Що таке Proof of Work (PoW)?

Хто придумав PoW і з якою метою?

Proof of Work — це механізм консенсусу в блокчейні, за якого учасники (майнери) розв’язують складні математичні задачі для підтвердження транзакцій і додавання блоків у мережу.

Proof of Work (англ. «Доказ роботи») вигадали в 1993 році вчені Синтія Дворк і Моні Наор як метод захисту від спаму та інших зловживань у комп’ютерних системах. Спочатку технологія Proof-of-Work була запропонована для запобігання атакам на мережеві ресурси, таким як флуд із запитами на отримання електронної пошти, що могло перевантажити сервери. Ідея полягала в тому, що відправник повинен був виконати обчислювальне складне завдання перед надсиланням повідомлення. Це зробило б масове розсилання спаму витратним і трудомістким.

У 2008 році, Сатоші Накамото адаптував концепцію Proof of Work для використання в першій криптовалюті — Bitcoin. Накамото використовував PoW для розв’язання проблеми «подвійної витрати» (double spending) і забезпечення децентралізованого консенсусу в блокчейні. У контексті біткоїна, PoW став механізмом для валідації транзакцій і створення нових блоків, забезпечуючи безпеку і захист мережі від зловмисників. Розглянемо як це працює.

Як Proof-of-Work використовують у криптовалютах?

Основне завдання доказ виконання роботи полягає в тому, щоб учасники мережі (майнери) виконували складні обчислення, розв’язуючи криптографічну задачу. Ці завдання вимагають значної обчислювальної потужності, і майнери змагаються один з одним, щоб першими знайти рішення.

Майнінг PoW

Коли користувачі відправляють криптовалюту, їхні транзакції об’єднуються в блок. Цей блок потрібно додати в блокчейн, але перед цим він має бути перевірений. Майнери починають змагатися за право додати новий блок. Для цього вони повинні знайти унікальне значення (хеш), яке задовольняє певним умовам (наприклад, починається з певної кількості нулів). Це досягається шляхом численних спроб — процес називається «хешування». Рівень складності завдання регулюється мережею, щоб майнінг блоків займав певний час (наприклад, у мережі біткоїна це близько 10 хвилин). У системі PoW кожна нода не тільки зберігає копію блокчейну, а й бере участь у перевірці нових блоків, забезпечуючи цілісність і безпеку мережі. Що більше майнерів бере участь у мережі, то складніші завдання. Перший майнер, який знаходить рішення, оголошує його мережі. Інші ноди перевіряють його коректність. Якщо рішення правильне, блок додається в блокчейн, і майнер отримує нагороду.

Нагорода для майнерів

Майнери отримують два види винагороди:

1. Нова криптовалюта: За кожен знайдений блок майнер отримує винагороду у вигляді нової криптовалюти (наприклад, у біткоїні це називається «нагорода за блок»). Це єдиний спосіб, яким нові монети вводяться в обіг. Розмір винагороди зменшується з плином часу (наприклад, у біткоїна — кожні чотири роки відбувається халвінг, коли винагорода зменшується вдвічі).
2. Комісії за транзакції: Крім нової криптовалюти, майнери також отримують комісії від користувачів, які включають невелику плату за обробку їхніх транзакцій. Зі зростанням мережі та зменшенням нагороди за блок, комісії стають більш значною частиною доходу майнерів.

На що впливає складність обчислення нового блоку?

1. Кількість майнерів у мережі: Що більше майнерів бере участь у процесі майнінгу, то більша загальна обчислювальна потужність мережі (хешрейт). Коли хешрейт мережі зростає, ймовірність того, що блок буде знайдений швидше, також збільшується. Щоб підтримувати стабільний час між створенням блоків (наприклад, кожні 10 хвилин для біткоїна), мережа автоматично підвищує складність завдань, які майнерам потрібно вирішувати.
2. Час знаходження блоку: Блокчейни з алгоритмом PoW мають цільовий час знаходження блоків. Наприклад, у мережі біткоїна цей час становить близько 10 хвилин. Якщо блоки знаходяться швидше, ніж заплановано (через зростання обчислювальних потужностей), складність збільшується. Якщо, навпаки, блоки знаходяться занадто повільно, складність зменшується. Це забезпечує стабільний і передбачуваний час додавання блоків.
3. Регулярне коригування складності: Залежно від мережі, складність майнінгу коригується через певну кількість блоків. Наприклад, у біткоїні складність перераховується кожні 2016 блоків (приблизно раз на два тижні). Цей механізм підтримує баланс між висхідною потужністю мережі та необхідним часом на знаходження нових блоків.

