Доказательство работы (PoW) аналогично реальным сертификатам, таким как дипломы или водительские удостоверения, где подтверждение достигается через экзамен (например, успешное прохождение соответствующих тестов). В криптографическом мире PoW служит основной моделью консенсуса для блокчейн сетей, устанавливая стандарт для узлов достижения согласия. Эта модель подтверждает транзакции и генерирует новые блоки в блокчейне, устанавливая механизм стимулирования, который вознаграждает узлы, успешно генерирующие блоки.

Предложение PoW

Академические исследования, связанные с PoW, начались в начале 1990-х годов. В 1993 году американский ученый в области компьютерных наук и профессор Гарвардского университета Синтия Дворк предложила концепцию PoW для решения проблем спам-писем. В 1997 году Адам Бэк изобрел технологию HashCash, применив механизм PoW для борьбы с атаками отказа в обслуживании и злоупотреблением спам-письмами. Для этого каждому отправителю электронной почты требовалось выполнить небольшое количество вычислений хэша, намеренно вызывая кратковременную задержку.
Технология HashCash позже широко использовалась для фильтрации спама и была реализована компанией Microsoft в продуктах, таких как Hotmail, Exchange и Outlook. В 2008 году Сатоси Накамото применил концепцию PoW к согласованию блокчейна в фундаментальной статье "Биткойн: Система электронных денег для одноранговой сети", представив алгоритм согласования PoW для системы Биткойн.

Принцип

Алгоритм консенсуса PoW основан на хэш-функциях. Для заданной входной строки s хэш-функция H(s) производит выход фиксированной длины, и вычисление H(s) эффективно. Хэш-функции, используемые в блокчейн-системах, таких как Биткойн и Эфириум, должны соответствовать следующим трем критериям:

1. Стойкость к столкновениям: должно быть маловероятно, что два разных входа приведут к одному и тому же выходу хэша.
2. Необратимость: Учитывая выход хэша H(s), обратное проектирование входного sss должно быть вычислительно невозможным.
3. Непредсказуемость: Помимо методов грубой силы, ни один другой метод не должен быть способен создать входные данные, хеширующиеся в определенное целевое значение.

Как это работает

Алгоритм консенсуса PoW следует этим шагам:

1. Установка уровня сложности: Система определяет глобальное значение сложности, которое определяет требуемый результат вычисления хеша для следующего блока. Как правило, значение хеша должно быть меньше определенного порога. По мере масштабирования сети уровень сложности увеличивается, и система периодически корректирует сложность.
2. Упаковка транзакций: Узлы собирают несколько сообщений о транзакциях и упаковывают их в тело нового блока.
3. Сбор заголовка блока: Узлы собирают заголовок блока, который обычно включает в себя хэш-значение предыдущего блока, хэш-значение транзакций в новом блоке, текущее значение сложности, метку времени и случайное значение nonce.
4. Вычисление хэша: Узлы используют указанный алгоритм хеширования (например, двойной SHA-256 в Биткойне) для вычисления хэша заголовка блока. Если хэш не соответствует требованиям сложности, узлы изменяют nonce и пересчитывают хэш. Узел, успешно вычисливший хэш, удовлетворяющий требованиям сложности, транслирует новый блок в сеть.
   
5. Проверка и принятие: Узлы, получающие транслируемый блок, проверяют его допустимость (например, путем двойного хеширования SHA-256 заголовка блока в биткойне). Если проверка прошла успешно, они принимают новый блок и добавляют его к своей локальной копии распределенного реестра.
6. Соревнование за следующий блок: Узлы начинают конкурировать за право добавить следующий блок.
   В алгоритме PoW право добавить новый блок к распределенному реестру получает только узел, который первым вычисляет хэш, соответствующий требованиям сложности. Затем другие узлы реплицируют новый блок для поддержания согласованности по всему распределенному реестру.

Ограничения

Алгоритм консенсуса PoW полагается на вычислительную мощность для выделения права записи транзакций. По мере роста масштабов сетей блокчейн это приводит к значительным потерям вычислительных ресурсов и электроэнергии. В 2020 году сеть биткоина потребляла 134,89 миллиарда киловатт-часов, что эквивалентно годовому потреблению электроэнергии провинции. Это высокое энергопотребление является основным ограничением PoW.
Кроме того, алгоритм консенсуса PoW, требующий длительного времени вычислений, приводит к продолжительному ожиданию получения прав на запись, что увеличивает циклы подтверждения транзакций и снижает эффективность генерации блоков. Например, Bitcoin генерирует блок примерно каждые 10 минут, что ограничивает количество транзакций в секунду (TPS) и подчеркивает ограничения эффективности алгоритма консенсуса PoW.