Алгоритм Proof-of-Work – особенности и использование в криптовалютах. Использование Proof-of-Work в криптовалютах

Дешевыми, быстрыми и даже экологически чистыми.

В последнее время все больше криптоэнтузиастов начинают поддерживать его.

Но вместе с небывалыми перспективами он несет значительные угрозы.

Cодержание:

Для обычного пользователя купить или продать криптовалюту не составляет труда.

Все что необходимо – зарегистрироваться на бирже, или воспользоваться обменником.

Но за этим, с первого взгляда простым, процессом кроется огромное общество, которое работает днем и ночью не покладая сил для поддержки платежной инфраструктуры.

Делают это они, конечно, не бесплатно и зарабатывают на комиссиях.

Далеко не каждый может добраться до «куска пирога» и, чтобы, создать более справедливые условия отбора, криптосообщество разработало несколько подходов.

Один из них – Proof o Stake (доказательство доли владения).

В чем сыр бор

Мир криптовалют, как и любая другая платежная система, имеет свою инфраструктуру, способы защиты и верификации транзакций.

Например, при транзакции в сети биткоин, криптовалюта далеко не сразу приходит на . Прежде всего ее необходимо записать в блок цепи.

Блоки создаются постоянно, и вмещают информацию о .

Пока генерация блока не завершена, что называется «блок не закрыт», перевод не будет подтвержден.

Для это и нужны майнеры, которые добывают блоки.

Майнеры – не благотворительная организация и делают свое дело за плату. Комиссии майнеров различаются от конкретного вида криптовалюты и приоритетности транзакции. Чем выше приоритетность, тем большую плату они затребуют.

Все в той же сети биткоин, чтобы добыть блок, у майнера должны быть крупные вычислительные мощности.

Ведь комиссию и вознаграждение, получает только первый майнер, закрывший блок и, соответственно, подтвердивший транзакции.

Этот алгоритм называется Proof of Work (PoW ) – подтверждение выполненной работы.

Также PoW , защищает всю цепь от DDoS -атак и спам рассылок. Он требует огромных вычислительных мощностей. Более того, майнеры конкурируют друг с другом, что усугубляет ситуацию и приводит к удорожанию транзакций для конечного потребителя.

При чем тут Proof of Stake

Все чаще в криптомире звучит идея отхода от Proof of Work и перехода к Proof of Stake .

По этому принципу, майнеру не нужно тратить огромные мощности, чтобы первым и получить вознаграждение.

Здесь, система автоматически выбирает создателя на основании доли его баланса в общем количестве той или иной монетки.

Чем больше баланс, тем выше вероятность того, что именно он сгенерирует блок.

Каждый держатель будет получать проценты за хранение (наподобие депозита в банке, только начисления будут зависеть от количества проведенных транзакций).

Сторонники Poof of Stake утверждают, что, если недобросовестные криптоинвесторы захотят атаковать всю сеть, им придется накопить значительную часть криптовалюты на своем балансе, что делает само нападение нецелесообразным с финансовой точки зрения.

Более того, так как у самого злоумышленника накоплено много монеток, он сам пострадает от своей же атаки, ведь она пошатнет всю экосистему криптовалюты.

Неужели настолько все хорошо?

Есть и скептики концепции Proof of Stake . Один из их аргументов – угроза децентрализации криптовалюты.

Ведь принцип PoS может побудить инвесторов концентрировать все больше криптовалюты в одних руках.

Если это произойдет, то монополист сможет диктовать собственные условия всем участникам сети.

Также под сомнение подпадает начальное распределение криптовалюты. Большая часть монеток, которые не работают по принципу Proof of Work распределяются двумя способами – через либо аукцион. В этом случае, вся криптовалюта изначально принадлежит только одной стороне, что усложняет децентрализацию и создает множество соблазнов перед монополистом.

Разработчики криптовалюты, работающей по принципу PoS нашли компромиссный вариант решения этой проблемы.

Для создания криптовалюты используется PoW . Ее стоимость определяется затратами на производство.

После создания сеть переходит на принцип работы Proof of Stake .Ethereum хочет создать экологичную и дешевую систему, доступную для каждого.

По словам основателя Ethereum Виталика Бутерина , после форка криптовалюты потребность в сильно упадет.

А так как сложные вычисления могут стать ненужными, большая часть майнеров вполне может потерять свой бизнес.

При этом Бутерин утверждает, что присоединится к проекту сможет любой желающий, а вознаграждение для валидаторов транзакций составит от 2 до 15%.

Узнайте о том, что собой представляет протокол Proof-of-Work, когда он появился, в чем заключаются его плюсы, минусы и как он связан с криптовалютной сферой.

Proof-of-Work - это метод защиты цепочки блоков цифровой валюты от разного рода атак. Дословно термин переводится, как «подтверждение работой». Алгоритм гарантирует проверку выполнения определенной последовательности действий конкретным узлом системы (то есть майнером). Данные, которые устанавливает протокол, являются информацией в найденном блоке, где отображены ссылка на предыдущий узел в цепочке и число сохраненных в блоке операций. Шанс того, что система изберет вас узлом, отвечающим за подтверждение транзакции, тем выше, чем мощнее ваше «железо». Поэтому главным критерием успешного майнинга электронных денег, базирующихся на этом алгоритме, выступает производительность оборудования. Данный фактор поспособствовал объединению пользователей в специальные группы, которые получили название «пулы».

