Что такое PoW? Изучение основ механизма безопасности Bitcoin

Что нужно знать прямо сейчас

Proof of Work (PoW) — это алгоритм консенсуса, разработанный для предотвращения проблемы двойного расходования в цифровых сетях. Он является основой безопасности Bitcoin и множества других альткоинов. PoW играет ключевую роль в процессе майнинга, когда майнеры подтверждают транзакции и добавляют новые блоки в блокчейн, а также создают новые единицы криптовалюты. Чтобы сохранить децентрализацию и безопасность сети, участники должны инвестировать значительные ресурсы в вычислительную мощность и электроэнергию.

Что такое PoW и почему это важно?

Proof of Work — это механизм консенсуса, созданный для решения задачи двойного расходования в цифровой платежной среде. Проще говоря, это способ, позволяющий сторонам, не доверяющим друг другу, достигать согласия относительно состояния финансовой базы данных.

Bitcoin и многие другие криптовалюты выбрали PoW в качестве метода защиты целостности сети блокчейн. Когда вы участвуете в сети PoW, вы присоединяетесь к системе, в которой не нужно доверять никакой централизованной организации.

Сатоши Накамото представил PoW в белой книге Bitcoin в 2008 году, однако эта технология существует гораздо раньше. HashCash Адама Бэка — один из первых примеров использования Proof of Work, предназначенный для борьбы со спамом. Он требует, чтобы отправитель электронной почты выполнил вычисление, доказывающее, что он не является рассылщиком спама. Для легитимных отправителей эти вычисления не представляют сложности; для спамеров, пытающихся разослать миллионы писем, — очень высоки по затратам.

Проблема двойных расходов: опасения цифровых денег

Двойной расход — это ситуация, когда одна и та же единица валюты используется несколько раз. Этот термин практически не встречается в физической наличности, поскольку в бумажных деньгах это практически невозможно.

Представьте, что вы покупаете что-то за наличные. Вы отдаете деньги кассиру, и он кладет их в кассовый аппарат. Теперь вы не можете взять эти деньги обратно и использовать их в другом месте.

Но в цифровом мире все деньги — это данные. Их легко скопировать и отправить разным людям. Проблема в том, что без механизма контроля вы можете отправить одну и ту же цифровую единицу сразу нескольким получателям — что невозможно в традиционной системе наличных.

Цифровая платежная система, которая не может предотвратить двойной расход, рано или поздно разрушится. Решением этой проблемы являются механизмы консенсуса, такие как Proof of Work.

Почему PoW необходим для блокчейна?

В блокчейн-сети все участники постоянно отправляют транзакции. Однако эти транзакции не считаются действительными сразу же. Они становятся официальными только после подтверждения и добавления в блокчейн.

Представьте группу друзей, у которых есть блокнот для записи транзакций Bitcoin. Каждый раз, когда кто-то хочет перевести деньги, он записывает:

“Алиса отправляет Бобу 5 BTC; Боб отправляет Кэрол 2 BTC”

Чтобы убедиться, что никто не тратит деньги, которых у него нет, необходимо указывать источник каждой суммы. Поэтому, когда Боб отправляет Кэрол 2 BTC, запись будет выглядеть так:

“Боб отправляет Кэрол 2 BTC, эти деньги получены из предыдущей транзакции с Алисой”

Если Боб попытается использовать те же 2 BTC в другой транзакции, все сразу поймут, что эти деньги уже учтены, и такую транзакцию отклонят.

Этот метод хорошо работает в небольшой группе, где все знают друг друга и могут легко договориться, кто может добавлять записи.

Но что произойдет, если группа насчитывает 10 000 участников? Или миллион? Никто не хочет доверять одному незнакомцу управлять всеми записями. Именно здесь появляется Proof of Work. PoW — это механизм, позволяющий любому участнику сети обновлять блокчейн без доверия к централизованному органу. Используя криптографию и теорию игр, он гарантирует, что пользователь сможет тратить только те деньги, которыми действительно владеет.

Как работает Proof of Work?

Вместо добавления каждой транзакции по отдельности в блокнот, сети объединяют их в блоки. Когда сеть получает транзакции, участники, создающие блоки, собирают их в кандидатный блок. Транзакции считаются действительными только после подтверждения кандидатного блока и его добавления в цепочку.

Процесс подтверждения транзакций и добавления новых блоков называется майнингом. Майнинг — это сложный и затратный процесс, но он приносит множество преимуществ. Майнеры, создавшие действительный блок, получают награду в виде новых монет, выпущенных протоколом, а также комиссионных за транзакции.

Подробный процесс майнинга

Proof of Work требует, чтобы майнеры (создающие блок) инвестировали ресурсы, такие как электроэнергия и мощные компьютеры, для хэширования данных их кандидатного блока до тех пор, пока не найдут решение загадки.

