгоритм Это основа безопасности и децентрализации основных криптовалют, таких как Биткойн. Будучи первой широко распространённой сетью блокчейнов, Биткойн внедрил PoW (доказательство выполнения работы) как способ проверки транзакций и добавления новых блоков в распределённый реестр децентрализованным образом, без участия централизованных органов. 

С тех пор PoW стал наиболее часто используемым механизмом консенсуса в криптовалютаОднако по мере развития технологии блокчейна PoW также сталкивается с постоянными спорами относительно его устойчивости и децентрализации. 

В этой статье подробно рассматривается принцип работы PoW, его значение в блокчейне, критика в его адрес, криптовалюты, которые его используют, сравнение с альтернативными механизмами, такими как доказательство доли владения, а также обсуждаются перспективы PoW.

Ключ на вынос

• PoW использует майнеров, решающих сложные головоломки, для проверки транзакций и добавления блоков в обмен на вознаграждения, достигая распределенного консенсуса без участия доверенных третьих сторон.
• Он решает проблему двойного расходования и поощряет майнеров посредством вознаграждений за блоки, поддерживая децентрализацию, поскольку тысячи людей по всему миру вносят свои ресурсы. 
• К недостаткам можно отнести огромные объемы электроэнергии, необходимые для майнинга, а также потенциальную необходимость централизации, поскольку со временем расходы будут расти.
• Такие основные криптовалюты, как Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Monero и Dogecoin, в настоящее время полагаются на PoW для обеспечения безопасности. 
• Некоторые считают, что доказательство доли владения более энергоэффективно, но ему не хватает проверенной долговременной истории обеспечения безопасности PoW в крупных масштабах.

Краткая история доказательства работы (PoW)

Концепция доказательства работы была впервые сформулирована в 1993 году Синтией Дворк и Мони Наор в их статье «Ценообразование посредством обработки или борьбы с нежелательной почтой. Они предложили подход, основанный на клиентской головоломке, при котором клиенту предлагается решить вычислительную задачу средней сложности и приложить решение к запросу в качестве доказательства того, что на обработку запроса были затрачены усилия. 

Это помогло ограничить злоупотребления сервисами, уязвимыми к атакам типа «отказ в обслуживании» и другим видам злоупотребления сервисами. Почти десять лет спустя, в 2008 году, создатель биткоина Сатоши Накамото представил PoW Сеть биткойнов как способ отмечать время транзакций, прикрепляя к блокам вычислительное доказательство работы. Майнеры в сети Bitcoin соревнуются за то, чтобы первыми решить сложную вычислительную задачу и опубликовать новый блок. 

Включение доказательства работы в блоки служит подтверждением затраченных майнерами усилий и помогает предотвратить изменение блокчейна злоумышленниками, поскольку делает изменение доказательства работы предыдущих блоков слишком затратным с точки зрения вычислительных затрат. С момента появления Биткоина PoW стал широко используемым механизмом консенсуса для обеспечения безопасности многих других блокчейн-сетей.

Что такое доказательство работы (PoW)?

Доказательство работы (PoW) — это механизм консенсуса, используемый в блокчейн сети достичь соглашения о состоянии распределенная книга. Он был представлен в 1993 году Синтией Дворк и Мони Наор как способ борьбы со спамом в электронной почте и атаками типа «отказ в обслуживании». PoW приобрёл значительную популярность с появлением Bitcoin в 2009 году и с тех пор широко применяется различными блокчейн-платформами.

В системе PoW участники, называемые майнерами, соревнуются в решении сложных математических задач. Цель — найти решение, отвечающее определённым критериям, заданным сетевым протоколом. Решение этих задач требует значительных вычислительных затрат и ресурсов.

Основополагающий принцип PoW заключается в том, что поиск решения требует больших вычислительных затрат, но его проверка относительно проста. Это затрудняет злоумышленникам возможность изменения истории транзакций блокчейна. Как только майнер находит верное решение, он транслирует его в сеть, и другие участники могут быстро проверить его корректность. Майнер, успешно решивший задачу, получает вознаграждение в виде новых монет и, зачастую, комиссий за транзакции.

