Що таке PoW? Ознайомлення з основним механізмом безпеки Bitcoin

Question

## Що потрібно знати прямо заразProof of Work (PoW) — це алгоритм консенсусу, розроблений для запобігання проблемі подвійного витрату у мережах цифрових валют. Це основа безпеки Bitcoin та багатьох інших альткоїнів. PoW відіграє ключову роль у процесі майнінгу, де майнери підтверджують транзакції та додають нові блоки до блокчейну, одночасно створюючи нові одиниці криптовалюти. Щоб підтримувати децентралізацію та безпеку мережі, PoW вимагає від учасників значних ресурсних вкладень у обчислювальну потужність та електроенергію.## Що таке PoW і чому це важливо?Proof of Work — це механізм консенсусу, створений для вирішення проблеми подвійного витрату у цифрових платіжних системах. Найпростіше кажучи, це спосіб, щоб сторони, які не довіряють одна одній, могли досягти згоди щодо стану фінансової бази даних.Bitcoin та багато інших криптовалют обрали PoW для забезпечення цілісності мережі блокчейн. Коли ви приєднуєтеся до мережі PoW, ви стаєте частиною системи, яка не вимагає довіри до будь-якої централізованої організації.Сатоші Накамото вперше представив PoW у білій книзі Bitcoin у 2008 році, але ця технологія має більш давнє походження. HashCash Адама Бека — один із перших застосувань Proof of Work, який використовувався для боротьби зі спамом. Він вимагав від відправників електронної пошти виконати обчислення, щоб довести, що вони не є масовими спамерами. Для легальних відправників ця обчислювальна робота була незначною, але для спам-розсилок із мільйонами листів — дуже дорогою.## Проблема подвійного витрату: тривога цифрових валютПодвійний витрат — це явище, коли одна й сама одиниця валюти використовується кілька разів. Цей термін майже не існує у фізичних грошах, оскільки у готівки це практично неможливо.Уявіть, що ви купуєте щось за готівку. Ви передаєте гроші продавцю, і він кладе їх у касу. Тепер ви не можете взяти цю купюру назад і використати її в іншому місці.Але у цифровому світі все — це дані. Ви можете легко скопіювати файл і надіслати його кільком одержувачам. Проблема у тому, що без механізмів контролю ви можете надіслати одну й ту саму цифрову валюту трьом різним особам — що у традиційній готівковій системі неможливо.Цифрова платіжна система, яка не може запобігти подвійним витратам, рано чи пізно зазнає краху. Вирішення цієї проблеми — у механізмах консенсусу, таких як Proof of Work.## Чому PoW необхідний для блокчейну?У мережі блокчейн кожен постійно надсилає транзакції. Однак ці транзакції не вважаються дійсними автоматично. Вони стають офіційними лише після підтвердження та додавання до блокчейну.Уявіть групу друзів, які ведуть запис у зошиті для фіксації транзакцій Bitcoin. Коли хтось хоче переказати гроші, він записує:_"Аліса відправляє Бобу 5 BTC; Боб відправляє Керол 2 BTC"_Щоб гарантувати, що ніхто не витрачає гроші, яких у нього немає, потрібно чітко вказати їх походження. Тому, коли Боб відправляє Керол 2 BTC, запис буде виглядати так:_"Боб відправляє Керол 2 BTC, ці гроші походять із попередньої транзакції з Алісою"_Якщо Боб спробує використати ті самі 2 BTC у іншій транзакції, усі одразу зрозуміють, що ці гроші вже зафіксовані, і група відхилить цю транзакцію.Цей метод добре працює у невеликих групах, де всі знають один одного і можуть легко погодитися, хто має право додавати транзакції.Але що станеться, якщо група налічує 10 000 або навіть мільйон учасників? Ніхто не хоче довіряти одному незнайомцю керувати записами. Тут і з’являється Proof of Work. PoW — це механізм, який дозволяє будь-кому, хто приєднується до мережі, оновлювати блокчейн без довіри до централізованого органу. За допомогою криптографії та теорії ігор він гарантує, що користувачі можуть витрачати лише ті гроші, якими справді володіють.## Як працює Proof of Work?Замість додавання кожної транзакції окремо у зошит, у мережах блокчейн вони групуються у блоки. Коли мережа отримує транзакції, учасники, які створюють блоки, формують із них кандидатний блок. Транзакції вважаються дійсними лише тоді, коли кандидатний блок стає підтвердженим, тобто додається до блокчейну.Процес підтвердження транзакцій і додавання нових блоків називається майнінгом. Це складний і витратний процес, але він має багато переваг. Майнер, який створює дійсний блок, отримує нагороду у новоствореній криптовалюті та комісії за транзакції.### Детальний процес майнінгуProof of Work вимагає від майнерів (створювачів блоків) вкладати ресурси, такі як електроенергія та потужні комп’ютери, щоб **хешувати** дані кандидатного блоку до пошуку рішення загадки.