Proof-of-Work представляет собой защитный алгоритм против атак злоумышленников, используемый в распределенных системах. Основная суть заключается в следующем:

применение в сложных и длительных процессах;
простота и оперативность проверки результата.

Для решения задач алгоритма PoW используют высокопроизводительную вычислительную технику. Процесс обработки данных, как правило, длится определенное количество времени. Сам процесс вычислений является более требовательным к ресурсам железа в сравнении с проверкой полученных данных.

В середине 90-х годов прошлого столетия вышла статья под названием «Pricing via Processing or Combatting Junk Mail», в которой авторы впервые выдвинули концепцию Proof-of-Work (подтверждение работой). Смысл идеи состоял в том, что каждый человек, желающий получить доступ к какому-либо сервису, обязан произвести ряд операций весьма сложной и требовательной к ресурсам вычислительной системы функции. При этом процесс должен длиться определенный период времени, который можно назвать приемлемым для ожидания. Вычислительный процесс на клиентской части должен быть более ресурсоемким, чем процесс проверки полученных результатов, запускаемый на серверной стороне.

Предложенная функция должна быть неамортизируемой, поскольку в противном случае длительность процедуры вычисления значительно увеличится. Авторы статьи предположили, что дополнительные математические операции, проводимые на пользовательском компьютере, не являлись бы препятствием для нормальной отправки электронных писем, но стали бы серьезной преградой для спамной рассылки. Подобная система фактически установила бы количественное ограничение на отправку писем за определенный промежуток времени.

Несколько позже был реализован проект Hashcash, воплотивший функцию, суть которой описана в указанной выше статье. Определение «доказательство работы» впервые предложили авторы научного исследования «Proofs of Work and Bread Pudding Protocols», которое было опубликовано в конце девяностых годов.

Спустя 5 лет Хэл Финни предложил усложненный алгоритм, который звучит как «многоразовое подтверждение осуществленной работы» (RPoW), который должен был использоваться в электронных платежных системах. Через пару лет Сатоши Накамото создал первую виртуальную валюту, которая использовала алгоритм PoW. Он решает проблему двойного расходования токенов.

Основной минус Proof-of-Work, из-за которого и развернулась вся деятельность, касающаяся внедрения альтернативных методов защиты, связан с огромным энергопотреблением в ходе функционирования сети. Суммарные траты платформы иногда могут превосходить расходы какого-нибудь небольшого завода. Впрочем, будет сказано в защиту данного алгоритма, он вполне справляется с обеспечением безопасности площадки и нивелирования действий всякого рода злоумышленников. Именно от этого будет зависеть дальнейшее развитие и продвижение ресурса. Ведь кто станет инвестировать в проект, который не может защитить собственную сеть от хакеров.

В самой первой виртуальной денежной единице PoW необходим для достижения консенсуса в сети. Поскольку в любой момент времени для каждого пользователя может существовать сразу несколько версий блокчейна, алгоритм определяет, какая из них является достоверной. Для реализации своей идеи Накамото воспользовался наработками упомянутого выше проекта Hashcash, несколько модифицировав готовую функцию (добавил механизм изменения ее сложности, который зависит от общей вычислительной мощности всех узлов сети). Готовая функция получила название .

Алгоритм PoW необходим для проверки узлами сети факта проведения вычислений майнером. Последний производит расчеты сложных алгоритмов, в результате которых к цепочке блоков добавляется новый сгенерированный блок («ячейка»), хранящий определенное количество записей о проведенных транзакциях. Механизм «доказательство работы» производит попытку поиска хеша заголовка узла, в котором имеется ссылка на прошлую «ячейку» и суммарное значение всех операций, помещенных в только сгенерированный узел. Показатели хеша соответствует установленной степени.

Сложность описываемых операций на самом деле достаточно высока, а сам вычислительный процесс может производиться при участии пользователей. Процедура проверки результатов, напротив, является весьма простой и нетребовательной к ресурсам системы. Любой узел может получить доказательство генерации майнером нового блока. Однако ввиду сложности вычислительных процессов, производимых майнерами, весьма трудно определить, который из них справится быстрее остальных.

Для проверки достоверности нового блока производится сравнение значения его хеша с текущей целью. Если оно оказалось меньшим – блок валидный. Так наглядно демонстрируется факт проведения определенной работы для генерации блока.

Структура блокчейна такова, что каждый созданный узел, добавляемый в цепочку, хранит информацию о предыдущем. Модификация «ячеек» невозможна. Можно лишь «присоединить» новую на том же уровне, которая станет хранить хеш прошлого блока. Для этого потребуется выполнение работы по генерации всех предыдущих узлов. Подобная задача является достаточно нетривиальной и ресурсоемкой. Этим обеспечивается надежная защита сети от вмешательства третьих сторон и двойной траты токенов.

