Блокчейн. Часть 6. Proof of Work.

Спартак Македонский

Proof of Work переводится как «доказательство работы» (POW, PoW) — принцип защиты сетевых систем от злоупотребления услугами (например, от DoS-атак или организации рассылок спама), основанный на необходимости выполнения на стороне клиента некоторой достаточно длительной работы (нахождение решения задачи), результат которой легко и быстро проверяется на стороне сервера.

Главная особенность применяемых вычислений заключается в асимметрии затрат времени — они значительны на нахождение решения и весьма малы для проверки.

✅ Серия из 18 статей о блокчейне.

СОДЕРЖАНИЕ:

1) История создания алгоритма Proof of Work.

2) Как это работает Proof of Work?

3) Пример работы Proof of Work на блокчейне биткоина.

4) Основа работы Proof-of-Work.

5) Недостатки алгоритма доказательства работы.

6) Достоинства алгоритма доказательства работы.

7) Видео. Proof of Work VS Proof of Stake - Объяснение.

1) История создания алгоритма Proof of Work.

На фото Гарольд Томас Финни II со своей собакой поводырем.

Proof of Work переводится как «доказательство работы». Впервые, в 1993 году его принцип был описан в работе американской ученной в области информатики Синтии Дворк и израильского криптографа Мони Наора. Они создали теоретическую базу PoW, предлагая создать алгоритм, который бы предоставлял доступ к определенным данным только тем пользователям, которые правильно решили определенную задачу.

Следующий шаг в развитии алгоритма «доказательства работы» был Hashcash Адама Бэка, созданный в 1996 году — этот инструмент помогал предупредить DoS-атаки (отказ в обслуживании) и других нарушений служб вроде спама сети с требованием от пользователя выполнить определенную работу, что обычно означает время обработки данных компьютером.

В 2004 году ученый в области компьютерных технологий и криптографический активист Хэл Финни (Гарольд Томас Финни II) представил систему под названием RPoW, Reusable Proof Of Work. Система работала, получив не-заменяемый или не-взаимозаменяемый Hashcash токен, основанный на proof of work и подписанный в RSA, который затем мог быть передан от человека к человеку.

RPoW решила проблему двойного расходования, сохранив право собственности на токены, зарегистрированные на доверенном сервере, который был разработан, чтобы позволить пользователям по всему миру проверить его правильность и целостность в режиме реального времени. RPoW можно считать как ранний прототип и значительный ранний шаг в истории криптовалюты.

Официально термин Proof-of-Work был предложен Маркусом Якобсеном и Ари Джуэлсом в 1999 году. В 2008 году все эти наработки были соединены в разработке Сатоши Накамото, которую мы сегодня знаем как Bitcoin.

В 2009-ом году Биткоин представил инновационный способ использования Proof-of-Work как алгоритма консенсуса, который используется для подтверждения транзакций и передачи новых блоков на блокчейн.

Иногда Proof-of-Work в отношении биткоина называют консенсусом Накамото. За основу Сатоши взял Hashcash с алгоритмом хеширования SHA-256 (SHA-256 более безопасный, чем оригинальный алгоритм Hashcash), а PoW обеспечивает работу сети блокчейн: используется для генерации нового блока и гарантирует безопасной всей сети.

С того времени алгоритм консенсуса Proof-of-Work распространился и стал широко использоваться во многих криптовалютах.

2) Как это работает Proof of Work?

Проще говоря, майнеры сети (узлы сети) будут соревноваться друг с другом в решении сложных комплексных вычислительных головоломок. Эти головоломки сложно решить, но легко проверить правильное решение.

Майнер — это узел в сети, который собирает транзакции, и работает, чтобы организовать их в блоки. Когда совершаются транзакции, узлы майнеров получают и проверяют транзакции, добавляют их в пул памяти и начинают собирать несколько транзакций в блок.

Как только майнер обнаружит решение головоломки, он будет способен добавить блок в сеть, где после этого другие майнеры подтвердят, что решение верное. После подтверждения корректности данных происходит генерация блока и начисление вознаграждения узлу, нашедшему правильное решение.

Более подробно о майнинге читайте в этой статье: Что такое блокчейн. Часть 4. Майнинг. Криптовалюта. Криптотокен.

3) Пример работы Proof of Work на блокчейне биткоина.

Bitcoin – это система на основе блокчейн, которая поддерживается коллективной работой децентрализованных узлов. Некоторые из этих узлов именуются майнерами и они отвечают за добавление новых блоков в блокчейн. Для этого майнерам необходимо угадать псевдослучайное число (aka. одноразовый код (nonce).

Это число в сочетании с данными представленными в блоке и прошедшее через хеш функцию, что должно привести к результату, который сходится с заданными условиями, например к хешу начинающемуся с 4 нулей. Когда найден соответствующий результат, другие узлы будут проверять достоверность результата, а узел майнера получает вознаграждение за блок.

