Практичний блокчейнのセキュリティを支える仕組み：Доказ роботиの本質

Доказ роботи, що вирішує основну проблему

У цифровому світі грошових операцій існують проблеми, які не існують для фізичних банкнот. Це проблема подвійних витрат. Оскільки цифрові дані легко копіюються, існує ризик, що одна й та ж одиниця буде використана кілька разів. Механізм, розроблений для усунення цього ризику, - це Доказ роботи (PoW).

У 2008 році в білому папері Bitcoin, широко визнаному Сатоші Накамото, було представлено Доказ роботи, однак насправді коріння цієї ідеї сягає раніше. HashCash, розроблений Адамом Беком, є прикладом раннього алгоритму PoW, який впровадив концепцію обчислювальних витрат для боротьби зі спамом. Вимагаючи від відправника невеликих обчислень, він створював високі витрати для масових відправників і легке навантаження для законних відправників, використовуючи асиметрію.

Побудова структури довіри у розподіленій мережі

Якщо угоди проводяться невеликою групою, учасники можуть довіряти один одному, тому простий облік буде достатнім. Однак, коли мережа розширюється, довіряти всім стає неможливо. Тут важливу роль відіграє механізм консенсусу.

У таких криптоактивах, як Bitcoin, для захисту мережі блокчейн використовується Доказ роботи. Цей механізм дозволяє всім учасникам мережі формувати консенсус щодо дійсності даних транзакцій без центрального адміністратора. Завдяки поєднанню ігорної теорії та криптографічних технологій було створено середовище, в якому кожен може оновлювати систему, дотримуючись правил.

Доказ роботи: принцип роботи

У блокчейні транзакції не записуються поодинці, а додаються блоками, що містять кілька транзакцій. Транзакції, про які було повідомлено мережі, включаються до кандидатного блоку майнерами (особами, відповідальними за створення блоків). Тільки після того, як цей кандидатний блок пройде перевірку та буде включено до блокчейну, транзакція вважається дійсною.

Процес майнінгу та вирішення складних задач

Роль майнера полягає в перевірці та агрегуванні непідтверджених транзакцій, організації їх у блоки та обробці блокових даних за допомогою криптографічних хеш-функцій. У цьому процесі хешування генерується хеш-значення, яке відповідає унікальному «відбитку пальця» для введених даних.

Тут важливо зазначити, що існує асиметрія, при якій знайти дійсне значення хешу важко, а ось перевірити його дійсність легко. Майнеру потрібно багаторазово намагатися до тих пір, поки він не знайде хеш, що відповідає певним умовам. Навіть незначні зміни в даних блоку призводять до абсолютно іншого виходу хешу, тому передбачити правильний результат практично неможливо.

Для вирішення цієї проблеми майнери використовують змінне число, яке називається нанс (Number Used Once). Змінюючи нанс і багаторазово виконуючи хешування, знаходження хешу, що відповідає умовам, є сутністю майнінгу.

Коли буде виявлено дійсний хеш, майнер отримує право оголосити цей блок у мережі. Після цього інші учасники мережі перевіряють, чи дійсно запропоноване значення хешу є дійсним. Якщо виконати однакові обчислення, використовуючи ту ж хеш-функцію, перевірка буде швидко завершена.

Структура стимулів та механізм запобігання шахрайству

Сильний аспект Доказ роботи полягає в інсентивному дизайні, який нагороджує за належну поведінку та накладає великі витрати за неправомірні дії. Блокова винагорода складається з нових криптоактивів, що випускаються, та комісій за транзакції. Майнери отримують мотивацію шукати рентабельність інвестицій, що веде до добросовісної поведінки з урахуванням прибутковості.

З іншого боку, якщо буде запропоновано блок, що містить неправомірні дані, то автентичність підпису буде перевірено за допомогою технології відкритих ключів. Кожна транзакція підписується за допомогою приватного ключа, і учасники мережі можуть перевірити цей підпис, використовуючи відкритий ключ. Одночасно виявляються шахрайські транзакції, які намагаються перемістити суми, яких відправник фактично не має. Блоки, що містять неправомірні транзакції, автоматично відхиляються, а на злісні дії витрачаються величезні витрати на майнінг, без отримання винагороди.

Безпека мережі та коригування складності

Чим вищий хеш-рейт мережі (обчислювальна потужність), тим вищою є складність знаходження дійсного хеш-значення. Це механізм, що дозволяє підтримувати постійну швидкість генерації блоків. Оскільки для цього потрібна велика обчислювальна потужність і ресурси, це є значним тягарем для майнерів. Однак одночасно ця висока складність є джерелом безпеки мережі.

Доказ роботи та доказ ставку: порівняння

У світі криптоактивів існують кілька алгоритмів консенсусу, крім Доказ роботи. Серед них найбільшу увагу привертає Proof of Stake (PoS).

Основні характеристики PoS

У Доказі частки роль майнера замінюється валідатором. У PoS немає змагального процесу майнінгу за хеш-значеннями. Натомість, користувачі вибираються випадковим чином, і обраний користувач пропонує (будує) блок.

Щоб бути обраним, необхідно провести стейкінг певної кількості нативних токенів на блокчейні. Ця кількість стейкінгу виконує роль гарантійного внеску, і в разі неправомірних дій валідатора вона буде конфіскована. Це підтримує стимул для правомірної поведінки.

Виклики верифікації екологічної ефективності та безпеки

Основною перевагою PoS є його енергетична ефективність. Оскільки не вимагає великих майнінгових фермерських установ, споживання електроенергії значно менше в порівнянні з PoW. У цьому відношенні PoS має перевагу з точки зору екологічних міркувань.

Однак з точки зору досягнень ситуація інша. Пулювання робіт Bitcoin є єдиним алгоритмом консенсусу, який витримав більше 10 років практичної перевірки, і за цей час обробив транзакції на трильйони доларів безпечно. Для визначення того, чи відповідає безпека PoS безпеці PoW, необхідні тривалі емпіричні випробування.

Підсумок: Спадщина та значення Доказу роботи

Доказ роботи є першим рішенням, яке вирішило проблему подвійних витрат, і його надійність та безпека доведені. Поява Bitcoin довела, що можна запобігти повторному використанню одних і тих же коштів без проходження через централізовані управлінські органи.

Учасники децентралізованої мережі змогли досягти консенсусу щодо стану фінансової бази даних, поєднуючи такі елементи, як криптографічні технології, хеш-функції та теорія ігор. Механізм Доказ роботи є не просто технічним рішенням, а інноваційним винаходом, який проклав шлях до реалізації фінансової системи, що не потребує довіри.