Как доказательство работы работает как механизм консенсуса

Проверка транзакции

В блокчейне с PoW участники инициируют транзакции, создавая цифровые подписи и транслируя их в сеть. Майнеры собирают эти транзакции и формируют блок, содержащий пакет транзакций.

Пример

Предположим, пользователь по имени Джейн хочет отправить Питеру 100 монет CoinChain. Для этого она создаёт транзакцию, подписывая передачу права собственности своим закрытым ключом. Транзакция включает в себя следующую информацию:

• Открытый ключ Джейн (представляющий ее адрес CoinChain)
• Открытый ключ Питера (представляющий его адрес CoinChain)
• Количество монет CoinChain, которое необходимо перевести (100 монет)
• Ссылка на хэш предыдущего блока, который связывает транзакцию с блокчейном.

Формирование блока

Майнеры соревнуются в решении вычислительной головоломки, также известной как хэш-головоломка или одноразовый код, многократно хеширование данных блока со случайным значением, пока полученный хеш не будет соответствовать заданным критериям. Этот процесс подразумевает пробы и ошибки, поскольку решение является вероятностным. 

Цель майнера — найти одноразовый код, который в сочетании с другой информацией заголовка создаёт хеш с определённым количеством ведущих нулей. Хеш-функция является односторонней, то есть вычислить хеш заданных входных данных легко, но вывести входные данные из хеша практически невозможно.

Пример

Майнеры извлекают транзакцию из сети и формируют новый блок. Блок содержит заголовок и список транзакций. Заголовок содержит следующую информацию:

• Порядковый номер блока (порядок блока в цепочке)
• Хэш заголовка предыдущего блока (связывающий блок с блокчейном)
• Метка времени (указывающая время создания блока)
• Одноразовый код (случайное значение, используемое для решения хеш-головоломки)
• Корень Меркла блока (хэш всех транзакций в блоке)

Корректировка сложности

Сеть регулирует сложность головоломки для поддержания постоянной скорости генерации блоков, часто ориентируясь на фиксированный интервал времени между блоками. По мере увеличения вычислительной мощности сети сложность увеличивается, чтобы блоки не добывались слишком быстро. И наоборот, при снижении вычислительной мощности сложность уменьшается для поддержания желаемой скорости генерации блоков.

Пример

Предположим, что CoinChain стремится к 10-минутному времени нахождения блока, а текущая сложность блока составляет 5 ведущих нулей. Если хешрейт сети растёт, а блоки добываются слишком быстро, сеть скорректирует сложность, чтобы время нахождения блока оставалось близким к целевому. Если хешрейт сети падает, а блоки добываются слишком медленно, сеть снизит сложность, чтобы поддерживать желаемое время нахождения блока.

Как только майнер находит корректное решение хеш-задачи, он транслирует блок в сеть. Другие узлы (майнеры и не-майнеры) быстро проверяют корректность блока, независимо хешируя заголовок с одноразовым кодом и проверяя, соответствует ли полученный хеш требуемым критериям. Если блок корректен, он добавляется в блокчейн, а майнер получает вознаграждение в виде новых монет и комиссий за транзакции.

Распространение и проверка блоков

Выбор цепочки

В PoW самая длинная цепочка считается валидным блокчейном. Если несколько майнеров одновременно находят валидные решения, могут возникнуть временные разветвления, приводящие к появлению конкурирующих цепочек. Майнеры выбирают самую длинную цепочку в качестве валидной и продолжают работу над ней. Этот процесс обеспечивает сходимость сети к единому согласованному блокчейну и снижает риск её разделения.

Например, если майнер создает блок с более высоким порядковым номером блока, но предыдущий блок имеет более высокое значение хэш-функции, сеть проигнорирует новый блок и продолжит работу над предыдущим блоком.

Безопасность.