На данный момент по-прежнему ведутся споры в отношении целесообразности использования PoW. Эксперты установили следующие виды уязвимостей алгоритма:

51 % – уязвимость, характерная для Биткоина и прочих виртуальных валют на ранних этапах их развития. Ее суть заключается в том, что при попадании большей частей мощностей сети в руки злоумышленника, последний получает полный контроль над генерацией новых блоков и выполнением транзакций. Также ему предоставляется возможность внесения любых изменений в распределенную базу данных, вплоть до полной перезаписи и создания собственной ветви, которая будет признана валидной. В итоге все средства пользователей исчезнут с их электронных кошельков.
Двойная трата одних и тех же монет. В этом случае одни и те же активы могут быть использованы несколько раз. Существует несколько разновидностей данного типа атак.
Контроль над майнерами. Атака возможна со стороны злоумышленников, обладающих оборудованием с вычислительной мощностью менее 50% от общей производительности сети. Это достижимо благодаря использованию методов агрессивной рекламы для привлечения майнеров в пул. Задача злоумышленника – свести к нулю эффективность вычислительных процессов конкурентов (отдельных майнеров и пулов).

Кроме очевидных проблем с защитой данных, существуют следующие недостатки рассматриваемого алгоритма:

Вычислительная мощность используемого майнером оборудования и вероятность генерации нового блока имеют прямопропорциональную взаимосвязь. Поэтому каждый майнер стремится увеличить производительность используемых систем. Результатом таких действий является сильный перерасход энергоресурсов.
Результаты производимых расчетов имеют значение только внутри сети, иного применения они не имеют. Фактически, сеть обладает огромным вычислительным потенциалом, который не используется для решения полезных (например, производственных) задач.

Поскольку недостатки и проблемы алгоритма были всегда очевидными, постоянно велись работы над их устранением. В результате были предложены новые алгоритмы.

Использование PoW для функционирования Биткоина стало причиной возникновения целой майнинговой индустрии. Были созданы устройства, направленные на решение узкоспециализированных задач по хешированию блоков, с которыми уже с трудом справляются даже мощнейшие в мире суперкомпьютеры.

Майнинг привел к сильнейшей конкуренции в данной сфере. Многие крупные игроки в погоне за прибылью стали наращивать свои вычислительные мощности, что привело к значительному увеличению потребления электроэнергии. В уже далеком 2012 году общая сеть Биткоин превзошла по мощности самый производительный компьютер. Примерно в тот же момент была предложена одна из первых альтернатив используемому на тот момент алгоритму PoW - .

Что изменится в технологиях майнинга, если сообщество Ethereum решит сменить одно на другое?

Что такое Proof-of-Work?

Это про-то-кол, глав-ная цель ко-то-ро-го — за-щи-та от ки-бе-р-атак, таких как DDoS-ата-ка, при ко-то-рой зло-умыш-лен-ни-ки пе-ре-гру-жа-ют вы-чис-ли-тель-ные ре-сур-сы си-сте-мы, по-сы-лая мно-го-чис-лен-ные лож-ные за-про-сы.

Кон-цеп-ция су-ще-ство-ва-ла за-дол-го до бит-ко-и-на (Bitcoin), но когда Са-то-си На-ка-мо-то при-ме-нил (или при-ме-ни-ла — мы до сих пор ни-че-го не знаем о лич-но-сти со-зда-те-ля крип-то-ва-лю-ты) эту тех-ни-ку к сво-е-му изоб-ре-те-нию, это по-ло-жи-ло на-ча-ло ре-во-лю-ции в об-ла-сти циф-ро-вых тран-зак-ций.

Стро-го го-во-ря, идея PoW была пред-ло-же-на Син-ти-ей Дворк и Мони Наор еще в 1993 году, но сам тер-мин по-явил-ся го-раз-до позже, в 1999-м, в ста-тье Мар-ку-са Джей-коб-со-на и Ари Джу-эл-са.

Но вер-нем-ся в на-сто-я-щее. Не будет пре-уве-ли-че-ни-ем ска-зать, что Proof-of-Work — глав-ная идея, ле-жа-щая в ос-но-ве бит-ко-и-на: имен-но она слу-жит базой для рас-пре-де-лен-но-го ре-ест-ра.

Что такое распределенный реестр?

Это си-сте-ма, с по-мо-щью ко-то-рой вы мо-же-те со-вер-шать де-неж-ные пе-ре-во-ды на-пря-мую, не при-бе-гая к услу-гам по-сред-ни-ков.

При тра-ди-ци-он-ных ме-то-дах про-ве-де-ния фи-нан-со-вых опе-ра-ций вы фак-ти-че-ски до-ве-ря-е-те свои сред-ства тре-тьей сто-роне (на-при-мер, Visa, Mastercard, PayPal или банку), ко-то-рая и осу-ществ-ля-ет тран-зак-цию. Тре-тья сто-ро-на ведет соб-ствен-ный за-кры-тый ре-естр тран-зак-ций, вклю-ча-ю-щий за-пи-си об ис-то-рии сде-лок и дан-ные о ба-лан-се каж-до-го ак-ка-ун-та.

Од-на-ко в слу-чае бит-ко-и-на и неко-то-рых дру-гих крип-то-ва-лют копия та-ко-го ре-ест-ра фак-ти-че-ски есть у каж-до-го участ-ни-ка си-сте-мы — имен-но такой рас-пре-де-лен-ный ре-естр и на-зы-ва-ет-ся -чей-ном. Каж-дая сто-ро-на в тран-зак-ции может про-ве-рить всю ин-фор-ма-цию са-мо-сто-я-тель-но, по-это-му необ-хо-ди-мость в по-сред-ни-ках от-па-да-ет.

