Розуміння доказу роботи: основа безпеки блокчейну

Швидке розуміння - доказ роботи є механізмом консенсусу, що запобігає повторному використанню цифрових активів - ядро майнінгу полягає у вирішенні обчислювальних задач для підтвердження транзакцій та захисту мережі - такі популярні крипто-валюти, як Біткоїн, покладаються на proof of work для забезпечення незмінності транзакцій

Починаючи з проблеми: чому потрібен доказ роботи

Уявіть, що у вас є цифрові готівкові кошти, які можна безмежно копіювати простим копіюванням і вставкою. Це і є кошмар цифрових платежів — подвійна трата.

У реальному світі, після покупки паперовими грошима, ви передаєте їх продавцю. Але у цифровому світі дані можна копіювати будь-коли. Теоретично, отримані цифрові гроші можна копіювати сотні або тисячі разів. Без механізму запобігання цьому система швидко зламається.

Який традиційний підхід? Нехай центральний орган, наприклад банк, веде облік усіх транзакцій і визначає, скільки у кого грошей. Але децентралізований блокчейн прагне до іншої мети: зробити так, щоб незнайомі між собою учасники могли довіряти транзакціям без довіри до будь-якого окремого авторитету.

Саме тому існує доказ роботи.

Логіка роботи доказу роботи

Блокчейн — це як публічний реєстр, доступний кожному. Коли відбувається транзакція, учасники мережі поширюють її, а майнери збирають ці транзакції та формують кандидатські блоки.

Але ці транзакції ще не підтверджені. Лише коли кандидатський блок пройде перевірку і буде доданий до блокчейну, транзакція стане дійсною.

Процес перевірки — це майнінг. Майнеру потрібно виконати хешування даних блоку — обробити інформацію про транзакції та інші дані через хеш-функцію, щоб отримати певний цифровий результат. Цей процес схожий на пошук пароля:

Вам потрібно здогадатися безліч разів, поки не знайдете хеш, що відповідає умовам протоколу.

Хоча кожна спроба коштує недешево (споживає електроенергію, обчислювальні ресурси), — як тільки ви знайдете правильну відповідь, інші вузли зможуть швидко її перевірити — за кілька мілісекунд.

Саме так працює витончений дизайн proof of work: вгадування — важке і дороге, а перевірка — швидка і дешева.

Звідки береться безпека

Чому майнери не будуть шахраювати? Припустимо, ви намагаєтеся вставити фальшиву транзакцію у блок.

По-перше, криптографія захистить вас. Кожна транзакція має бути підписана приватним ключем відправника. Будь-хто у мережі може перевірити підпис за допомогою публічного ключа і переконатися, що ви справді володієте цими коштами.

По-друге, навіть якщо ви витратите багато зусиль, щоб створити дійсний блок з фальшивими транзакціями, інші вузли його відхилять. Ви витратили електроенергію і обчислювальні ресурси даремно і не отримаєте нагороду.

Вартість і вигода — це ігри з нульовою сумою. Чесна поведінка винагороджується, шахрайство — карається. Будь-який раціональний майнер обере чесність.

Хешування: технічне ядро доказу роботи

Щоб зрозуміти доказ роботи, потрібно зрозуміти, що таке хеш.

Хеш-функція — це як «фабрика відбитків пальців»: однаковий вхід завжди дає однаковий вихід, але навіть зміна одного символу у вхідних даних повністю змінює результат. Ця непередбачуваність — ключова особливість.

Майнер додає до даних блоку змінний параметр — nonce — і постійно змінює його, перераховуючи хеші, доки не знайде той, що відповідає умовам (наприклад, починається з певної кількості нулів).

Це схоже на кидання кубиків у темряві і очікування потрібної комбінації чисел. Ви не можете передбачити, коли пощастить, — доводиться пробувати знову і знову. З підвищенням складності (наприклад, потрібно більше нулів) кількість спроб зростає експоненційно.

Доказ роботи vs Доказ частки (PoS)

Останнім часом з’явився альтернативний механізм — proof of stake (PoS). У системах PoS:

• не потрібно майнінг, немає обчислювальної гонки
• новий блок пропонує випадковий вибір
• учасники повинні «заставити» певну кількість крипто-валюти як заставу
• якщо блок виявиться недійсним, заставу конфіскують

Переваги PoS очевидні: значно менше енерговитрат. Після переходу Ethereum на PoS споживання знизилося більш ніж на 99%.

Але у PoS є і недоліки:

• короткий історичний період тестування, довгострокова безпека ще не доведена
• можливе накопичення багатства: ті, хто ставлять більше, мають більші шанси бути обраними
• порівняно з багаторічним досвідом PoW, PoS має коротшу історію надійності

Біткоїн із доказом роботи захистив транзакції на трильйони доларів. Поки PoS не доведе свою стійкість у такому масштабі, PoW залишається найперевіренішим механізмом консенсусу.

Економіка майнінгу і безпека мережі

Зі зростанням кількості майнерів загальна хеш-міцність зростає, і складність автоматично підлаштовується. Це забезпечує стабільну швидкість створення блоків (близько кожні 10 хвилин у Біткоїна).

Що це означає? Атака на мережу стає дедалі дорожчою. Вам потрібно контролювати більшість обчислювальної потужності, щоб змінити історію транзакцій, — а це десятки мільярдів доларів у обладнанні і постійних витратах на електроенергію. Короткостроковий прибуток від атаки набагато менший за довгострокові витрати.

Цей дизайн чудовий: чим більша мережа і чим більше учасників, тим вона безпечніша. Нові учасники бачать вже існуючий рівень безпеки і з більшою ймовірністю приєднуються, що ще більше підсилює захист.

Чому доказ роботи досі важливий

У часи поширення PoS доказ роботи здається «марнотратством енергії». Але цей погляд ігнорує один важливий факт: споживання енергії — це і є гарантія безпеки.

Ви не можете підробити доказ роботи. Щоб переписати історію блокчейну, потрібно перерахувати всі ці обчислення — і витратити реальну електроенергію і майнінгове обладнання. Це — незаперальний і неможливий для підробки «доказ роботи».

Саме тому proof of work і досі залишається найнадійнішим захистом для цінних активів. Вибір Біткоїна на користь PoW не випадковий — у 2008 році Сатоші Накамото у своєму білому папері запропонував цей механізм саме для вирішення проблеми «як запобігти подвійній витраті без довіри до центральних органів».

Підсумок

Доказ роботи кардинально змінив наше уявлення про гроші і транзакції. Він довів радикальну ідею: децентралізована мережа незнайомих між собою учасників, за допомогою криптографії, хеш-функцій і економічних стимулів, може бути такою ж надійною — і навіть більш прозорою — ніж центральний банк.

Хоча енергетичні витрати — це суттєвий фактор, безпека, яку забезпечує proof of work, доведена часом. Щоб повністю замінити його, нові механізми консенсусу мають пройти таку ж сувору перевірку. І поки цього не станеться, доказ роботи залишатиметься основою безпеки блокчейну.