Proof-of-Work в криптовалюте

Proof-of-Work — это механизм консенсуса, который требует затрат вычислительной мощности для генерации нового блока, а взамен обеспечивает вознаграждение в виде монет. Такой подход дает возможность проверять, а также подтверждать транзакции децентрализованно. Proof-of-Work остается востребованным механизмом консенсуса, который используется Bitcoin и другими сетями.

Термин Proof-of-Work переводится как «доказательство выполнения работы». Суть механизма проста: компьютер тратит ресурсы (электричество и вычислительную мощность), чтобы решить сложную задачу. Результат легко проверить всем участникам сети, но процесс поиска ответа занимает некоторое время.

Блокчейны могут функционировать и на других механизмах консенсуса, которые отличаются от Proof-of-Work. Они используют не доказательство работы, а заблокированные в сети монеты (Proof-of-Stake).

Концепция Proof-of-Work возникла еще до появления Bitcoin. В 1993 году Синтия Дворк и Мони Наор разработали эту технологию для защиты электронной почты от массовых спам-рассылок.

В 1997 году британский ученый и программист Адам Бек представил Hashcash — систему, предназначенную для защиты электронных писем. Она была более простой в реализации, чем идея Синтии Дворк и Мони Наора. Позже Сатоши Накамото объединил Proof-of-Work (PoW) с технологией блокчейн, создав первую децентрализованную платежную систему Bitcoin.

Когда участник сети отправляет транзакцию, она попадает в пул неподтвержденных операций. Майнеры собирают транзакции в блок и начинают решать криптографическую задачу. Им необходимо вычислить значение хеша — уникальной строки символов. Она должна соответствовать определенным условиям, заданным сетью. Процесс выглядит так:

Когда правильный хеш найден, майнер рассылает блок всем участникам сети. Они проверяют решения и добавляют блок в свою копию блокчейна. Вознаграждение майнера складывается из новых монет и комиссий за переводы.

Proof-of-Stake (PoS) — это альтернативный механизм консенсуса, в котором блоки генерируют держатели монет. Вычислительные ресурсы для этого алгоритма не требуются. Существуют и другие различия между PoS и PoW.

Несмотря на доказанную надежность, Proof-of-Work в блокчейне имеет потенциальные уязвимости. Основные риски безопасности включают в себя:

Сложность определяет, сколько требуется приложить усилий для поиска подходящего решения. Сеть корректирует этот параметр самостоятельно, чтобы время создания одного блока оставалось стабильным при любом количестве подключенного оборудования.

В сети Bitcoin пересчет происходит каждые 2016 блоков, по времени это случается примерно раз в 2 недели. Целевой интервал генерации составляет 10 минут, но фактически этот показатель может отличаться в большую или меньшую сторону.

Для механизма Proof-of-Work в криптовалюте существует несколько алгоритмов хеширования, созданных под разные типы оборудования. Они отличаются требованиями к вычислительной мощности, памяти и энергопотреблению.

Алгоритм Scrypt устойчив к специализированным чипам (ASIC), что позволяет майнить монеты на обычных видеокартах. Scrypt требует использования оперативной памяти, а не только процессора. Он активно применяется в сетях Litecoin и Dogecoin.

SHA-256 — криптографическая хеш-функция, которую использует Bitcoin. Это один из самых надежных и изученных алгоритмов, разработанный Агентством национальной безопасности США.

Алгоритм выдает 256-битный хеш и отличается высокой скоростью вычислений. Под него создаются самые мощные ASIC, поскольку видеокартам слишком сложно справляться с такой нагрузкой.

RandomX — алгоритм, оптимизированный под центральные процессоры (CPU). Он затрудняет создание экономически выгодных ASIC и призван сократить их преимущество перед универсальными CPU.

Алгоритм разработан с расчетом того, чтобы использовать его могли люди с обычными ПК. На RandomX майнится криптовалюта Monero.

Primecoin использует вычислительную работу майнеров в научных целях. Вместо перебора значений ведется поиск простых чисел (цепочек Каннингема и би-твинов). Результаты в дальнейшем используются для математических исследований.

Алгоритм и одноименная монета были созданы в качестве эксперимента в 2013 году. Некоторое время XPM входила в топ-10 лучших криптовалют, но сейчас Primecoin отсутствует на крупных биржах.

Equihash — алгоритм с высокими требованиями к объему оперативной памяти, разработанный для противодействия монополизации майнинга ASIC-устройствами. Используется в криптовалюте Zcash.

Особенность Equihash заключается в том, что для поиска решений нужно параллельно выполнять вычисления и хранить большой объем данных в памяти. Со временем ASIC для этого алгоритма все же были созданы, поэтому сегодня майнинг на GPU неэффективен.

X11 — это алгоритм, разработанный для криптовалюты Dash в 2014 году. Он использует 11 различных функций хеширования. X11 обеспечивает высокий уровень безопасности.

Proof-of-Work и майнинг связаны напрямую: пользователь предоставляет вычислительные ресурсы для поиска нового блока. Взамен ему выдается финансовое вознаграждение.

Вероятность найти блок зависит от доли хешрейта конкретного майнера в общей мощности сети. Поэтому одно устройство имеет минимальные шансы на создание правильного решения.

Для устранения этой проблемы используются майнинг-пулы: EMCD, ViaBTC, Trustpool и другие. Они объединяют мощности большого количества участников и распределяют вознаграждения согласно внутренним правилам.

Несмотря на экологичность Proof-of-Stake, многие известные криптовалюты продолжают работать на PoW. В их число входят:

Главное предназначение PoW — создание платежных систем, устойчивых к цензуре. Механизм также находит применение в сфере кибербезопасности, защищая сервисы от спама и некорректных запросов.

Поскольку требования к экологии растут, индустрия Proof-of-Work постепенно переходит на возобновляемые источники энергии. К ним относятся гидро-, ветро-, геотермальные и солнечные электростанции, а также установки, использующие биомассу и биогаз.

Перспективы PoW заключаются в улучшении энергоэффективности оборудования и интеграции решений второго уровня (Lightning Network). Скорость обработки транзакций сможет значительно увеличиться без снижения безопасности сети.

Основное преимущество PoW — экономический барьер, который препятствует взлому. За время работы сети Bitcoin не было зафиксировано ни одной успешной атаки хакеров, из-за которой пострадали участники сети. Однако в программном обеспечении ранее были найдены критические уязвимости.

Больше информации о добыче криптовалют, правилах работы блокчейна и торговле криптовалютой доступно на Crypto.ru