Что такое Proof of Work (PoW)?

Кто придумал PoW и с какой целью?

Proof of Work — это механизм консенсуса в блокчейне, при котором участники (майнеры) решают сложные математические задачи для подтверждения транзакций и добавления блоков в сеть.

Proof of Work (англ. «Доказательство работы») был придуман в 1993 году учеными Синтией Дворк и Мони Наор как метод защиты от спама и других злоупотреблений в компьютерных системах. Первоначально технология Proof-of-Work была предложена для предотвращения атак на сетевые ресурсы, таких как флуд с запросами на получение электронной почты, что могло перегрузить сервера. Идея заключалась в том, что отправитель должен был выполнить вычислительно сложную задачу перед отправкой сообщения. Это сделало бы массовую рассылку спама затратной и трудоемкой.

В 2008 году, Сатоши Накамото адаптировал концепцию Proof of Work для использования в первой криптовалюте — Bitcoin. Накамото использовал PoW для решения проблемы «двойной траты» (double spending) и обеспечения децентрализованного консенсуса в блокчейне. В контексте биткоина, PoW стал механизмом для валидации транзакций и создания новых блоков, обеспечивая безопасность и защиту сети от злоумышленников. Рассмотрим как это работает.

Как Proof-of-Work используют в криптовалютах?

Основная задача доказательство выполнения работы заключается в том, чтобы участники сети (майнеры) выполняли сложные вычисления, решая криптографическую задачу. Эти задачи требуют значительной вычислительной мощности, и майнеры соревнуются друг с другом, чтобы первыми найти решение.

Майнинг PoW

Когда пользователи отправляют криптовалюту, их транзакции объединяются в блок. Этот блок нужно добавить в блокчейн, но перед этим он должен быть проверен. Майнеры начинают соревноваться за право добавить новый блок. Для этого они должны найти уникальное значение (хэш), которое удовлетворяет определенным условиям (например, начинается с определенного количества нулей). Это достигается путем многочисленных попыток — процесс называется «хеширование». Уровень сложности задачи регулируется сетью, чтобы майнинг блоков занимал определенное время (например, в сети биткоина это около 10 минут). В системе PoW каждая нода не только хранит копию блокчейна, но и участвует в проверке новых блоков, обеспечивая целостность и безопасность сети. Чем больше майнеров участвует в сети, тем сложнее задачи. Первый майнер, который находит решение, объявляет его сети. Другие ноды проверяют его корректность. Если решение верно, блок добавляется в блокчейн, и майнер получает награду.

Награда для майнеров

Майнеры получают два вида вознаграждения:

1. Новая криптовалюта: За каждый найденный блок майнер получает вознаграждение в виде новой криптовалюты (например, в биткоине это называется «награда за блок»). Это единственный способ, которым новые монеты вводятся в обращение. Размер награды уменьшается с течением времени (например, у биткоина — каждые четыре года происходит халвинг, когда награда уменьшается в два раза).
2. Комиссии за транзакции: Помимо новой криптовалюты, майнеры также получают комиссии от пользователей, которые включают небольшую плату за обработку их транзакций. С ростом сети и уменьшением награды за блок, комиссии становятся более значительной частью дохода майнеров.

На что влияет сложность вычисления нового блока?

1. Число майнеров в сети: Чем больше майнеров участвует в процессе майнинга, тем больше общая вычислительная мощность сети (хешрейт). Когда хешрейт сети возрастает, вероятность того, что блок будет найден быстрее, также увеличивается. Чтобы поддерживать стабильное время между созданием блоков (например, каждые 10 минут для биткоина), сеть автоматически повышает сложность задач, которые майнерам нужно решать.
2. Время нахождения блока: Блокчейны с алгоритмом PoW имеют целевое время нахождения блоков. Например, в сети биткоина это время составляет около 10 минут. Если блоки находятся быстрее, чем запланировано (из-за роста вычислительных мощностей), сложность увеличивается. Если, наоборот, блоки находятся слишком медленно, сложность уменьшается. Это обеспечивает стабильное и предсказуемое время добавления блоков.
3. Регулярная корректировка сложности: В зависимости от сети, сложность майнинга корректируется через определенное количество блоков. Например, в биткоине сложность пересчитывается каждые 2016 блоков (примерно раз в две недели). Этот механизм поддерживает баланс между увеличивающейся мощностью сети и необходимым временем на нахождение новых блоков.