Proof-of-Work и

На более глу-бо-ком уровне Proof-of-Work пред-став-ля-ет собой набор тре-бо-ва-ний к слож-ным ком-пью-тер-ным вы-чис-ле-ни-ям, ко-то-рые необ-хо-ди-мо про-ве-сти, чтобы со-здать новую груп-пу за-ве-рен-ных тран-зак-ций (блок) и до-ба-вить ее к рас-пре-де-лен-но-му ре-ест-ру (блок-чей-ну). Этот про-цесс на-зы-ва-ет-ся май-нин-гом. Май-нинг пре-сле-ду-ет две глав-ные цели:

Верификация сделки, которая позволяет избежать так называемого двойного расходования;
Создание новых единиц криптовалюты (фактически, майнеры получают их в награду за выполнение предыдущей задачи).

При тран-зак-ции с крип-то-ва-лю-той про-ис-хо-дит сле-ду-ю-щее:

Транзакции случайным образом группируются в блоки;
Майнеры подтверждают легитимность транзакций в каждом блоке;
Для этого им приходится решить сложную математическую задачу, известную как proof-of-work problem;
Первый майнер, решивший задачу, связанную с конкретным блоком, получает вознаграждение в виде криптовалюты;
Заверенные транзакции добавляются к блокчейну, который доступен каждому участнику системы.

Клю-че-вая осо-бен-ность этой ма-те-ма-ти-че-ской за-да-чи — асим-мет-рия: она долж-на быть уме-рен-но слож-ной для май-не-ра, но до-ста-точ-но про-стой для сети в целом. Это до-сти-га-ет-ся с по-мо-щью крип-то-гра-фии. Каж-дый май-нер в сети пы-та-ет-ся найти ре-ше-ние за-да-чи пер-вым; при этом найти его фак-ти-че-ски можно лишь ме-то-дом пря-мо-го пе-ре-бо-ра, по-это-му для успеш-но-го ре-ше-ния тре-бу-ет-ся мно-же-ство по-пы-ток.

Когда кто-то из май-не-ров на-хо-дит ре-ше-ние, си-сте-ма опо-ве-ща-ет об этом всех участ-ни-ков сети, од-но-вре-мен-но на-чис-ляя май-не-ру воз-на-граж-де-ние со-глас-но су-ще-ству-ю-ще-му про-то-ко-лу.

Слож-ность май-нин-га поз-во-ля-ет под-дер-жи-вать его со-рев-но-ва-тель-ную при-ро-ду: чем выше рас-пре-де-лен-ная вы-чис-ли-тель-ная мощ-ность сети, тем выше ста-но-вит-ся этот па-ра-метр, — иными сло-ва-ми, воз-рас-та-ет число вы-чис-ле-ний, ко-то-рые нужно про-ве-сти, чтобы со-здать новый блок.

Метод также по-вы-ша-ет сто-и-мость со-зда-ния блока, по-буж-дая май-не-ров на-ра-щи-вать эф-фек-тив-ность своих си-стем, чтобы со-хра-нить по-ло-жи-тель-ный эко-но-ми-че-ский ба-ланс.

По-вы-ше-ние по-ро-га долж-но про-ис-хо-дить в сред-нем каж-дые 14 дней, а новый блок фор-ми-ру-ет-ся каж-дые 10 минут. Proof-of-Work ис-поль-зу-ет-ся не толь-ко в си-сте-ме бит-ко-и-на, но и в Ethereum и мно-гих дру-гих си-сте-мах, ос-но-ван-ных на блок-чейне.

В каж-дом слу-чае кон-крет-ные осо-бен-но-сти си-сте-мы Proof-of-Work могут немно-го от-ли-чать-ся, по-сколь-ку со-зда-ют-ся ин-ди-ви-ду-аль-но для каж-до-го блок-чей-на.

Раз-ра-бот-чи-ки Ethereum хотят из-ме-нить си-сте-му це-ли-ком, пе-рей-дя к новой си-сте-ме под на-зва-ни-ем Proof-of-Stake.

Что такое Proof-of-Stake?

Proof-of-Stake — дру-гой спо-соб ве-ри-фи-ци-ро-вать тран-зак-ции и обес-пе-чи-вать distributed consensus.

Это ал-го-ритм, ко-то-рый слу-жит ровно тем же целям, что и Proof-of-Work, но спо-соб до-сти-же-ния этих целей со-вер-шен-но от-ли-ча-ет-ся.
Идея Proof-of-Stake была впер-вые пред-ло-же-на на фо-ру-ме bitcointalk еще в 2011 году; год спу-стя по-яви-лись пер-вые крип-то-ва-лю-ты, ис-поль-зу-ю-щие этот метод, — Peercoin, ShadowCash, Nxt, BlackCoin, NuShares/NuBits, Qora и Nav Coin.

В от-ли-чие от Proof-of-Work, где ал-го-ритм воз-на-граж-да-ет май-не-ров, ко-то-рые про-во-дят вы-чис-ле-ния для ва-ли-да-ции тран-зак-ций и со-зда-ния новых бло-ков, в Proof-of-Stake со-зда-тель но-во-го блока вы-би-ра-ет-ся си-сте-мой за-ра-нее на ос-но-ва-нии его со-сто-я-ния, то есть доли в общем ко-ли-че-стве крип-то-ва-лю-ты.