Хэширование данных блока означает преобразование их через хэш-функцию в строку хэша. Эта строка работает как «отпечаток пальца» данных — она уникальна для каждого блока, и даже небольшое изменение входных данных приведет к совершенно другому хэшу.

Иными словами, майнеры должны:

• Проверить и собрать ожидающие обработки транзакции
• Сформировать из них кандидатный блок
• Ввести данные блока в хэш-функцию для получения хэша

Если майнеру удастся найти допустимый хэш для кандидатного блока, он публикует его в сеть, добавляет блок в цепочку и получает награду за майнинг.

Проверка блока

Когда майнер публикует кандидатный блок и его хэш в сеть, другие участники повторяют процесс хэширования для проверки его действительности.

Хотя найти допустимый хэш может потребовать множества попыток, проверка его — очень простая. Нужно просто пропустить данные блока через хэш-функцию и сравнить результат с опубликованным хэшем.

Это и есть особенность Proof of Work: создание очень сложного доказательства (yrequiring significant resources), а проверка — очень быстрая.

Nonce: ключ к угадыванию

Майнеры не могут просто повторять один и тот же процесс хэширования с одними и теми же данными, потому что результат всегда одинаковый. Поэтому они добавляют в данные переменную, которую можно менять — nonce — число, которое они изменяют при каждой попытке. Меняя nonce, они получают разные входные данные и, соответственно, разные хэши.

В итоге майнинг — это процесс «проб и ошибок»: майнер берет данные блока, добавляет nonce, хэширует их и проверяет, соответствует ли результат условиям протокола. Если нет — меняет nonce и повторяет.

Регулируемая сложность

Чем выше хэш-скорость сети, тем сложнее найти допустимый хэш. Это сделано специально, чтобы блоки не находились слишком быстро.

Попытки угадать миллионы или миллиарды хэшей требуют больших ресурсов компьютеров и электроэнергии. Но если вам удастся найти допустимый хэш, протокол наградит вас криптовалютой.

Безопасность: открытый криптографический ключ

А что если кто-то попытается мошенничать? Как предотвратить, чтобы майнер не вставил в блок цепочку мошеннических транзакций?

Ответ — в открытом криптографическом ключе. Каждая транзакция подписывается приватным ключом отправителя. Любой в сети может сравнить подпись с публичным ключом и проверить, действительна ли транзакция.

Кроме того, сеть проверяет, действительно ли отправитель владеет средствами, которые он пытается потратить. Если вы пытаетесь потратить больше, чем у вас есть, транзакция будет отклонена.

Любой блок, содержащий недопустимую транзакцию, автоматически отклоняется сетью.

Экономика честности

Главное преимущество Proof of Work — это то, что: мошенничество очень дорого, а честность приносит прибыль.

Если вы попытаетесь мошенничать, вы потратите свои ресурсы без получения награды. Поэтому любой разумный майнер будет действовать честно, чтобы максимизировать свою прибыль. Этот механизм превращает честность в оптимальную стратегию, не требуя доверия к кому-либо.

Сравнение Proof of Work и Proof of Stake: два подхода

Существует множество алгоритмов консенсуса, кроме PoW, но одним из самых популярных является Proof of Stake (PoS). Этот концепт впервые появился в 2011 году и реализован в Ethereum и других проектах.

Как работает Proof of Stake

В системе Proof of Stake не используется традиционный майнинг. Вместо этого участники, называемые валидаторами (validator), выбираются случайным образом для предложения новых блоков. Если блок допустим, они получают награду в виде комиссий за транзакции.

Однако не каждый может стать валидатором. Участник должен заложить (ставку) — определенную сумму основной валюты блокчейна. Эта ставка действует как залог — как обвиняемые, которые должны внести деньги, чтобы не сбежать, валидаторы блокируют свою ставку, чтобы не допустить мошенничества.

Если они ведут себя нечестно, их (залог) или его часть будет изъята. Это создает экономический стимул к честности, аналогичный PoW, но через другой механизм.

Преимущества и недостатки

Преимущества PoS:

• Значительно меньшие энергозатраты по сравнению с PoW, так как не требуется мощное оборудование 24/7
• Более экологичный подход

Недостатки PoS:

• Меньшая история использования по сравнению с PoW
• Хотя его можно считать менее ресурсозатратным, PoW — единственный алгоритм консенсуса, доказавший свою эффективность более десяти лет
• С момента запуска Bitcoin с PoW защищены транзакции на триллионы долларов

Чтобы уверенно утверждать, что PoS может конкурировать по уровню безопасности с PoW, технология должна пройти длительное тестирование.

Итог

Proof of Work — это первоначальное и доказанное решение проблемы двойных расходов в цифровых деньгах. Bitcoin показал, что нам вовсе не нужны централизованные организации для предотвращения мошенничества.

Используя криптографию, хэш-функции и теорию игр, участники полностью децентрализованной сети могут достигать согласия относительно состояния базы данных без доверия друг к другу.

На сегодняшний день PoW остается самым безопасным и надежным механизмом, который у нас есть.