PoW обеспечивает высокий уровень безопасности из-за вычислительной работы, необходимой для решения головоломок. Сеть предполагает, что большинство майнеров честны, и что злоумышленнику потребуется контролировать большую часть вычислительной мощности сети, чтобы вмешаться в историю блокчейна. Децентрализованная природа сетей PoW и сложность проведения атак делают их устойчивыми к различным типам атак, включая двойную трату и атаки Сивиллы.

Экономические стимулы

Майнеры экономически заинтересованы в честном участии в системе PoW. Инвестируя в вычислительные ресурсы и электроэнергию, майнеры получают возможность получать награды за блоки, состоящие из новых монет и комиссий за транзакции. Это стимулирует майнеров соревноваться за решение задач и обеспечение безопасности сети.

Почему доказательство работы важно?

PoW выполняет две критически важные функции, которые лежат в основе безопасности и функционирования сетей блокчейнов. 

Во-первых, это помогает решить проблему двойной траты, требуя выполнения вычислительной работы, прежде чем транзакции будут признаны действительными. Если злоумышленник попытается потратить одну и ту же криптовалюту дважды, сеть отклонит вторую транзакцию, поскольку майнеры уже потратили время на проверку первой транзакции в блоке.

Во-вторых, PoW стимулирует майнеров участвовать в проверке транзакций посредством вознаграждений за блок и комиссий, которые они могут получить. Эта распределённая структура стимулов важно для поддержания децентрализации поскольку ни одна сторона не несет ответственности за проверку транзакций — вместо этого тысячи независимых майнеров по всему миру вносят свой вклад. 

Если бы проверка транзакций не поощрялась, у майнеров не было бы смысла тратить большие суммы на электроэнергию и оборудование для обеспечения безопасности сети. Благодаря сочетанию требований к выполнению работы и её стимулирования, PoW способствует достижению распределённого консенсуса в открытой системе без ограничений доступа и централизованного управления. 

Это позволяет блокчейн-сетям оставаться безопасными и децентрализованными, поскольку всё больше участников финансово мотивированы вкладывать ресурсы в валидацию. Это делает PoW ключевым механизмом, который обеспечил быстрый рост криптовалют за последнее десятилетие.

Критика доказательства работы

Хотя PoW успешно обеспечивает безопасность крупных блокчейн-сетей, он также сталкивается с постоянной критикой в ​​связи с его устойчивостью и потенциальным давлением централизации. Среди наиболее значимых проблем, связанных с PoW, можно выделить следующие:

Высокое энергопотребление

По оценкам, в 2023 году мировое потребление электроэнергии для майнинга биткоинов достигло колоссальных 121.13 тераватт-часов (ТВт·ч). Огромные вычислительные мощности и электроэнергия, необходимые майнерам для решения сложных задач на основе доказательства работы (PoW), приводят к огромному спросу на электроэнергию во всем мире. В отчете Кембриджа за 2021 год говорится, что Только сеть Bitcoin потребляет больше электроэнергии в год, чем Аргентина и некоторых других странах. Столь значительное потребление энергии вызвало опасения у экологов относительно устойчивости PoW.

Потенциальная централизация

Поскольку цены на криптовалюту и сложность майнинга за последние годы существенно выросли, затраты на специализированное майнинговое оборудование и крупномасштабные операции также существенно увеличились. 

Это привело к тому, что майнинг стал доминировать в нескольких крупных пулах и операторах в регионах с дешёвой электроэнергией, что свело на нет первоначальные преимущества децентрализации. Если бы несколько организаций контролировали 51% хешрейта сети, это могло бы стать причиной атак.

Другие критические замечания включают производственные отходы, связанные с коротким сроком службы майнингового оборудования, и потенциальное давление географической централизации вокруг мест, предлагающих дешёвые субсидии на электроэнергию для майнеров. Хотя PoW доказал свою устойчивость, эти проблемы часто упоминаются как ограничения, которые призваны устранить альтернативные механизмы консенсуса.

