Что такое Proof of Work (PoW). Примеры сетей

Proof of Work (PoW) – это способ, с помощью которого блокчейн подтверждает транзакции и добавляет новые блоки. Участники сети, которых называют майнерами, соревнуются: кто первым выполнит трудную вычислительную задачу, тот предлагает следующий блок и получает вознаграждение (новые монеты плюс комиссии с включенных транзакций). Идея PoW впервые реализована в Биткоине и остается фундаментом ряда сетей, поскольку позволяет участникам приходить к одному и тому же состоянию цепочки без доверия к центральной стороне.

Коротко о задаче консенсуса

В блокчейне нет центра, который говорит, какие переводы считать настоящими. Узлы получают данные в разное время и могут видеть разный порядок событий.

Консенсус – это набор правил и алгоритмов, по которым узлы блокчейна приходят к единому, непротиворечивому состоянию данных: какие транзакции действительны и какой блок следующий. Его задача – обеспечить одинаковый результат у тысяч независимых участников без доверия к центру. 

Proof of Work решает эту задачу: следующий блок может добавить тот, кто первым проделал заметную вычислительную работу. Это стоит электричества и времени, зато легко проверяется остальными.

Пример. Вы платите другому пользователю 1 монету, почти одновременно кто-то еще совершает ту же операцию в 1 монету. Два узла собирают разные варианты следующего блока и рассылают их по сети. Часть узлов сначала видит вариант с вашим переводом, а часть – с переводом второго человека. Механизм консенсуса задает понятное правило выбора общей истории (например, по тому, какой вариант подтвердился сильнее по правилам сети). Через короткое время все узлы принимают одну и ту же версию, а второй вариант отклоняется.

Работает это по следующим правилам:

1. По сети распространяются неподтвержденные транзакции.
2. Майнеры собирают их в следующий блок и многократно пробуют разные варианты входных данных, пока результат не удовлетворит правилу сложности сети. Проверить найденное решение легко - достаточно один раз посчитать хеш.
3. Как только решение найдено, блок публикуется. Другие узлы быстро проверяют, что правило выполнено, и принимают блок в цепочку.

Как PoW обеспечивает надежность сети

Правило добавления блока. В PoW право добавить следующий блок получает тот, кто первым проделал заметную вычислительную работу. Это требует электричества и времени, зато всем остальным проверить результат просто: узел делает быструю проверку и видит, что блок соответствует правилу.

Ровный темп работы сети. Сложность задачи автоматически подстраивается так, чтобы блоки появлялись примерно равномерно. Если участников стало больше и решения находятся быстрее, сложность повышается; если меньше – понижается. Благодаря этому у пользователей предсказуемые ожидания по подтверждениям.

Стабильность истории. После публикации блока остальные участники быстро убеждаются, что он корректный, и продолжают строить цепочку дальше. Чем больше новых блоков сверху, тем устойчивее становится запись: изменить уже учтенный перевод задним числом практически нереалистично, потому что для этого потребовалось бы выполнить больше работы, чем вся остальная сеть за то же время.

Если появляются два варианта сразу. Иногда два участника почти одновременно публикуют разные следующие блоки. Это временная ситуация: сеть продолжает работать, и через короткое время всем становится видно, какая ветка продвинулась дальше по общему правилу. Эта ветка и считается основной, другая автоматически отходит в сторону.

Что это значит для пользователя. Подтверждения идут по единым правилам, проверка выполняется быстро, а уже подтвержденные переводы становятся все надежнее по мере роста числа следующих блоков. Система держится не на доверии к какому-то центру, а на понятной процедуре, требующей реальных затрат для добавления записей и тем самым стабилизирующей общую историю.

Ключевые понятия

• Хеш-функция – одностороннее преобразование данных в строку фиксированной длины. Даже малейшее изменение входных данных полностью меняет результат. В PoW задача – найти подходящий хеш.
• Сложность - показатель того, насколько редким должен быть правильный хеш. Чем выше суммарный хешрейт сети, тем выше сложность и тем больше средних попыток требуется для нахождения блока.
• Nonce (номер-одноразник) – число, которое майнер перебирает в составе данных блока, чтобы получить нужный хеш.
• Кандидатный блок - заготовка блока с транзакциями, который станет частью цепочки, когда найдено корректное решение и блок принят сетью.

Плюсы и ограничения PoW

Среди сильных сторон можно выделить:

• Долговременная проверенная модель безопасности и простая проверка валидности блоков всеми узлами.
• Высокая устойчивость к цензуре при достаточной децентрализации майнинга.

Ограничения:

• Значительное энергопотребление из-за постоянного хеширования. Это ограничение стало главным мотиватором для ряда проектов переходить на альтернативные механизмы, например PoS; так, в Эфириуме после перехода в сентябре 2022 энергопотребление снизилось ориентировочно на 99.95%.
• Склонность к специализации оборудования (ASIC) при алгоритмах, которые легко ускоряются железом; часть сетей выбирает алгоритмы, менее выгодные для специализированных устройств, чтобы сохранить доступность майнинга.

Примеры сетей на PoW и их особенности

• Bitcoin (BTC) – классическая реализация PoW на алгоритме SHA-256. Устанавливает темп выпуска новых монет, комиссии и правила сложностей, служит эталоном для всей категории PoW-сетей.
• Litecoin (LTC) – применяет Scrypt в качестве PoW. Этот алгоритм изначально выбирался для большей памяти, что исторически делало его менее удобным для ASIC по сравнению с SHA-256.
• Dogecoin (DOGE) – также использует Scrypt и с 2014 поддерживает совместный майнинг с Litecoin: один и тот же труд майнера может засчитываться в обеих сетях. Это повышает безопасность Dogecoin за счет общей базы майнеров.
• Monero (XMR) – применяет RandomX, CPU-ориентированный PoW, который замедляет специализацию под ASIC и сохраняет доступность майнинга для обычных процессоров.

Где уместен PoW

PoW логичен там, где приоритет – максимально простая и устойчивая модель безопасности, опирающаяся на реальные затраты.

• Денежный базовый слой. Когда важны предсказуемость, сопротивляемость цензуре и проверяемость каждым участником, PoW дает понятные правила: блок появился - значит, на него была потрачена вычислительная работа.
• Длительное хранение стоимости и крупные расчеты. Для переводов, где на первом месте надежность и проверяемость истории, а не высокая пропускная способность.
• Среды с прозрачной стоимостью энергии. Когда можно прогнозировать операционные издержки (электроэнергия, оборудование), проще планировать безопасность сети.
• Сценарии, где приемлема специализация оборудования. Если участие через специализированные устройства не воспринимается как проблема децентрализации, PoW остается удобным.

Менее уместен PoW там, где требуется высокая пропускная способность в базовом слое и чувствительность к энергопотреблению критична, либо где сообщество хочет вовлекать как можно больше участников без покупки оборудования.

Сравнение с PoS 

В PoW безопасность опирается на энергозатраты и вычислительную работу, а скорость и пропускная способность ограничены физикой майнинга. В PoS валидаторы подтверждают блоки, ставя на кон собственные монеты, что резко снижает энергопотребление и меняет экономику атак и стимулов. Что такое PoS мы рассмотрели в другой статье.

Вывод

PoW – это понятный и надежный способ согласовать состояние блокчейна: много попыток – одно проверяемое решение – новый блок. Он обеспечивает высокий уровень безопасности за счет реальных затрат, но требует значительных ресурсов. В продолжении цикла мы рассмотрим PoS, чтобы показать, где каждый из механизмов лучше справляется со своей задачей.