Навіщо Біткоїну алгоритм Proof-of-Work

Натяки на Біткоїн можна побачити в працях представників австрійської економічної школи та лібертаріанського ідеалізму. Втім його появу пов’язують із рухом криптоанархістів, зокрема, Адама Бека, Вея Дая, Ніка Сабо та Тіма Мея. Вони виступали проти державного втручання в економіку та прагнули забезпечити конфіденційність та фінансову незалежність людей за допомогою технологічних інновацій.

Що таке централізовані та децентралізовані гроші

Усі ми звикли до ідеї державної монополії на грошову емісію – праві центрального банку держави випускати гроші. Та чи було так завжди?

Хоча гроші існують уже понад 5000 років, централізованими вони стали лише у XVII сторіччі, коли у континентальній Європі розпочався активний процес зміцнення інститутів державної влади, що відстоювали інтереси національних економік (насправді своїх панівних груп чи впливових кланів). У такий спосіб уряди отримували фінансову підтримку для реалізації різних проєктів, у тому числі для ведення війни.

Централізована грошова система, побудована на ідеї державного регулювання економіки за допомогою контролю відсоткових ставок та грошової маси, виявилася нездатною у запобіганні фінансовим кризам, і, хоча міжнародні проєкти з реформування грошових систем, зокрема пропоновані Міжнародним валютним фондом та Банком міжнародних розрахунків, намагалися підвищити фінансову стабільність у світі, вони виявилися неспроможними перед цим викликом.

Натомість децентралізована грошова система, заснована на блокчейні, стійкої до цензури та вільної від монополії одного суб'єкта системі. Ця система виявилася здатною забезпечити суспільство такими грошима, які без участі центрального банку як емісійного центру та наглядового органу (регулятору) можуть передавати правдиву інформацію про ціни на товари та послуги.

У 2008 році, коли світ охопила фінансова криза, було опубліковано White Paper, документ, автором якого зазначено людину на ім’я Сатоші Накамото. Він проголосив створення Біткоїна – глобальної мережі, заснованої на використанні програмного забезпечення з відкритим вихідним кодом, яка не мала єдиного централізованого власника чи організації, яка б ним управляла.

Біткоїн повністю покладається на криптографію, економічні принципи та теорію ігор. Він запрограмований таким чином, що у світі буде випущено трохи менш як 21 мільйона біткоїнів, а графік випуску нових BTC є фіксованим. Одразу після запуску Біткоїна, винагорода становила 50 BTC за блок, і цей графік зменшується вдвічі кожні 210 000 блоків (приблизно раз на чотири роки). Цей процес має назву халвінг. На цей час винагорода становить 6,25 BTC за блок після останнього халвінгу у 2020 році. Таким чином, рівень інфляції знизиться до нуля приблизно 2140 року. Тоді ж закінчиться і процес видобутку біткоїнів.

При фіксованому загальному обсязі пропозиція біткоїна фактично є дефляційною, оскільки користувачі неминуче втрачають доступ до деяких біткоїнів з часом. Ця дефляційна політика відповідає австрійській теорії капіталу, і встановлює біткоїн як «тверді гроші» (hard money) на противагу «м'яким грошам» (soft money) держави.

Як працює блокчейн Біткоїна

3 січня 2009 року було згенеровано генезис-блок Біткоїна, а 12 січня того ж року здійснено першу біткоїн-транзакцію.

Як відомо, біткоїни створюються в ході обчислювального процесу, який має назву «майнінг». Для того, щоб добути новий блок, майнери вирішують складне криптографічне завдання, результат рішення якого відправляється в систему, яка звіряє це рішення із шаблоном перевірки, забезпечуючи перевірку цілісності (незмінності) даних.

Сатоші Накамото запропонував здійснювати перевірку даних щодо транзакцій в мережі Біткоїна шляхом інтеграції алгоритму консенсусу Proof-of-Work (доказ роботи). До речі, система доказу роботи вперше була застосована Адамом Беком в 1997 для боротьби зі спамом в електронній пошті та мала назву Hashcash.

Ідея полягала в тому, щоб впровадити метод спалювання електроенергії доказовим способом. Електроенергія, що використовується, не виробляє нічого безпосередньо цінного, крім доказу того, що певна кількість електроенергії була спожита тим чи іншим вузлом.

Яким чином вузли мережі досягають згоди чи консенсусу

У будь-якому блокчейні передаються два основних типи повідомлень – транзакції та блоки (списки транзакцій). Транзакції формуються самими учасниками системи та для того, щоб їх ініціювати достатньо знати правильний ключ. Але це не стосується блоків. Вони є основним продуктом алгоритму консенсусу та визначають, в якому порядку транзакції будуть включені до журналу транзакцій.

Актуальний журнал транзакцій визначається як ланцюжок блоків із найбільшою сумарною складністю доказів роботи.

Блоки створюються особливою категорією вузлів мережі блокчейну - так званими вузлами консенсусу. У мережі Біткоїна ці вузли називають майнерами, оскільки вони винагороджуються за свою роботу (майнінг) генерацією нових порцій біткоїнів. Майнери беруть активну участь у формуванні блокчейну – постійно групують вхідні транзакції в блоки та підписують їх (поширюють їх у мережі).