Криптовалюты, использующие Proof-of-Work

Несмотря на критику, PoW остаётся наиболее распространённым алгоритмом консенсуса в криптовалютах благодаря статусу первопроходца и проверенной временем репутации безопасности, полученной за годы работы в крупных масштабах. Среди основных криптовалют, использующих PoW, можно назвать следующие:

• Bitcoin (BTC): Будучи изначальной сетью блокчейнов, Bitcoin установил PoW в качестве стандартного механизма, обеспечивающего его общую вычислительную мощность более 11 экзахешей в секунду.
• Ethereum ( (ETH): В настоящее время Ethereum использует PoW, но переходит на гибридную модель PoW/Proof-of-Stake под названием Casper, прежде чем полностью перейти на Proof-of-Stake. 
• Litecoin (LTC): Litecoin был одним из первых форков Bitcoin, сохранив основной алгоритм PoW, но изменив некоторые переменные, такие как время генерации блоков.
• Монеро (XMR): Monero фокусируется на конфиденциальности и использует алгоритм PoW под названием CryptoNight, оптимизированный для индивидуальных пользователей, а не для специализированного оборудования для майнинга.
• Dogecoin (DOGE): Dogecoin был запущен как легкая криптовалюта, но по-прежнему полагается на безопасность PoW, как и ее аналоги, через модифицированный алгоритм майнинга Litecoin.

Учитывая многомиллиардную рыночную капитализацию блокчейнов PoW, у майнеров есть серьёзные финансовые стимулы продолжать вкладывать ресурсы в их обеспечение благодаря конкурентоспособным ценам на производство оборудования и электроэнергию. PoW пока остаётся доминирующим методом благодаря своей многолетней истории безопасности.

Доказательство работы против доказательства ставки 

Давайте проведем различие между Proof of Work и Proof of Stake, используя следующие пять ключевых факторов:

Децентрализация и безопасность

PoW: PoW часто хвалят за высокий уровень децентрализации и безопасности. Опора на вычислительные мощности гарантирует, что ни один отдельный субъект не сможет легко доминировать в сети. Однако по мере того, как майнинг становится всё более специализированным и ресурсоёмким, возникает риск централизации, поскольку майнинговые мощности концентрируются в руках нескольких крупных игроков, имеющих доступ к значительным ресурсам.

Почта: PoS призван решить проблемы энергопотребления и централизации, характерные для PoW. Однако уровень децентрализации в сетях PoS может зависеть от первоначального распределения монет и способности крупных заинтересованных сторон сохранять своё влияние в долгосрочной перспективе. Кроме того, предположения о безопасности сетей PoS основаны на предположении о честности большинства участников, что не всегда соответствует действительности.

Энергоэффективность и воздействие на окружающую среду

PoW: PoW известен высоким энергопотреблением, в первую очередь из-за вычислительной работы, необходимой для решения сложных задач. Это вызывает опасения по поводу воздействия PoW-блокчейнов на окружающую среду, особенно тех, где активно используется майнинг.

PoS: PoS обычно считается более энергоэффективным по сравнению с PoW, поскольку устраняет необходимость в ресурсоёмких вычислениях. Валидаторы выбираются на основе их доли, что снижает энергопотребление. Однако энергоэффективность сетей PoS зависит от таких факторов, как базовый протокол консенсуса и особенности реализации.

Экономическая модель и стимулы

PoW: В PoW майнеры вкладывают значительные ресурсы в оборудование и электроэнергию для добычи блоков. Они получают вознаграждение в виде новых монет и комиссий за транзакции. Экономическая модель PoW доказала свою эффективность в запуске и обеспечении безопасности блокчейн-сетей, но она может привести к концентрации майнинговой мощности и богатства.

PoS: PoS представляет собой иную экономическую модель. Валидаторы выбираются на основе их доли, и у них есть экономические стимулы действовать честно и следовать правилам протокола. Валидаторы обычно получают вознаграждение в виде комиссий за транзакции, а в некоторых случаях — и часть новых монет. Экономическая структура сетей PoS направлена ​​на согласование интересов валидаторов с безопасностью и стабильностью сети.

