Изображение
Proof-of-Work

Зачем Биткоину алгоритм Proof-of-Work

В XXI веке мы стали свидетелями революции денег – появления принципиально новой децентрализованной денежной системы и нового типа негосударственных денег – Биткоина. Но не все знают, как он работает.
21 сентября 2022

Намеки на Биткоин можно увидеть в трудах представителей австрийской экономической школы и либертарианского идеализма. Впрочем, его появление связывают с движением криптоанархистов, в частности, Адама Бека, Вея Дая, Ника Сабо и Тима Мэя. Они выступали против государственного вмешательства в экономику и стремились обеспечить конфиденциальность и финансовую независимость людей посредством технологических инноваций.

Что такое централизованные и децентрализованные деньги

Все мы привыкли к идее государственной монополии на денежную эмиссию – праве центрального банка страны выпускать деньги. Но так ли было всегда?

Хотя деньги существуют более 5000 лет, централизованными они стали лишь в XVII веке, когда в континентальной Европе начался активный процесс укрепления институтов государственной власти, отстаивавших интересы национальных экономик (на самом деле своих господствующих групп или влиятельных кланов). Таким образом, правительства получали финансовую поддержку для реализации различных проектов, в том числе для ведения войны.

Централизованная денежная система, построенная на идее государственного регулирования экономики посредством контроля процентных ставок и денежной массы, оказалась неспособной в предотвращении финансовых кризисов, и хотя международные проекты по реформированию денежных систем, в частности предлагаемые Международным валютным фондом и Банком международных расчетов, пытались повысить финансовую стабильность в мире они оказались несостоятельными перед этим вызовом.

Децентрализованная денежная система, основанная на блокчейне, устойчивой к цензуре и свободной от монополии одного субъекта системе. Эта система оказалась способна обеспечить общество такими деньгами, которые без участия центрального банка как эмиссионного центра и надзорного органа (регулятора) могут передавать правдивую информацию о ценах на товары и услуги.
 
В 2008 году, когда мир охватил финансовый кризис, был опубликован White Paper, документ, автором которого указан человек по имени Сатоши Накамото. Он провозгласил создание Биткоина – глобальной сети, основанной на использовании программного обеспечения с открытым исходным кодом, не имеющей единого централизованного владельца или организации, которая бы им управляла.

Биткоин полностью полагается на криптографию, экономические принципы и теорию игр. Он запрограммирован таким образом, что в мире будет выпущено чуть менее 21 миллиона биткоинов, а график выпуска новых BTC фиксирован. Сразу после запуска Биткоина, вознаграждение составляло 50 BTC за блок, и этот график уменьшается вдвое каждые 210 000 блоков (примерно раз в четыре года). Этот процесс называется халвинг. В настоящее время вознаграждение составляет 6,25 BTC за блок после последнего халвинга в 2020 году. Таким образом, уровень инфляции снизится до нуля примерно в 2140 году. Тогда же закончится и процесс добычи биткоинов.

При фиксированном общем объеме предложение биткоина фактически является дефляционным, поскольку пользователи неизбежно теряют доступ к некоторым биткоинам со временем. Эта дефляционная политика соответствует австрийской теории капитала, и устанавливает биткоин как «твердые деньги» (hard money) в противоположность «мягким деньгам» (soft money) государства.

Как работает блокчейн Биткоина

3 января 2009 года был сгенерирован генезис-блок Биткоина, а 12 января того же года осуществлена ​​первая биткоин-транзакция.

Как известно, биткоины создаются в ходе вычислительного процесса, который называется «майнинг». Для того чтобы получить новый блок, майнеры решают сложную криптографическую задачу, результат решения которой отправляется в систему, которая в свою очередь сверяет это решение с шаблоном проверки, обеспечивая проверку целостности (неизменности) данных.

Сатоши Накамото предложил проводить проверку данных по транзакциям в сети Биткоина путем интеграции алгоритма консенсуса Proof-of-Work (доказательство работы). Кстати, система доказательства работы впервые была применена Адамом Бэком в 1997 году для борьбы со спамом в электронной почте и называлась Hashcash.

Идея заключалась в том, чтобы внедрить метод сжигания электроэнергии доказательным способом. Используемая электроэнергия не производит ничего непосредственно ценного, кроме доказательства того, что определенное количество электроэнергии было потреблено тем или иным узлом.

Как узлы сети достигают согласия или консенсуса

В любом блокчейне передаются два основных типа сообщений – транзакции и блоки (списки транзакций). Транзакции формируются самими участниками системы и чтобы их инициировать достаточно знать правильный ключ. Но это не касается блоков. Они являются основным продуктом алгоритма консенсуса и определяют, в каком порядке транзакции будут включены в журнал транзакций.

Актуальный журнал транзакций определяется как цепочка блоков с наибольшей суммарной сложностью доказательств работы.

Блоки создаются особой категорией узлов сети блокчейна – так называемыми узлами консенсуса. В сети Биткоина эти узлы называют майнерами, поскольку они вознаграждаются за свою работу (майнинг) генерацией новых порций биткоинов. Майнеры активно участвуют в формировании блокчейна – постоянно группируют входящие транзакции в блоки и подписывают их (распространяют их в сети).

