Система, поддерживающая безопасность практичного блокчейн: суть доказательства работы

Доказательство работы решает основные проблемы

В цифровом мире обмен деньгами сопровождается проблемами, которые не существуют для физических банкнот. Это проблема двойных расходов. Цифровые данные легко копируются, что создает риск многократного использования одной и той же единицы. Механизм, разработанный для устранения этого риска, называется Доказательство работы (PoW).

В 2008 году в белой книге Bitcoin, опубликованной Сатоши Накамото, широко было признано Доказательство работы, однако на самом деле истоки этой идеи восходят к более раннему времени. HashCash, разработанный Адамом Бэком, является примером раннего алгоритма PoW, который ввел концепцию вычислительных затрат как меры против спама. Принуждая отправителей к незначительным вычислениям, он создавал высокие затраты для массовых отправителей и облегчал бремя для законных отправителей, используя асимметричность.

Построение структуры доверия в децентрализованных сетях

Если сделки происходят с небольшим количеством участников, то простое ведение бухгалтерии будет достаточно, поскольку участники могут доверять друг другу. Однако, когда сеть становится крупной, доверять всем становится невозможно. Здесь важную роль играет механизм консенсуса.

В таких криптоактивах, как Биткойн, для защиты блокчейн-сети используется Доказательство работы. Этот механизм позволяет всем участникам сети формировать согласие о правильности данных транзакций без центрального управляющего. Комбинация теории игр и технологий шифрования обеспечила среду, в которой каждый может обновлять систему в соответствии с правилами.

Доказательство работы: принцип работы

В блокчейне транзакции добавляются не по одной, а группами в виде блоков. Транзакции, уведомленные в сети, интегрируются в кандидатные блоки майнерами (ответственными за создание блоков). Транзакция считается действительной только в момент, когда этот кандидатный блок проходит проверку и включается в блокчейн.

Процесс майнинга и решения сложных задач

Роль майнера заключается в проверке и агрегировании неподтвержденных транзакций, организации их в блоки и обработке данных блока с помощью криптографической хеш-функции. В процессе хеширования генерируется хеш-значение, соответствующее уникальному «отпечатку» введенных данных.

Важно отметить, что найти действительное значение хеша сложно, в то время как проверить его действительность легко — это асимметрия. Майнеру необходимо многократно пытаться до тех пор, пока он не найдет значение хеша, которое соответствует определенным условиям. Даже небольшое изменение в данных блока приводит к совершенно другому значению хеша, что делает практически невозможным предсказать правильный ответ.

Для решения этой проблемы майнеры используют переменное значение, называемое нанс (Number Used Once). Изменяя нанс и многократно выполняя хеширование, задача заключается в том, чтобы найти хеш, соответствующий условиям, что и является сутью майнинга.

Когда обнаруживается действующий хэш, майнер получает право опубликовать этот блок в сети. Затем другие участники сети проверяют самостоятельно, действительно ли предложенное значение хэша является действительным. Если они выполнят одинаковые вычисления, используя ту же хэш-функцию, проверка будет завершена быстро.

Структура стимулов и механизмы предотвращения мошенничества

Сильная сторона Доказательства работы заключается в инсентивном дизайне, который вознаграждает законные действия и налагает значительные издержки на мошенничество. Награда за блок состоит из вновь выпускаемых криптоактивов и комиссий за транзакции. У майнеров возникает мотивация искать рентабельность, что приводит к добросовестному поведению с учетом прибыльности.

С другой стороны, если будет предложен блок, содержащий недостоверные данные, подлинность подписи будет проверена с помощью технологий открытого ключа. Каждая транзакция подписывается закрытым ключом, и участники сети могут использовать открытый ключ для проверки этой подписи. В то же время также будут обнаружены мошеннические транзакции, пытающиеся переместить сумму, которой отправитель на самом деле не владеет. Блоки, содержащие недействительные транзакции, автоматически отклоняются, и на злонамеренные действия тратятся огромные средства на майнинг, но вознаграждение не получает.

Сетевая безопасность и регулировка сложности

Чем выше хэшрейт сети (вычислительная способность), тем выше сложность нахождения действительного хэш-значения. Это механизм, позволяющий поддерживать постоянную скорость генерации блоков. Поскольку требуется значительная вычислительная мощность и ресурсы, это представляет собой значительное бремя для майнеров. Однако одновременно именно эта высокая сложность является источником безопасности сети.

Сравнение Доказательства работы и Доказательства доли

В мире криптоактивов существует несколько алгоритмов консенсуса помимо Доказательства работы. Среди них наибольшее внимание привлекает Proof of Stake (PoS).

Основные характеристики PoS

В Proof of Stake роль майнера заменяется валидатором. В PoS отсутствует конкурентный процесс майнинга, связанный с хеш-значениями. Вместо этого пользователи выбираются случайным образом, и выбранные пользователи предлагают (строят) блоки.

Чтобы стать кандидатом, необходимо провести стейкинг, заблокировав определенное количество нативных токенов на блокчейне. Эта сумма стейкинга выполняет роль залога и может быть конфискована, если валидатор совершит мошенничество. Это позволяет поддерживать стимулы для правильного поведения.

Проблемы проверки экологической эффективности и безопасности

Основное преимущество PoS заключается в его энергоэффективности. Он требует значительно меньше потребления энергии по сравнению с PoW, так как не нуждается в крупных майнинг-фермах. В этом отношении PoS имеет преимущество с точки зрения заботы об окружающей среде.

Однако с точки зрения результатов ситуация иная. Доказательство работы Bitcoin является единственным алгоритмом консенсуса, который выдержал более 10 лет практической проверки, за это время безопасно обработав транзакции на триллионные суммы долларов. Для определения того, соответствует ли безопасность PoS безопасности PoW, необходимы долгосрочные эмпирические тесты.

Итог: Наследие и значение Доказательства работы

Доказательство работы является первым решением, которое решает проблему двойного расходования, и его надежность и безопасность были подтверждены. Появление Bitcoin доказало, что можно предотвратить многократное использование одних и тех же средств без участия централизованных управляющих структур.

Участники децентрализованной сети смогли достичь согласия по состоянию финансовой базы данных, сочетая такие элементы, как криптографические технологии, хэш-функции и теорию игр. Механизм Доказательство работы является не просто техническим решением, а инновационным изобретением, которое открывает путь к созданию финансовой системы, не требующей доверия.