Що таке PoW? Секретний ключ безпеки Біткойн

Почнемо з основного питання

Коли йдеться про блокчейн та криптовалюти, більшість людей чують термін “Proof of Work”, але справжнє розуміння того, що це таке, мають не багато хто. Простими словами, Proof of Work (PoW) — це механізм консенсусу — тобто метод, за допомогою якого учасники розподіленої мережі досягають згоди без центрального управління.

Здається складним? Насправді ні. Ми можемо зрозуміти це, використовуючи більш повсякденний приклад: уявіть, що ви та кілька незнайомців разом управляєте спільною книгою обліку, записуючи кожну транзакцію грошей. Але цих людей ви не знаєте, як можна гарантувати, що ніхто не обманює? Це проблема, яку має вирішити PoW.

Як PoW захищає цифрові активи від “копіювання споживання”

У реальному житті, коли ти купуєш каву за готівку, ці гроші залишають твоїй гаманці, і ти не можеш використати їх для покупки другої чашки кави. Але в цифровому світі все по-іншому — дані можна копіювати безмежно.

Це стосується ключового поняття: Подвійні витрати (Double Spending). Якщо у когось є 1 біткоїн, він може спробувати надіслати його одночасно двом різним людям. Оскільки цифрові активи за своєю суттю є даними, така шахрайство технічно виглядає можливим.

Якщо немає ефективного механізму захисту, такі шахрайства зруйнують всю систему — ніхто більше не повірить у цю мережу. Саме тому Сатоші Накамото у 2008 році ввів механізм PoW у білому документі Bitcoin. Він спирався на більш ранні концепції — наприклад, система HashCash, розроблена Адамом Беком у 1997 році, яка була створена для запобігання спаму в електронній пошті.

То як же працює PoW?

Суть майнінгу: вирішення задач за винагороду

У мережі біткоїн транзакції організовуються в “блоки”. Робота майнерів полягає в зборі цих транзакцій, упаковці їх в кандидатний блок, а потім виконанні спеціального обчислювального процесу.

Цей процес називають хешуванням (Hashing). Уявіть, що хеш-функція — це магічна машина: ви вводите будь-які дані, і вона виводить рядок паролів фіксованої довжини. Цей рядок паролів подібний до “відбитка пальця” даних — навіть якщо змінити лише один символ, вихід буде абсолютно іншим, і неможливо відновити оригінальні дані за паролем.

Майнери повинні робити наступне: постійно намагатися, поки не знайдуть спеціальне хеш-значення, яке задовольняє умови мережі (наприклад, починається з певної кількості нулів). Оскільки неможливо безпосередньо обчислити це значення, майнери можуть тільки “покладатися на удачу” — змінюючи змінну, що називається випадковим числом (Nonce), знову і знову виконуючи хешування.

Що це означає?

• Знайти правильне значення хешу важко — потрібно провести велику кількість обчислень, що споживає багато електроенергії
• Перевірити це хеш-значення дуже просто — інші учасники мережі просто повинні повторити обчислення, щоб підтвердити, чи збігаються результати.

складність саморегулювання

Мережа автоматично налаштовує складність на основі загальної обчислювальної потужності мережі. Якщо все більше майнерів приєднується, завдання стає складнішим; якщо кількість майнерів зменшується, складність знижується. Це забезпечує створення нового блоку Bitcoin приблизно кожні 10 хвилин — цей час залишається стабільним.

Чарівність економічних стимулів

Майнери вкладають великі ресурси (обладнання, електроенергію, час) у видобуток, що є метою? Нагорода за видобуток. Майнери, які успішно створюють дійсний блок, отримують:

• Нововикопані біткоїни
• Комісія за всі транзакції в блоці

Це створює хитру структуру стимулів: чесний видобуток приносить прибуток, шахрайство витрачає гроші. З точки зору теорії ігор, раціональний шахтар вибере дотримання правил.

Чому ж PoW такий безпечний?

Сила криптографії

Кожна транзакція захищена за допомогою криптографії з відкритим ключем. Коли ви ініціюєте переказ, транзакція підписується вашим приватним ключем. Будь-хто в мережі може перевірити справжність цього підпису за допомогою вашого відкритого ключа, щоб забезпечити:

1. Ця транзакція дійсно походить від вас
2. Ви маєте достатньо коштів для завершення переказу

Будь-який блок, що містить недійсні транзакції, буде автоматично відхилений.

бар'єр вартості атаки

Уявіть, що хтось намагається зруйнувати мережу, здійснивши атаку 51% (контролюючи більше половини обчислювальної потужності для зміни історичних записів). Він потребує:

• Купувати велику кількість висококласних майнінгових машин
• Сплачувати великі рахунки за електроенергію
• Продовжувати вкладати ресурси

А що можна отримати після успіху? Можливо, лише короткостроковий хаос, але збитки будуть значно більшими за вигоди. З економічної точки зору, така атака абсолютно не вигідна для раціональних учасників.

PoW проти PoS: два різні шляхи

Біткойн використовує PoW вже більше 15 років, що доводить його стабільність. Але згодом виникла інша механіка консенсусу — Proof of Stake (PoS).

Основні відмінності:

Найбільш помітною перевагою PoS є низьке споживання енергії. Після переходу Ethereum з PoW на PoS у 2022 році споживання енергії знизилося на 99,95%. Це дійсно допомагає екології.

Але у PoS також є недоліки:

• Час верифікації історії довший — нові вузли потребують більше часу для перевірки всієї історії
• Недостатня перевірка досвіду — хоча такі мережі, як Ethereum, вже працюють на PoS, довгострокову стабільність ще потрібно довести.
• Ефект багатих — чим більше токенів закладено, тим більше прибутку, що може призвести до концентрації багатства.

В порівнянні, хоча PoW виглядає витратним, він безпечно обробив понад трильйон доларів США транзакцій і витримав більше десяти років ринкових випробувань.

Основні переваги PoW

1. Консенсус без довіри — вам не потрібно вірити жодній особі чи установі, просто вірте в математику та криптографію

2. Перевірена безпека —— мережа біткойн ніколи не була успішно зламаною, це найсильніше підтвердження.

3. Прозорість — всі транзакції та правила є відкритими, будь-хто може перевірити

4. Децентралізація — немає єдиного контрольного пункту, влада розподілена серед майнерів по всьому світу.

5. Неможливість зміни —— як тільки угода підтверджена, вартість її зміни зростає експоненційно

Огляд ключових моментів

• Proof of Work є механізмом консенсусу, який запобігає подвійним витратам шляхом обчислення складних завдань
• Майнери повинні вкладати реальні ресурси (електрику, обладнання) для участі, що створює економічні стимули
• Знайти відповідь важко, перевірити відповідь легко, це основний принцип проектування PoW
• PoW довела свою безпеку та стабільність, у сфері криптовалют немає альтернатив, які б мали таку ж тривалу історію успіху.
• PoS є більш енергоефективною альтернативою, але довгострокову ефективність ще потрібно спостерігати.

Останні роздуми

Proof of Work є елегантним рішенням, яке доводить, що без центральної влади можна повністю створити безпечну і надійну систему консенсусу за допомогою ретельно продуманих механізмів заохочення та криптографії. Саме тому, навіть у наш час, коли з'явилися нові механізми, такі як PoS, PoW залишається одним з найміцніших фундаментів у сфері блокчейну.

Незалежно від того, чи хочете ви зрозуміти, як працює біткоїн, чи зрозуміти, чому кажуть, що блокчейн “незмінний”, розуміння PoW є обов'язковим першим кроком.