Никакого вознаграждения за блок

Кроме того, это озна-ча-ет, что весь объем крип-то-ва-лю-ты в си-сте-ме со-здан из-на-чаль-но и ни-ко-гда не ме-ня-ет-ся. По-это-му в си-сте-ме PoS воз-на-граж-де-ние за блок от-сут-ству-ет в прин-ци-пе. Доход май-не-ров со-став-ля-ют ис-клю-чи-тель-но ко-мис-сии с тран-зак-ций. По-это-му для май-нин-га в си-сте-ме PoS су-ще-ству-ет от-дель-ный тер-мин: фор-джинг.

Почему Ethereum хочет перейти на PoS?

Со-об-ще-ство Ethereum и со-зда-тель крип-то-ва-лю-ты Ви-та-лик Бу-те-рин пла-ни-ру-ют про-ве-сти хард- , чтобы пе-рей-ти с си-сте-мы Proof-of-Work на Proof-of-Stake.

Но по-че-му? Рас-пре-де-лен-ный ре-естр, ос-но-ван-ный на Proof-of-Work тре-бу-ет от май-не-ров боль-ших за-трат энер-гии. Одна тран-зак-ция с бит-ко-и-ном тре-бу-ет столь-ко же элек-тро-энер-гии, сколь-ко пол-то-ры семьи по-треб-ля-ют за целый день.

А за элек-три-че-ство май-не-рам при-хо-дит-ся пла-тить обыч-ны-ми, фи-ат-ны-ми день-га-ми, и это по-сто-ян-но сдер-жи-ва-ет рост цен-но-сти крип-то-ва-лю-ты. Недав-нее ис-сле-до-ва-ние по-ка-за-ло, что к 2020 году тран-зак-ции в сети бит-ко-и-на будут по-треб-лять столь-ко же элек-три-че-ства, сколь-ко все на-се-ле-ние Дании.

Это силь-но бес-по-ко-ит раз-ра-бот-чи-ков крип-то-ва-лют, и со-об-ще-ство Ethereum хочет ис-поль-зо-вать Proof-of-Stake как более эко-ло-гич-ную и де-ше-вую форму под-дер-жа-ния рас-пре-де-лен-но-го ре-ест-ра.

Кроме того, из-ме-нит-ся ме-ха-низм воз-на-граж-де-ния: в си-сте-ме Proof-of-Work у май-не-ра может во-об-ще не быть крип-то-ва-лю-ты, для ко-то-рой он про-во-дит вы-чис-ле-ния. В слу-чае Proof-of-Stake, фор-дже-ры все-гда вла-де-ют ка-кой-то ча-стью крип-то-ва-лю-ты.

Как стать форджером?

Если новый про-то-кол Proof-of-Stake под на-зва-ни-ем Casper будет при-ме-нен, в си-сте-ме по-явит-ся некий пул ва-ли-да-то-ров. Поль-зо-ва-те-ли смо-гут при-со-еди-нять-ся к пулу, чтобы по-лу-чить воз-мож-ность войти в число фор-дже-ров.

Сам Бу-те-рин утвер-жда-ет:

«У си-сте-мы не будет ка-ких-то пред-по-чте-ний по по-во-ду того, кто смо-жет войти в пул ва-ли-да-то-ров. Кто угод-но смо-жет при-со-еди-нить-ся на каком угод-но этапе, неза-ви-си-мо от ко-ли-че-ства дру-гих участ-ни-ков».

Воз-на-граж-де-ние для ва-ли-да-то-ров со-ста-вит «от 2% до 15% от суммы тран-зак-ции», го-во-рит Бу-те-рин, — впро-чем, по этому пунк-ту у него пока нет уве-рен-но-сти.

Кроме того, Бу-те-рин за-явил, что, хотя число ва-ли-да-то-ров (фор-дже-ров) не будет огра-ни-чи-вать-ся про-грамм-но, его можно будет ре-гу-ли-ро-вать эко-но-ми-че-ски, со-кра-щая раз-мер ко-мис-сии, если же-ла-ю-щих ста-нет слиш-ком много, или уве-ли-чи-вая, если их будет не хва-тать.

Более надежная система?

Любая ком-пью-тер-ная си-сте-ма нуж-да-ет-ся за-щи-те от ха-кер-ских атак, осо-бен-но если она как-то свя-за-на с день-га-ми. По-это-му глав-ный во-прос сво-дит-ся к сле-ду-ю-ще-му: будет ли Proof-of-Stake без-опас-нее, чем Proof-of-Work?

Он бес-по-ко-ит не толь-ко экс-пер-тов — скеп-ти-ки на-хо-дят-ся и в самом со-об-ще-стве. В слу-чае Proof-of-Work зло-умыш-лен-ни-кам труд-но по-лу-чить до-ступ к си-сте-ме из-за вы-со-ко-го тех-но-ло-ги-че-ско-го и эко-но-ми-че-ско-го по-ро-га вхож-де-ния.

Атаки в си-сте-ме PoW об-хо-дят-ся очень до-ро-го — чаще всего для этого вам по-на-до-бит-ся боль-ше денег, чем вы в итоге смо-же-те украсть.