Процес видобутку блоків є відкритим для будь-кого. Учасники мережі є випадковими та можуть вільно підключатися або відключатися від мережі. При цьому блокчейн, як децентралізована система, має певні властивості: стійкість до цензури (ніхто не може заборонити майнити криптовалюту) та об'єктивність (для визначення поточної версії журналу транзакцій не потрібна довіра до певних авторитетних джерел – корінь довіри міситься в самому блокчейні).

Консенсус Proof-of-Work розв’язує головну проблему поширення фейкових вузлів, відому як «атака Сивілли» реальною обчислювальною потужністю, яку не можна підробити, і яка не вимагає ніякої додаткової аутентифікації. Доказ не можна підробити та «перенести» на інші блоки. Отже, майнери неспроможні красти докази один в одного. Крім того, докази не можна заготовити про запас – у кожен блок входить посилання на попередній, тому почати працювати над доказом можна лише після появи попереднього блоку в мережі.

Докази роботи забезпечують чесність – нагорода кожного майнера пропорційна його обчислювальній потужності (хешрейту). Якщо майнер має 10% хешрейту від усієї мережі, то він буде в середньому створювати 10% блоків і отримувати 10% нагороди.

Оскільки на створення доказу витрачаються реальні ресурси, у майнерів виникає зовсім новий стимул діяти в рамках протоколу – нечесна поведінка негайно позбавляє їх реальних грошей.

Як уже було сказано, Proof-of-Work забезпечує дві ключові переваги Біткоїна – стійкість до цензури (ніхто не може нав’язати свою версію блокчейну для інших користувачів) та об'єктивність (докази роботи швидко перевіряються та не вимагають для перевірки нічого, окрім блокчейну). Крім цього, завдяки консенсусу блокчейн є стійким до атаки 51% – ситуації, якщо серед майнерів з'явиться зловмисна більшість, яка буде ігнорувати блоки від решти майнерів, щоб забрати собі всю нагороду в мережі.

Чи може бути альтернатива Proof-of-Work

Консенсус Proof-of-Work має властивість, яка багатьма сприймається як недолік – для забезпечення безпеки необхідно витрачати велику кількість електроенергії, оскільки потрібні докази роботи. Обчислення, які виконуються в рамках цього консенсусу – архітектурна особливість Біткоїна. Тому може здатися, що ресурси витрачаються марно (якщо не вважати, що вони витрачаються на безпеку). Для виконання вимог Proof-of-Work необхідні потужні комп'ютери та інтенсивні обчислення. Щоб максимально підвищити енергоефективність цього процесу, майнери використовують спеціалізоване обладнання – ASIC.

Намагаючись розв’язати проблеми, пов’язані з великим споживанням електроенергії блокчейном Біткоїна, деякі альтернативні криптовалюти використовують алгоритми консенсусу, які не вимагають доказів роботи. Найпопулярнішим серед таких алгоритмів є алгоритм, що ґрунтується на доказах частки (Proof-of-Stake, PoS).

Основна ідея PoS полягає в тому, що учасники мережі роблять ставку на свої цифрові активи. Замість того, щоб через майнінг блоків вказувати, які блоки є дійсними, користувачі мають проголосувати за них у мережі та підписати свій голос цифровим підписом.

Будь-хто може стати валідатором, поклавши певну суму криптовалюти на спеціальний ескроу-рахунок. Ці депоновані гроші є «ставкою», яка знижується, якщо валідатор поводиться неправильно. Вузли перевіряють відповідність підписів на нових блоках відкритими ключами, наданими валідаторами, коли вони передають свої ставки до ескроу.

Щоразу, коли мережі потрібен новий блок, алгоритм надає перевагу не тому блоку, на майнінг якого було витрачено найбільше ресурсів, а блоку, який набрав найбільшу кількість голосів.

Якщо припустити, що всі валідатори є чесними, мережа швидко прийде до консенсусу щодо дійсних транзакцій і, відповідно, щодо того, які транзакції є недійсними тобто подвійними тратами. Однак, якщо зловмисник створює альтернативний погляд на історію транзакцій, механізм консенсусу Proof-of-Stake виявиться неефективним.

Proof-of-Stake було запропоновано для усунення енергетичних витрат мережі Proof-of-Work. І, хоча, консенсус виключає вимоги до апаратного забезпечення та споживання енергії, це не надає йому переваг у порівнянні з Proof-of-Work.

Оскільки контроль над мережею визначається виключно капіталом, Proof-of-Stake виявляється уразливим до централізації. Власники великої кількості токенів впливають на правила роботи мережі, що призводить до централізації коштів, розміщених на біржі, та в руках кастодіанів, які зберігають кошти користувачів.

Висновок

Хоча велике енергоспоживання називають недоліком Біткоїна, жодна криптовалюта, фіатна валюта або навіть товарні гроші не можуть зрівнятися з надійністю, безпекою та незмінністю його блокчейну, що найчастіше є важливішим за швидкість. Жодна криптовалюта, яка намагалася повторити Біткоїн та усунути його енергетичні потреби, не забезпечила достатньої безпеки та децентралізації саме тому, що система Proof-of-Work перетворює енергію в безпеку.