Хешування — це перетворення даних у рядок за допомогою хеш-функції, що створює унікальний "відбиток" даних — хеш. Цей хеш є унікальним для кожного блоку, і будь-яка незначна зміна у вхідних даних призведе до абсолютно іншого хешу.Інакше кажучи, майнери повинні:- Перевірити та зібрати оброблювані транзакції- Відсортувати їх у кандидатний блок- Застосувати хеш-функцію до даних блоку, щоб отримати хешЯкщо вони знайдуть дійсний хеш, що відповідає умовам мережі, вони поширюють його у мережу, додають блок до блокчейну і отримують нагороду.### Перевірка блокуКоли майнер публікує кандидатний блок і його хеш у мережу, інші учасники повторюють процес хешування для підтвердження його валідності.Хоча пошук дійсного хешу може зайняти багато спроб, перевірка — дуже проста. Достатньо подати дані блоку у хеш-функцію і переконатися, що вихід збігається з опублікованим хешем.Це і є особливість Proof of Work: створити дуже важливий (yкрай важкий доказ), що вимагає багато ресурсів, але перевірка — дуже легка.### Nonce: ключ до процесу здогадуванняМайнер не може просто повторювати один і той самий хеш, бо отримає однаковий результат. Тому він додає змінний елемент — **nonce** — число, яке змінюється з кожною спробою. Змінюючи nonce, він отримує різні вхідні дані і, відповідно, різні хеші.Отже, майнінг — це процес "спроб і помилок": майнер бере дані блоку, додає nonce, хешує і перевіряє, чи відповідає результат умовам мережі. Якщо ні — змінює nonce і повторює.### Регулювання складностіЧим вища обчислювальна потужність мережі, тим важче знайти дійсний хеш. Це зроблено навмисно, щоб блоки не знаходилися занадто швидко.Спроби вгадати мільйони або мільярди хешів можуть споживати багато ресурсів. Але якщо ви знайдете дійсний хеш, мережа нагородить вас криптовалютою.### Безпека: криптографія з відкритим ключемА що, якщо хтось спробує обдурити? Як запобігти майнеру додати до блоку шахрайські транзакції?Відповідь — у **криптографії з відкритим ключем**. Кожна транзакція підписується приватним ключем відправника. Будь-хто у мережі може порівняти цю підпис і ключ відкритого доступу, щоб переконатися у її дійсності.Крім того, мережа перевіряє, чи справді відправник володіє цими коштами. Якщо ви намагаєтеся витратити більше, ніж маєте, транзакція буде відхилена.Будь-який блок із недійсними транзакціями автоматично відхиляється мережею.### Економіка чесностіНайбільша перевага Proof of Work — це те, що: **шахрайство дуже дорого коштує, а чесність приносить прибуток**.Якщо ви спробуєте обдурити, ви витратите ресурси без будь-якої нагороди. Тому будь-який розумний майнер буде діяти чесно, щоб максимізувати свій прибуток. Цей механізм робить чесність найкращою стратегією без необхідності довіряти комусь.## Порівняння Proof of Work і Proof of Stake: різні підходиІснує багато інших алгоритмів консенсусу, окрім PoW, але одним із найпопулярніших є **Proof of Stake (PoS)**. Цей концепт з’явився вперше у 2011 році і був реалізований у Ethereum та інших проектах.### Як працює Proof of StakeУ системі Proof of Stake відсутній традиційний майнінг. Замість цього, учасники, яких називають **валідаторами (validator)**, обираються випадковим чином для пропозиції нових блоків. Якщо блок дійсний, вони отримують нагороду у вигляді комісій та новоствореної валюти.Однак не кожен може стати валідатором. Учасник має заблокувати (ставку) — певну кількість основної валюти блокчейну. Ця ставка слугує гарантією — схожа на заставу, яку платять обвинувачені, щоб не втекти, або на депозит, що гарантує чесність валідатора.Якщо валідатор веде себе недобросовісно, його (ставка або її частина) буде конфіскована. Це створює економічний стимул діяти чесно, подібно до PoW, але через інший механізм.### Плюси і мінуси**Плюси PoS:**- Значно менше енергоспоживання, ніж PoW, оскільки не потрібно потужних машин цілодобово- Більш екологічно стійкий**Мінуси PoS:**- Історія роботи коротша, ніж у PoW- Хоча його можна вважати менш ресурсомістким, PoW довів свою ефективність понад десять років- З моменту запуску Bitcoin PoW захищає транзакції на сотні трильйонів доларівЩоб бути впевненим, що PoS може конкурувати з PoW у безпеці, ця технологія має пройти довгострокове тестування.## ВисновокProof of Work — це початкове і доведене рішення проблеми подвійного витрату у цифрових валютах. Bitcoin довів, що нам не потрібні централізовані органи для запобігання шахрайству.З використанням криптографії, хеш-функцій і теорії ігор учасники повністю децентралізованої мережі можуть досягти згоди щодо стану фінансової бази даних без довіри один до одного.На сьогодні PoW залишається найнадійнішим і найбезпечнішим механізмом, який у нас є.