Си-сте-ме PoS, на-про-тив, по-на-до-бят-ся до-пол-ни-тель-ные сред-ства за-щи-ты — без этого ата-ко-вать ее будет го-раз-до проще.

Чтобы раз-ре-шить этот во-прос, Бу-те-рин со-здал про-то-кол Casper, —ал-го-ритм, спо-соб-ный опре-де-лять об-сто-я-тель-ства, при ко-то-рых небла-го-на-деж-ный ва-ли-да-тор может по-те-рять свой де-по-зит. Он по-яс-ня-ет: «Casper тре-бу-ет, чтобы ва-ли-да-то-ры вно-си-ли вклад для уча-стия. Участ-ник те-ря-ет де-по-зит, если про-то-кол опре-де-ля-ет, что он на-ру-шил неко-то-рый набор пра-вил».

Вывод

Бла-го-да-ря PoS ва-ли-да-то-рам не нужно ис-поль-зо-вать свою вы-чис-ли-тель-ную мощ-ность, — един-ствен-ны-ми фак-то-ра-ми, вли-я-ю-щи-ми на успех, яв-ля-ет-ся общее ко-ли-че-ство их соб-ствен-ных монет и те-ку-щая слож-ность си-сте-мы.

Таким об-ра-зом, пе-ре-ход от PoW к PoS может обес-пе-чить сле-ду-ю-щие пре-иму-ще-ства:

Экономия энергии;
Более безопасная сеть, поскольку атаки станут более дорогими: если хакер захочет купить 51% от общего количества монет, рынок отреагирует быстрым повышением цен.

Узлы сети, (или ва-ли-да-то-ры), долж-ны за-пла-тить залог, чтобы стать ча-стью рас-пре-де-лен-но-го ре-ест-ра. Casper опре-де-лит кон-крет-ную сумму воз-на-граж-де-ний, при-чи-та-ю-щих-ся ва-ли-да-то-рам, ис-хо-дя из вне-сен-ных ими сумм.

Если некий ва-ли-да-тор со-здаст «недо-пу-сти-мый» блок, его залог будет уда-лен, а сам он ли-шит-ся воз-мож-но-сти уча-стия в си-сте-ме.

Дру-ги-ми сло-ва-ми, си-сте-ма без-опас-но-сти Casper ос-но-ва-на на чем-то вроде ста-вок. В си-сте-ме PoS ва-ли-да-тор как бы де-ла-ет став-ку на тран-зак-цию и по-лу-ча-ет де-неж-ный приз, про-пор-ци-о-наль-ный сво-е-му вкла-ду.

Под-го-то-ви-ла Тая Аря-но-ва

Майнеры работают 24/7 не только для того чтобы добывать монеты. Основная их задача - записывать текущие транзакции между кошельками в новые блоки. Именно для этого и служат «Proof of work» и «Proof of stake» - алгоритмы для валидации транзакций.

Proof-of-work

(PoW) Самый известный алгоритм в крипто сообществе, использующийся для валидации транзакций майнерами. Простыми словами - это огромное количество вычислительных машин, разбросанных по всему миру, решающих криптографическую задачу по нахождению блока.

Любой, кто имеет достаточные вычислительные мощности может подключить их к общей сети и использовать для майнинга. Когда задача решена одним из участников сети, то транзакции, которые стоят в очереди записываются в новый блок, который был найден. Учитывая текущую сложность очевидно, что подделать транзакции в биткоин сети не представляется возможным.

Proof-of-stake

(PoS) Работает по другому. Вместо решения криптографической задачи транзакции валидируются путем «заморозки» некоторого количества монет майнеров в качестве обеспечения. Монеты заморожены до тех пор, пока не будет достигнута «договоренность» валидности транзакций. После достижения конценцуса в сети транзакции добавляются в блокчейн, а монеты держатся замороженными еще некоторое время с целью защиты от атаки на сеть и избежания «двойной траты».

Когда монеты разморожены майнеров, они получают свои монеты обратно плюс небольшую комиссию за запись транзакций в блокчейн. Такой алгоритм предназначен для того, чтобы отбить охоту у злоумышленников валидировать поддельные транзакции из-за риска потерять «залог».

Немного истории

Принцип PoW впервые был описан в 1993 году в работе «Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology» (авторы – Синтия Дворк и Мони Наор). Авторы предложили следующую концепцию:
«Чтобы получить доступ к общему ресурсу, пользователь должен вычислить некоторую функцию: достаточно сложную, но посильную; так можно защитить ресурс от злоупотребления».

Непосредственное применение этот принцип получил в проекте Hashcash, основанном Адамом Бэком в 1997 году. Задача состояла в том, что бы найти такое значение x, что хеш SHA(x) содержал бы N старших нулевых бит. При отправке писем по эл. почте применялось хеширование частичной инверсии и для отправки каждого письма нужно было примерно 252 хеш-вычисления.

Отправке нескольких обычных писем, эти расчеты препятствий не создают, а вот для спам-рассылки это уже серьезная проблема. Так появился алгоритм хеширования SHA-1 с заранее подготовленной меткой.

В 1999 году появляется и сам термин Proof-of-Work – использован он был в статье «Proofs of Work and Bread Pudding Protocols» (авторы – Маркус Якобссон и Ари Джуелс) в журнале Communications and Multimedia Security.