Вплив складності обчислення на мережу

Складність обчислення відіграє ключову роль у стабільності мережі, підтримуючи рівномірне додавання блоків незалежно від числа майнерів і їхніх обчислювальних потужностей. Однак зі зростанням складності простим майнерам стає складніше покривати витрати, що призводить до централізації майнінгу серед великих гравців. Збільшення складності також підвищує енерговитрати, що викликає критику PoW-систем. Водночас висока складність посилює безпеку мережі, роблячи атаки, такі як 51%, вкрай витратними та малоймовірними.

Приклади криптовалют, що використовують Proof-of-Work

Яка найпопулярніша Proof of Work криптовалюта? Розглянемо кілька прикладів.

Bitcoin

Bitcoin (BTC) — це перша і найпопулярніша PoW криптовалюта, заснована на технології блокчейн. Алгоритм пруф оф ворк, який використовується в біткоїні, забезпечує децентралізоване підтвердження транзакцій і захист від атак, таких як подвійна трата. Майнери вирішують складні математичні завдання, щоб додати нові блоки в блокчейн, отримуючи в нагороду BTC. Кожні чотири роки відбувається халвінг, який зменшує винагороду за блок, що сприяє обмеженій пропозиції монет.

Bitcoin Cash

Bitcoin Cash (BCH) — це форк біткоїна, який був створений у 2017 році з метою розв’язання проблеми масштабованості. BCH використовує той самий алгоритм Proof of Work, що й біткоїн, але зі збільшеним розміром блоків, що дає змогу обробляти більше транзакцій за блок. Це робить мережу швидшою і знижує комісії. Bitcoin Cash позиціонує себе як більш зручний засіб для щоденних транзакцій, але як і раніше спирається на майнерів PoW для забезпечення безпеки мережі.

Litecoin (LTC)

Litecoin (LTC), створений 2011 року, позиціонується як «цифрове срібло» на додаток до «цифрового золота» біткоїна. Заснований на тому самому блокчейні, що й біткоїн, але з деякими поліпшеннями, як-от швидші транзакції та менший час створення блоку (2.5 хвилини замість 10 хвилин у BTC). Litecoin використовує модифікований алгоритм PoW — Scrypt, який вимагає менше обчислювальних ресурсів порівняно з SHA-256, використовуваним у біткоїні, що робить його доступнішим для ширшого кола майнерів.

Dogecoin

Dogecoin (DOGE) з’явився у вигляді жарту, заснованого на популярному інтернет-мемемі із зображенням собаки породи сіба-іну. Однак завдяки сильній спільноті та підтримці з боку відомих особистостей, таких як Ілон Маск, Dogecoin став популярним засобом для швидких і дешевих транзакцій. DOGE використовує той самий алгоритм PoW, що й Litecoin (Scrypt), і тому може бути майнен одночасно з Litecoin через процес «merge mining».

Переваги та недоліки PoW

Майбутнє PoW

Майбутнє Proof of Work (PoW) викликає активні дискусії, особливо у світлі зростання енерговитрат і екологічних наслідків. Багато криптовалютних проєктів переходять на альтернативні алгоритми консенсусу, як-от Proof of Stake (PoS), щоб знизити навантаження на мережу і підвищити масштабованість. Однак PoW, завдяки своїй перевіреній безпеці та децентралізації, ймовірно, збереже свою значущість у таких великих мережах, як біткоїн. Розвиток більш енергоефективних рішень для майнінгу, таких як хмарний майнінг, і застосування поновлюваних джерел енергії можуть стати ключовими факторами для довгострокової стійкості PoW.

Альтернативи Proof of Work

Альтернативою Proof of Work є Proof of Stake (PoS), який вимагає від учасників блокчейну підтверджувати транзакції, використовуючи власні токени як заставу, а не обчислювальну потужність. Це знижує енерговитрати та робить процес більш екологічним і масштабованим. PoS використовується в таких проєктах, як Ethereum 2.0 і Cardano (ADA).

Інші альтернативи охоплюють Delegated Proof of Stake (DPoS), де користувачі делегують свої голоси певним валідаторам, і Proof of Authority (PoA), у якому валідаторів обирають на основі їхньої репутації. Ці методи пропонують поліпшену продуктивність і нижчі витрати на підтримку мережі, але можуть знижувати децентралізацію.

Висновки

PoW — це перевірена часом технологія, що забезпечує безпеку і децентралізацію блокчейнів, попри високі енерговитрати. Алгоритм PoW продовжує бути основою багатьох блокчейн-мереж, хоча й стикається з викликами у вигляді високого енергоспоживання та екологічного навантаження. У перспективі можна очікувати еволюції цієї технології або її гібридизації з іншими моделями консенсусу, такими як PoS, що дасть змогу зберегти децентралізацію і безпеку без шкоди для екології.