Процесс добычи блоков открыт для любого. Участники сети случайны и могут свободно подключаться или отключаться от сети. При этом блокчейн, как децентрализованная система, имеет определенные свойства: устойчивость к цензуре (никто не может запретить майнить криптовалюту) и объективность (для определения текущей версии журнала транзакций не требуется доверие к определенным авторитетным источникам – корень доверия содержится в самом блокчейне).

Консенсус Proof-of-Work решает главную проблему распространения фейковых узлов, известную как «атака Сивиллы» реальной вычислительной мощностью, которую нельзя подделать и не требующей никакой дополнительной аутентификации. Доказательство нельзя подделать и перенести на другие блоки. Следовательно, майнеры не могут воровать доказательства друг у друга. Кроме того, доказательства нельзя заготовить впрок – в каждый блок входит ссылка на предыдущий, поэтому начать работать над доказательством можно только после появления предыдущего блока в сети.

Доказательства работы обеспечивают честность – награда каждого майнера пропорциональна его вычислительной мощности (хешрейту). Если у майнера есть 10% хешрейта от всей сети, то он будет в среднем создавать 10% блоков и получать 10% награды.

Поскольку на создание доказательства уходят реальные ресурсы, у майнеров возникает совершенно новый стимул действовать в рамках протокола – нечестное поведение немедленно лишает их реальных денег.

Как уже было сказано, Proof-of-Work обеспечивает два ключевых преимущества Биткоина – устойчивость к цензуре (никто не может навязать свою версию блокчейна для других пользователей) и объективность (доказательства работы быстро проверяются и не требуют для проверки ничего кроме блокчейную). Кроме этого, благодаря консенсусу блокчейн устойчив к атаке 51% – ситуации, когда среди майнеров появится злонамеренное большинство, которое будет игнорировать блоки от остальных майнеров, чтобы забрать себе всю награду в сети.

Может ли быть альтернатива Proof-of-Work

Консенсус Proof-of-Work обладает свойством, которое многими воспринимается как недостаток – для обеспечения безопасности необходимо тратить большое количество электроэнергии, поскольку требуются доказательства работы. Вычисления, выполняемые в рамках этого консенсуса – архитектурная особенность Биткоина. Поэтому может показаться, что ресурсы тратятся впустую (если не считать, что они тратятся на безопасность). Для выполнения требований Proof-of-Work необходимы мощные компьютеры и интенсивные вычисления. Чтобы максимально повысить энергоэффективность этого процесса, майнеры используют специализированное оборудование – ASIC.

Пытаясь решить проблемы, связанные с большим потреблением электроэнергии блокчейном Биткоина, некоторые альтернативные криптовалюты используют алгоритмы консенсуса, не требующие доказательств работы. Наиболее популярным среди таких алгоритмов является алгоритм, основанный на доказательствах доли (Proof-of-Stake, PoS).

Основная идея PoS состоит в том, что участники сети делают ставку на свои цифровые активы. Вместо того чтобы через майнинг блоков указывать, какие блоки действительны, пользователи должны проголосовать за них в сети и подписать свой голос цифровой подписью.

Любой может стать валидатором, положив определенную сумму криптовалюты на специальный эскроу-счет. Эти депонированные деньги являются ставкой, которая снижается, если валидатор ведет себя неправильно. Узлы проверяют соответствие подписей на новых блоках открытыми ключами, предоставленными валидаторами, когда они передают свои ставки в эскроу.

Каждый раз, когда сети нужен новый блок, алгоритм предпочитает не тот блок, на майнинг которого было потрачено больше ресурсов, а блок, набравший наибольшее количество голосов.

Если предположить, что все валидаторы честны, сеть быстро придет к консенсусу относительно действительных транзакций и, соответственно, относительно того, какие транзакции являются недействительными двойными тратами. Однако если злоумышленник создает альтернативный взгляд на историю транзакций, механизм консенсуса Proof-of-Stake окажется неэффективным.
 
Proof-of-Stake предложили для устранения энергетических затрат сети Proof-of-Work. И хотя консенсус исключает требования к аппаратному обеспечению и потреблению энергии, это не дает ему преимуществ по сравнению с Proof-of-Work.

Поскольку контроль над сетью определяется исключительно капиталом, Proof-of-Stake оказывается уязвимым к централизации. Владельцы большого количества токенов влияют на правила работы сети, что приводит к централизации средств, размещенных на бирже, и руках кастодианов, которые хранят средства пользователей.

Вывод

Хотя большое энергопотребление называют недостатком Биткоина, ни одна криптовалюта, фиатная валюта или даже товарные деньги не могут сравниться с надежностью, безопасностью и неизменяемостью его блокчейна, что чаще всего важнее скорости. Ни одна криптовалюта, которая пыталась повторить Биткоин и устранить его энергетические потребности, не обеспечила достаточной безопасности и децентрализации именно потому, что система Proof-of-Work превращает энергию в безопасность.