При создании Bitcoin Сатоши Накамото взял за основу принцип PoW, проекта Hashcash, добавив к нему возможность изменения сложности алгоритма - уменьшение или увеличение N (требуемого числа нулей) в зависимости от суммарной мощности участников сети. Вычисляемой функцией стала SHA-256. Механизм PoW был использован как средство подтверждения того, что майнер фактически выполнил работу по нахождению нового блока и добавлению его в блокчейн.

Эти вычисления могу производиться только в интерактивном режиме, потому их сложность устанавливается, который фактически сможет поддерживать сеть и в это же время эта сложность гарантирует сети защиту от взлома, и двойных трат. Узлы всегда могут удостовериться в корректности найденного майнером значения, а для того что бы блок был принят системой, необходимо, что бы его хеш-значение было меньшим по сравнению с текущей сложностью. Таким образом, каждый блок показывает, что была проделана определенная работа по его нахождению.

Proof of Work породил целую индустрию майнинга и к 2012 году общая мощность сети биткоин превысила мощность самого мощного суперкомпьютера в мире. Энергопотребление оборудования для майнинга многократно растет с каждым днем и отчасти поэтому в 2012 году была предложена альтернатива Proof of Work — так называемый принцип Proof of Stake.

Впервые PoS был применен в криптовалюте PeerCoin. Суть состоит в том что новые монеты генерируются при использовании «доли»(stake) в качестве ресурса. В механизме PoS также пытаются хешировать данные в поисках результата меньше определенного значения, но сложность в данном случае распределяется пропорционально и в соответствии с балансом каждого счета с монетами.

Схема выглядит более привлекательной с точки зрения меньших затрат ресурсов. Ну и конечно для PoS майнинга нужно просто держать online кошелек с большим количеством монет.

Отличия

Очевидное преимущество Proof-of-Stake перед Proof-of-Work заключается в том, что его выполнение не требует от майнеров гигантского расхода электроэнергии, что делает его намного более эффективным. Но это не единственное его достоинство. Он также позволяет реализовать системы управления нового поколения, например, предоставив участникам сети возможность принять участие в выборе между хард- и софт-форками.

В плане превосходства PoS над PoW, можно сказать, что для проведения атаки на сеть требуется огромное количество монет, что по сути приводит к ее нецелесообразности для владельца этих же монет, так как он(они) пострадает от этой атаки в первую очередь.

В то же время PoS побуждает к накоплению монет в одних руках, что может негативно сказаться на децентрализации сети. Если найдется майнер или группа майнеров, который(которые) сосредоточит в своих руках большую часть ресурсов сети, то он(они) сможет диктовать свои правила остальным участникам сети.

PoW и PoS это основные механизмы, которые используются для подтверждения выполненной работы в сетях криптовалют, однако есть и другие менее известные и распространенные.

Proof of Activity (доказательство активности) - стандартная гибридная схема, совмещающая PoW и PoS;
Delegated Proof of Stake (делегированное подтверждение доли) - общий термин, описывающий эволюцию базовых консенсус-протоколов на основе подтверждения доли. DPoS используется в , а также в предложенных алгоритмах, таких как Slasher и Tendermint;
Proof of Burn (доказательство сжигания) - «сжигание» происходит путем отправки монет на такой адрес, с которого гарантированно нельзя их потратить. Избавляясь таким образом от своих монет, пользователь получает право на пожизненный майнинг, который также устроен как лотерея среди всех владельцев сожженных монет;
Proof of Capacity (доказательство ресурсов) - реализация популярной идеи «мегабайты как ресурсы». Необходимо выделить существенный объем дискового пространства, чтобы включиться в майнинг;
Proof of Storage (доказательство хранения) – похожая на предыдущую концепция, при которой выделенное место используется всеми участниками как совместное облачное хранилище.

Видео

В большинстве криптовалют новые монеты выпускаются в виде вознаграждения тому участнику сети (узлу), который проверил определённое количество транзакций в сети на валидность, собрал эти транзакции в так называемый блок и добавил этот блок в блокчейн - распределённую базу данных. Создание механизма защиты от бесконтрольного создания блоков и выпуска монет, а также других злоупотреблений - необходимый элемент разработки криптовалюты. Наиболее распространённым механизмом является алгоритм Proof-of-Work, требующий доказать, что для создания блока были действительно проведены необходимые вычисления.

Для этого узлу-создателю нужно решить математическую задачу. Задача при этом должна быть сложной, но посильной и решаемой, а проверка результата должна быть максимально простой и быстрой.

История создания алгоритма Proof-of-Work

Идея механизма PoW появилась в литературе ещё в далёком 1993 году. Тогда его предложили использовать для защиты электронной почты от спама. Хотя словосочетание Proof-of-Work ещё не прозвучало - термин появился только в 1999.

Первое практическое воплощение состоялось через четыре года, в 1997 и также было связано с борьбой со спамом. Проект получил название HashCash.

Для создания блокчейна биткоина Сатоши Накамото применил защитный алгоритм HashCash (который уже доказал к тому времени свою работоспособность), а в качестве вычисляемой хэш-функции использовал SHA-256 - наиболее популярную в 2008 году.

