Розуміння Доказу роботи: Основи безпеки за Біткойном та Блокчейном

Чому ми не можемо просто скопіювати Цифрові гроші?

Ось основна проблема з цифровими валютами: на відміну від фізичних грошей, цифрові дані можна безкінечно дублювати. Якщо ви зможете копіювати та вставляти свої файли Bitcoin, ви зможете надіслати ту ж саму монету кільком людям — сценарій, відомий як атака з подвоєння витрат. Це миттєво зруйнує будь-яку цифрову платіжну систему.

Фізичні гроші не мають цієї проблеми. Коли ви передаєте $20 банкноту касиру, ви фізично втрачаєте право власності на неї. Те ж саме не можна сказати про цифрові транзакції. Без надійного механізму безпеки хтось теоретично міг би витратити один і той же цифровий актив двічі, у двох різних місцях, одночасно.

Це саме та проблема, яку було розроблено для вирішення Proof of Work (PoW).

Що таке Proof of Work?

Доказ роботи – це механізм консенсусу, який дозволяє мережі незалежних учасників погоджуватися щодо стану спільного реєстру без необхідності довіряти центральному органу. Замість того, щоб покладатися на банк або уряд для запобігання шахрайським транзакціям, мережа використовує обчислювальні головоломки та теорію ігор, щоб зробити недобросовісність надто дорогою.

Біткоїн впровадив PoW у світ криптовалют у 2008 році, але концепція передує криптовалютам. Алгоритм HashCash Адама Бека, створений у 1990-х, використовував подібні концепції обчислювального доказу для боротьби зі спамом в електронній пошті. Принцип залишається тим самим: вимагати доказ роботи перед тим, як прийняти щось цінне.

Механіка: Як насправді працює майнінг

Уявіть собі спільний реєстр, який підтримує кожен учасник мережі. Коли відбуваються транзакції, вони транслюються в мережу та групуються в блоки. Але перш ніж ці блоки будуть додані до блокчейну, їх потрібно перевірити через майнінг.

Майнери збирають очікуючі транзакції та об'єднують їх у кандидатний блок. Потім починається обчислювальна робота: вони повинні неодноразово пропускати дані блоку через криптографічну хеш-функцію, змінюючи змінну, що називається nonce, з кожною спробою, поки не згенерують хеш, який відповідає вимогам труднощів мережі.

Це обчислювально витратно. Майнерам потрібно виконати трильйони хеш-обчислень, споживаючи значну електрику та обробну потужність. Однак, коли вони нарешті знаходять дійсний хеш, вони транслюють його в мережу і отримують винагороду — новостворену криптовалюту плюс комісії за транзакції.

Елегантна частина? Перевірка хешу є тривіальною. Інші учасники мережі просто беруть виграшний блок і пропускають його через ту ж хеш-функцію для підтвердження рішення. Якщо вихід збігається, блок дійсний. Ця асиметрія — дорожче виробити, дешевше перевірити — є центральною для безпеки PoW.

Чому цей дизайн робить обман безглуздим

Припустимо, що майнер намагається включити шахрайські транзакції у свій блок. Дві проблеми одразу виникають:

По-перше, криптографія з відкритим ключем запобігає цьому. Користувачі підписують транзакції приватними ключами; мережа перевіряє підписи на основі відкритих ключів. Якщо хтось намагається витратити кошти, яких у них немає, або витратити більше, ніж у них є, інші учасники миттєво відхиляють транзакцію.

По-друге, навіть якщо майнер якимось чином обійшов криптографічні перевірки, обчислювальні витрати на знаходження дійсного хешу є величезними. Майнери інвестують реальні ресурси — електрику, обладнання — для цієї роботи. Шахрайство витрачало б ці ресурси без жодної винагороди, що робить це економічно нераціональним.

Результат: нечесність стає дорожчою за чесність. Раціональні майнери погоджують свої інтереси з безпекою мережі, оскільки чесна діяльність приносить прибуток.

Складність видобутку регулюється в залежності від умов мережі

Коли більше майнерів приєднується до мережі і обчислювальна потужність зростає, складність PoW автоматично налаштовується. Протокол забезпечує, що блоки виявляються з постійною швидкістю ( приблизно кожні 10 хвилин для Bitcoin) незалежно від загальної хеш-ставки мережі. Коли хеш-ставка зростає, складність головоломки збільшується. Коли вона знижується, складність зменшується. Це динамічне налаштування підтримує безпеку, не дозволяючи блокам з'являтися занадто швидко або занадто повільно.

Торгівля: Безпека проти Споживання енергії

Безпека Proof of Work має свою ціну — споживання електроенергії. Майнинг Bitcoin споживає значну кількість енергії по всьому світу, що викликає екологічні занепокоєння. Саме тому з'явилися альтернативні механізми консенсусу.

Доказ стейку: Альтернативний підхід

Доказ стейку (PoS) замінює майнерів на валідаторів. Замість розв'язання обчислювальних головоломок, валідатори випадковим чином обираються для пропозиції блоків на основі криптовалюти, яку вони заблокували як заставу (, яка називається “стейк”). Якщо вони діють нечесно, вони втрачають свій стейк — фінансовий дис incentiv, що замінює обчислювальну роботу.

PoS споживає частину енергії PoW, оскільки не потрібні шахтні ферми. Ethereum перейшов на PoS у 2022 році, демонструючи, що великомасштабні блокчейн-мережі можуть працювати таким чином.

Однак PoW має одну важливу перевагу: доведену історію. PoW біткоїна забезпечив трильйони доларів у транзакціях протягом більше 15 років без успішних атак. Хоча PoS демонструє обіцянки, він не проходив такі ж десятилітні випробування в реальному світі, що залишає питання про його довгострокові гарантії безпеки.

Остаточний висновок

Доказ роботи залишається найбільш перевіреним механізмом консенсусу в криптовалюті. Вимагаючи значних обчислювальних витрат для додавання блоків і роблячи перевірку тривіальною, він створює систему, де чесна поведінка є вигідною, а шахрайство економічно ірраціональне.

Для Біткоїна та багатьох інших мереж це елегантне поєднання криптографії, теорії ігор і економічних стимулів виявилося більш стійким, ніж альтернативи. Чи може PoS в кінцевому підсумку досягти еквівалентних рівнів безпеки залишається одним з найважливіших відкритих питань технології блокчейн.