Влияние сложности вычисления на сеть

Сложность вычисления играет ключевую роль в стабильности сети, поддерживая равномерное добавление блоков независимо от числа майнеров и их вычислительных мощностей. Однако с ростом сложности простым майнерам становится сложнее покрывать расходы, что приводит к централизации майнинга среди крупных игроков. Увеличение сложности также повышает энергозатраты, что вызывает критику PoW-систем. В то же время высокая сложность усиливает безопасность сети, делая атаки, такие как 51%, крайне затратными и маловероятными.

Примеры криптовалют использующих Proof-of-Work

Какая самая популярная Proof of Work криптовалюта? Рассмотрим несколько примеров.

Bitcoin

Bitcoin (BTC) — это первая и самая популярная PoW криптовалюта, основанная на технологии блокчейн. Алгоритм пруф оф ворк, используемый в биткоине, обеспечивает децентрализованное подтверждение транзакций и защиту от атак, таких как двойная трата. Майнеры решают сложные математические задачи, чтобы добавить новые блоки в блокчейн, получая в награду BTC. Каждые четыре года происходит халвинг, уменьшающий вознаграждение за блок, что способствует ограниченному предложению монет.

Bitcoin Cash

Bitcoin Cash (BCH) — это форк биткоина, который был создан в 2017 году с целью решения проблемы масштабируемости. BCH использует тот же алгоритм Proof of Work, что и биткоин, но с увеличенным размером блоков, что позволяет обрабатывать больше транзакций за блок. Это делает сеть быстрее и снижает комиссии. Bitcoin Cash позиционирует себя как более удобное средство для ежедневных транзакций, но по-прежнему опирается на майнеров PoW для обеспечения безопасности сети.

Litecoin (LTC)

Litecoin (LTC), созданный в 2011 году, позиционируется как «цифровое серебро» в дополнение к «цифровому золоту» биткоина. Основан на том же блокчейне, что и биткоин, но с некоторыми улучшениями, такими как более быстрые транзакции и меньшее время создания блока (2.5 минуты вместо 10 минут у BTC). Litecoin использует модифицированный алгоритм PoW — Scrypt, который требует меньше вычислительных ресурсов по сравнению с SHA-256, используемым в биткоине, что делает его доступнее для более широкого круга майнеров.

Dogecoin

Dogecoin (DOGE) появился в виде шутки, основанной на популярном интернет-меме с изображением собаки породы сиба-ину. Однако благодаря сильному сообществу и поддержке со стороны известных личностей, таких как Илон Маск, Dogecoin стал популярным средством для быстрых и дешевых транзакций. DOGE использует тот же алгоритм PoW, что и Litecoin (Scrypt), и поэтому может быть майнен одновременно с Litecoin через процесс «merge mining».

Преимущества и недостатки PoW

Будущее PoW

Будущее Proof of Work (PoW) вызывает активные дискуссии, особенно в свете роста энергозатрат и экологических последствий. Многие криптовалютные проекты переходят на альтернативные алгоритмы консенсуса, такие как Proof of Stake (PoS), чтобы снизить нагрузку на сеть и повысить масштабируемость. Однако PoW, благодаря своей проверенной безопасности и децентрализации, вероятно, сохранит свою значимость в таких крупных сетях, как биткоин. Развитие более энергоэффективных решений для майнинга, включая облачный майнинг, и применение возобновляемых источников энергии могут стать ключевыми факторами для долгосрочной устойчивости PoW.

Альтернативы Proof of Work

Альтернативой Proof of Work является Proof of Stake (PoS), который требует от участников блокчейна подтверждать транзакции, используя собственные токены в качестве залога, а не вычислительную мощность. Это снижает энергозатраты и делает процесс более экологичным и масштабируемым. PoS используется в таких проектах, как Ethereum 2.0 и Cardano (ADA).

Другие альтернативы включают Delegated Proof of Stake (DPoS), где пользователи делегируют свои голоса определенным валидаторам, и Proof of Authority (PoA), в котором валидаторы выбираются на основе их репутации. Эти методы предлагают улучшенную производительность и более низкие затраты на поддержание сети, но могут снижать децентрализацию.

Выводы

PoW — это проверенная временем технология, обеспечивающая безопасность и децентрализацию блокчейнов, несмотря на высокие энергозатраты. Алгоритм PoW продолжает быть основой многих блокчейн-сетей, хотя и сталкивается с вызовами в виде высокого энергопотребления и экологической нагрузки. В перспективе можно ожидать эволюции этой технологии или её гибридизации с другими моделями консенсуса, такими как PoS, что позволит сохранить децентрализацию и безопасность без ущерба для экологии.