Что такое Proof-of-Work?

При использовании PoW для добавления блока в цепочку, узлу необходимо решить сложную математическую задачу.

В случае биткоина и большинства блокчейнов других криптовалют, основаных на его алгоритме, необходимо подобрать хэш заголовка блока. В него включены хэш предыдущего блока и блок транзакций, который начинался бы с определённого количества нулей.

Поскольку для этого используется стойкая необратимая хэш-функция, решить задачу можно только простым перебором. В то же время после нахождения решения его можно очень быстро проверить.

Особенности Proof-of-Work

Одной из важнейших особенностей используемого в криптовалютах алгоритма PoW (по сравнению, скажем, с механизмом защиты от спама) является механизм динамического изменения сложности решаемой задачи. Без него эмиссия того же биткоина очень быстро стала бы неконтролируемой, поскольку с ростом суммарной вычислительной мощности сети скорость выпуска блоков увеличится и, соответственно, скорость выпуска новых монет.

Однако сложность поиска доказательства нового блока в биткоине постоянно изменяется таким образом, чтобы среднее время поиска решения составляло около 10 минут. Достигается это простым изменением числа требуемых нулей в начале искомого хэша.

В связи с тем, что вычислительные мощности сети непрерывно растут, сложность задачи также постоянно повышается. Это приводит к повышению затратности майнинга, в связи с чем начались работы над альтернативными алгоритмами. Наиболее успешным из них стал Proof-of-Stake, в котором доказывать нужно не факт проведения вычислений, а факт владения добываемой криптовалютой.

Плюсы Proof-of-Work

Proof-of-Work предлагает достаточно высокий уровень безопасности блокчейна, стремительно растущий по мере того, как увеличивается число узлов в сети и их суммарная вычислительная мощность.

Связано это с тем, что большая часть атак на блокчейн, использующий PoW, требует, чтобы атакующий контролировал большую часть вычислительных мощностей сети.

Теоретически, у злоумышленника есть возможность подтверждать только свои блоки, игнорируя другие, собирать 100% новых монет и блокировать транзакции. Однако для этого ему нужно контролировать более половины вычислительных мощностей (отсюда название «атака 51%»). Это, по большому счету, лишает атаку экономического смысла.

Другие атаки, предназначенные, например, для обеспечения двойного расходования средств с помощью форков, не требуют обязательного контроля над большей частью мощностей, однако, все ещё «прожорливы» - злоумышленнику нужно поддерживать разветвление в течение длительного времени.

Минусы PoW

Основная проблема Proof-of-Work - это постоянно растущая сложность вычислений. Возникающие из-за этого требования к оборудованию и огромная энергозатратность делают поиск новых блоков крайне дорогостоящим и энергонеэффективным процессом.

Проекты, пытающиеся найти полезное применение этим «уходящим в пустоту» ресурсам, появляются регулярно (чего стоит только проект биткоин-фермы, отапливающей дом) но особого успеха пока не снискали.

Проблема «прожорливости» PoW усугубляется риском потратить ресурсы «в никуда». Предсказать, какой именно узел найдёт новый блок, невозможно, а вознаграждение получит только «победитель». Все прочие узлы жгли электричество напрасно.

Высокие требования к оборудованию также привели к тому, что доминирующие позиции в майнинге заняли пулы и компании с крупными датацентрами. А «домашние майнеры» из процесса добычи биткоина фактически выбыли уже несколько лет назад.

Сосредоточение вычислительных ресурсов под контролем немногочисленных компаний противоречит самой идее децентрализации, заложенной в криптовалюты. Работы над «ASIC-защищёнными» PoW-алгоритмами ведутся, однако, говорить об их полной успешности пока рано. В основном они лишь делают использование спецоборудования более затратным.

Использование Proof-of-Work в криптовалютах

Proof-of-Work используется в абсолютном большинстве криптовалют, представленных сегодня на рынке. Исключение составляют те валюты, в которых выпуск новых токенов либо не предусмотрен (все монеты находились в сети с самого начала работы), либо осуществляется централизовано (как в Ripple).

Даже те валюты, разработчики которых заявили о намерении использовать альтернативные алгоритмы для защиты проведения транзакций, для первоначального распределения токенов используют PoW.

Майнинг криптовалют, использующих Proof-of-Work

На сегодняшний день все «майнящиеся» цифровые валюты используют именно алгоритм PoW. Однако майнинг крупнейших криптовалют для одиночек, использующих неспециализированное оборудование и не входящих в крупные пулы, практически недоступен. Их нишей стали немногочисленные ASIC-защищённые крипты или монеты «со дна», которые никому из крупных игроков не нужны.

Какое будущее ждёт алгоритм Proof-of-Work?

Proof-of-Work остаётся наиболее надёжным (во многом в силу того, что он - наиболее старый и испытанный из всех) алгоритмом консенсуса. В связи с этим даже те разработчики криптовалют, которые заявляют о своей приверженности альтернативным алгоритмам, вынуждены использовать PoW как минимум для распределения токенов.

И, хотя недостатки Proof-of-Work приводят к постепенному переходу от «чистых» PoW-алгоритмов к гибридным, отказа от использования этой концепции в ближайшее время не произойдёт. И тем более этого не случится, пока будет работать блокчейн биткоина.