Введение

Система, регулирующая формирование блоков в блокчейне.

Доказательство работы (PoW) — это форма криптографического доказательства, в которой одна сторона (доказывающий) демонстрирует другим сторонам (верификаторам), что было затрачено определенное количество конкретных вычислительных ресурсов. Верификаторы впоследствии могут подтвердить эти затраты с минимальными усилиями. Концепция была изобретена Мони Наором и Синтией Дворк в 1993 году как способ предотвращения атак типа «отказ в обслуживании» и других злоупотреблений сервисом, таких как спам в сети, путем требования выполнения определенной работы от запрашивающего сервис, обычно подразумевающего время обработки компьютером. Термин «доказательство работы» впервые был введен и формализован в 1999 году Маркусом Якобссоном и Ари Джуэльсом. В 2004 году Хэл Финни адаптировал эту концепцию для цифровых токенов, используя идею «повторно используемого доказательства работы» с применением 160-битного безопасного хеш-алгоритма 1 (SHA 1). Позже доказательство работы стало популярным благодаря Bitcoin как основа для достижения консенсуса в децентрализованной сети без разрешений, где майнеры соревнуются за добавление блоков и добычу новой валюты, при этом вероятность успеха каждого майнера пропорциональна затраченным вычислительным ресурсам. PoW и PoS (доказательство доли участия) остаются двумя наиболее известными механизмами защиты от атак Сибил. В контексте криптовалют они являются наиболее распространенными механизмами. Ключевой особенностью схем доказательства работы является их асимметрия: выполнение работы – вычислений – должно быть умеренно сложным (но выполнимым) для доказывающего или запрашивающего, но легким для проверки верификатором или поставщиком услуг. Эта идея также известна как функция стоимости процессора, клиентская головоломка, вычислительная головоломка или функция ценообразования процессора. Другой общей особенностью является встроенная система стимулов, которая вознаграждает выделение вычислительных мощностей сети ценностью в виде криптовалюты. Цель алгоритмов доказательства работы заключается не в доказательстве выполнения определенной работы или «решения» вычислительной головоломки, а в предотвращении манипулирования данными путем установления высоких требований к энергопотреблению и аппаратному обеспечению для осуществления таких манипуляций.

Доказательство полезной работы (PoUW)

На конференции IACR Crypto 2022 исследователи представили статью, описывающую Ofelimos — блокчейн-протокол с механизмом консенсуса, основанным на "доказательстве полезной работы" (PoUW). Вместо того, чтобы майнеры потребляли энергию, решая сложные, но по сути бесполезные задачи для подтверждения транзакций, Ofelimos достигает консенсуса, одновременно предоставляя децентрализованный решатель оптимизационных задач. Протокол построен на основе Doubly Parallel Local Search (DPLS) — локального алгоритма поиска, используемого в качестве компонента PoUW. В статье приводится пример реализации варианта WalkSAT, локального алгоритма поиска для решения булевых проблем.

Доказательство работы типа биткойнов

В 2009 году сеть Биткойн была запущена. Биткойн – это цифровая валюта, использующая доказательство работы (proof of work), которая, как и RPoW Финни, также основана на Hashcash PoW. Однако в Биткойне защита от двойной траты обеспечивается децентрализованным P2P-протоколом для отслеживания транзакций, а не аппаратной функцией доверенных вычислений, используемой в RPoW. Биткойн обладает большей надежностью благодаря защите, основанной на вычислительных мощностях. Биткойны "добываются" отдельными майнерами с использованием функции доказательства работы Hashcash и проверяются децентрализованными узлами в P2P-сети Биткойн. Сложность периодически регулируется для поддержания времени создания блока на уровне целевого значения.

Потребление энергии

С момента создания Биткойна, механизм доказательства работы (Proof-of-Work) стал основным для одноранговых (peer-to-peer) криптовалют. Исследования оценили общее энергопотребление майнинга криптовалют. Механизм PoW требует огромных вычислительных мощностей, потребляющих значительное количество электроэнергии. По оценкам Кембриджского университета за 2018 год, энергопотребление Биткойна сопоставимо с энергопотреблением Швейцарии.

ASIC и майнинг-пулы

В сообществе Биткоина существуют группы, работающие совместно в майнинговых пулах. Некоторые майнеры используют специализированные интегральные схемы (ASIC) для алгоритма Proof-of-Work (PoW). Эта тенденция к объединению в пулы и использованию специализированных ASIC сделала майнинг некоторых криптовалют экономически нецелесообразным для большинства участников без доступа к новейшим ASIC, расположенным поблизости источникам дешевой электроэнергии или другим особым преимуществам. Некоторые алгоритмы PoW заявляют об устойчивости к ASIC, то есть об ограничении преимущества в эффективности, которое ASIC может получить по сравнению со стандартным оборудованием, таким как GPU, до значений, значительно меньших, чем в десять раз. Устойчивость к ASIC имеет то преимущество, что позволяет осуществлять майнинг экономически выгодно на стандартном оборудовании, но также увеличивает риск того, что злоумышленник сможет на короткий срок арендовать доступ к большому объему неспециализированной вычислительной мощности для осуществления атаки 51% на криптовалюту.

Опасения по поводу окружающей среды

Эти майнеры соревнуются в решении криптографических задач на блокчейне Биткоина, и их решения должны быть одобрены всеми узлами и достичь консенсуса. Затем эти решения используются для подтверждения транзакций, добавления блоков и генерации новых биткоинов. Майнеры получают вознаграждение за решение этих задач и успешное добавление новых блоков. Однако процесс майнинга в стиле Биткоина очень энергозатратен, поскольку механизм доказательства работы (Proof-of-Work) устроен как лотерея. Вычислительная работа, лежащая в его основе, не имеет иного применения, кроме как обеспечение безопасности сети, предоставляющей открытый доступ и функционирующей в условиях противодействия. Майнерам требуется значительное количество энергии для добавления нового блока, содержащего транзакции, в блокчейн. Именно эта затрачиваемая энергия и обеспечивает Биткоину его уровень безопасности и устойчивость к атакам. Кроме того, майнерам необходимо инвестировать в компьютерное оборудование, требующее больших площадей и представляющее собой существенные фиксированные затраты. В январе 2022 года вице-председатель Европейского управления по ценным бумагам и рынкам (ESMA) Эрик Тедеен призвал ЕС запретить модель Proof-of-Work в пользу модели Proof-of-Stake из-за её меньших энергозатрат. В ноябре 2022 года штат Нью-Йорк ввел двухлетний мораторий на майнинг криптовалют, не использующих возобновляемые источники энергии в качестве основного источника питания. Действующие майнинговые компании смогут продолжать свою деятельность без использования возобновляемой энергии, но им не будет разрешено расширяться или продлевать разрешения с штатом. Новым майнинговым компаниям, не использующим исключительно возобновляемые источники энергии, также будет запрещено начинать майнинг.