Масштабируемость и пропускная способность

PoW: Блокчейны PoW часто сталкиваются с проблемами масштабируемости из-за последовательного характера добычи блоков и больших вычислительных затрат. По мере роста сети время между блоками и время подтверждения транзакций могут увеличиваться, что приводит к ограничению пропускной способности и повышению комиссий в периоды пиковой нагрузки.

PoS: PoS потенциально обеспечивает лучшую масштабируемость по сравнению с PoW. Устраняя необходимость решения майнерами сложных задач, протоколы PoS позволяют обрабатывать транзакции быстрее и с меньшими комиссиями. Однако достижение высокой масштабируемости на практике зависит от таких факторов, как структура протокола PoS, архитектура сети и особенности реализации.

Долгосрочная устойчивость и управление

PoW: Сети PoW сталкиваются с трудностями в обеспечении долгосрочной устойчивости из-за зависимости от вознаграждения за майнинг. По мере уменьшения вознаграждения за блок (например, халвинга в Bitcoin) экономические стимулы для майнеров могут ослабнуть, что может повлиять на безопасность сети. Кроме того, управление сетями PoW может быть сложным, поскольку полномочия по принятию решений часто распределены между майнерами, разработчиками и участниками сообщества.

PoS: PoS-сети стремятся обеспечить долгосрочную устойчивость, опираясь на экономические стимулы заинтересованных сторон. Однако остаются открытыми вопросы, касающиеся моделей управления, распределения долей и механизмов предотвращения централизации долей. Разработка децентрализованных структур управления и механизмов обновления протоколов и принятия решений — это области текущих исследований и экспериментов в PoS-системах.

Перспективы Proof-of-Work

Как доминирующий механизм консенсуса, управляющий рынок криптовалют стоимостью триллион долларовPoW вряд ли будет полностью заменен в ближайшем будущем. Тем не менее, он также подвергается постоянному анализу и обсуждениям относительно того, как реагировать на критику его устойчивости и децентрализации. 

Области, которые изучают исследователи и разработчики, включают:

• Постоянное повышение эффективности за счёт оптимизации алгоритмов PoW или аппаратного обеспечения для снижения общего энергопотребления с течением времени. Примерами служат усовершенствованные конструкции микросхем ASIC.
• Потенциальные гибридные модели PoW/PoS, использующие аспекты обоих механизмов для баланса между безопасностью и устойчивостью. Ethereum экспериментирует с этим подходом.
• Дальнейшая диверсификация майнинга за счет оптимизированных алгоритмов, таких как CryptoNight, которые позволяют участвовать большему количеству людей, а не специализированным промышленным майнинговым фермам. 
• Исследование альтернативных алгоритмов консенсуса, которые могли бы в долгосрочной перспективе заменить PoW, если бы оказались более эффективными и безопасными в больших масштабах, например, Proof-of-Space-Time. 
• Потенциальные программы компенсации выбросов углерода или переход горнодобывающих предприятий на возобновляемые источники энергии для снижения воздействия на окружающую среду в долгосрочной перспективе.
• Продолжение децентрализации за счет более географически распределенных майнинговых пулов и операций с узлами вместо рисков концентрации майнинга.

Заключение

Доказательство работы зарекомендовало себя как основополагающий алгоритм консенсуса, который вывел криптовалюты на массовый рынок, обеспечив безопасную и децентрализованную проверку транзакций в огромных масштабах без централизованного контроля. 

Несмотря на продолжающиеся споры об устойчивости и рисках централизации, сторонники PoW утверждают, что он остаётся критически важным для обеспечения безопасности блокчейн-сетей стоимостью в триллионы долларов посредством распределённых стимулов. Для баланса этих компромиссов и обеспечения долгосрочной жизнеспособности технологии блокчейн необходимы дальнейшие инновации.