Таким образом невозможно добавить новый блок в основную цепочку, если до этого не найти действительный одноразовый код (nonce), которое в свою очередь генерирует решение определенного блока (называемого хешем блока). Каждый подтвержденный блок содержит хеш блока, который представляет работу, проделанную майнером, поэтому ее называют Proof of Work (доказательство работы).

Proof-of-Work помогает защитить сеть от множества различных атак. Для успешной атаки потребуется большое количество вычислительной мощности и много времени для вычислений, поэтому она будет неэффективной, поскольку затраты будут больше, чем потенциальное вознаграждение за атаку сети.

Одна из проблем с Proof-of-Work заключается в том, что для майнинга требуется дорогостоящее компьютерное оборудование, которое потребляет большое количество энергии, и хотя сложные алгоритмические вычисления гарантируют безопасность сети, эти вычисления не могут быть использованы за пределами этого.

Хотя Proof-of-Work не может быть самым эффективным решением, оно по-прежнему остается одним из самых популярных методов достижения консенсуса в блокчейнах. Есть уже альтернативные методы и подходы, пытающиеся решить проблемы, но только время покажет, какой метод станет преемником Proof-of-Work.

4) Основа работы Proof-of-Work.

Основа работы Proof-of-Work это:

1) Сложность вычислений должна быть достаточно высокой.

2) Проверка результата должна быть быстрой и доступной всем узлам.

В модели алгоритма консенсуса Proof-of-Work (PoW) главную роль играют два параметра: вычислительная мощность (хешрейт) и вероятность нахождения рандомного числа nonce. Однако эти два параметра взаимосвязаны: чем выше хешрейт — тем выше шанс сгенерировать блок.

Ввиду огромного роста сети биткоин для генерации блоков требуются очень большие мощности, поэтому сейчас майнингом биткоина в основном занимаются пулы. Уже к 2012 году общий хешрейт биткоин-сети превысил вычислительную мощность самого мощного суперкомпьютера в мире.

В качестве узлов сети выступают GPU: 1 GPU = 1 узел. Учет GPU, а не IP в качестве узлов, предотвратило возможность захвата сети владельцами множества IP-адресов. Однако сегодня создаются целые майнинг-фермы, в которых работают тысячи вычислительных устройств. Которые порождают следующую потенциальную проблему, как атака 51%.

5) Недостатки алгоритма доказательства работы.

Недостатки Proof-of-Work (PoW):

1) Возможность атаки 51%.

2) Чрезмерное расходование электроэнергии.

1) Возможность атаки 51%. Создание огромных майниг-ферм и концентрация огромных вычислительных мощностей в одних руках создает опасность проведения так называемой атаки 51% на сеть биткоина. Это становится возможным когда больше половины всего хешрейта сети сконцентрирована в одних руках. Это первый недостаток Proof-of-Work.

2) Чрезмерное расходование электроэнергии, которое увеличивается с каждым месяцем. В долгосрочной перспективе это может привести к глобальной экологической катастрофе.

6) Достоинства алгоритма доказательства работы.

Достоинства Proof-of-Work (PoW):

1) Невозможность подделки результатов.

2) Невозможность «заготовки» результата.

3) Невозможность возникновения атаки Сивиллы.

4) Стимул к честному участию.

5) Честность заработка.

1) Невозможность подделки результатов — найденный nonce проверяется всеми узлами сети, прежде чем будет сгенерирован блок

2) Невозможность «заготовки» результата — работа над поиском nonce очередного блока начнется только после того, как будет закончена работа над предыдущим

3) Невозможность возникновения атаки Сивиллы — теоретический злоумышленник не сможет создать множество фейковых узлов, при помощи которых он мог бы «массой» подавить мнение других узлов сети. Для того чтобы участвовать в майнинге, необходимо обладать реальной вычислительной мощностью, которая потребляет реальные ресурсы

4) Стимул к честному участию — когда один из узлов начинает «хитрить» и пытаться нарушить работу сети, он может быть навсегда заблокирован другими участниками с сети

5) Честность заработка — сумма потенциального вознаграждения напрямую зависит от хешрейта, которым обладает узел. Однако сегодня это преимущество достаточно спорно, так как практически 70% всего хешрейта сконцентрировано в одной стране — в Китае.

Алгоритм Proof-of-Work используется во многих популярных криптовалютах: Bitcoin, Ethereum, Litecoin, Dogecoin, Zcash, Monero.

7) Видео. Proof of Work VS Proof of Stake - Объяснение.

Продолжение статьи: Что такое блокчейн. Часть 7. Proof of Stake.

Чем более глупое общество — тем выше процент заработка в нем более умных. Что естественный процесс. Хотите поменять действительность — приобретите в первую очередь интеллектуальное преимущество перед основной массой игроков рынка. Ваш рост будет вознагражден. Торможение на месте — будет наказано. Деградация тем более.