Czym jest Proof-of-Work (PoW) w prostych słowach?

Czym jest Proof-of-Work?

Proof-of-Work to algorytm osiągania konsensusu w łańcuchu bloków. Jego głównymi uczestnikami są górnicy. Używają oni urządzeń sprzętowych do przetwarzania transakcji użytkowników i dodawania ich do bloków. Te ostatnie są następnie włączane do łańcucha bloków.

Gdy tworzony jest blok transakcji, zawarte w nim informacje są szyfrowane jako zestaw liczb i symboli – hash(przykład). Zadaniem górników jest znalezienie właściwego hasha poprzez obliczenia matematyczne.

Pierwszy górnik, który to zrobi, będzie mógł włączyć blok transakcji do łańcucha bloków i otrzymać nagrodę w kryptowalucie. Następnie wykonywana jest praca, aby wybrać hash dla następnego bloku. Jednocześnie złożoność wydobycia w różnych momentach może zarówno rosnąć, jak i maleć w zależności od liczby górników podłączonych do sieci i mocy ich urządzeń.

Algorytm ten pozwala na wysoki poziom bezpieczeństwa systemu. Za każdym razem górnicy są zobowiązani do wykonywania złożonych obliczeń, konkurując ze sobą. Gwarantuje to, że dane w łańcuchu bloków są poprawne.

Kto opracował algorytm PoW?

Koncepcja Proof-of-Work została opracowana przez programistów Cynthię Dwork i Moni Naor w 1993 roku. W ich artykule Pricing via Processing or Combatting Junk Mail nie było wzmianki o Proof-of-Work, ale o konieczności zdefiniowania skrótu w celu umieszczenia danych w rejestrze (blockchain).

W 1999 roku Marcos Jakobsson i Ari Juels opublikowali kolejną pracę. Opisywał on już w pełni zasadę działania algorytmu i wprowadzał nazwę Proof-of-Work.

Jednak pierwsza implementacja tego pomysłu miała miejsce wcześniej – w 1997 roku. Wówczas programista Adam Black stworzył system Hashcash, który wykorzystywał ten algorytm.

Zalety i wady PoW

Jak każda technologia, Proof-of-Work ma swoje wady i zalety.

Zalety algorytmu PoW to:

• wysoki poziom bezpieczeństwa transakcji;
• każdy może uczestniczyć w blockchainie poprzez podłączenie urządzenia sprzętowego do jego sieci.

Wady Proof-of-Work:

• powolne przetwarzanie transakcji. Konieczność każdorazowego dopasowywania skrótu bloku zmniejsza szybkość działania łańcucha bloków;
• rosnące koszty urządzeń sprzętowych do wydobywania. Ze względu na konkurencję między graczami z branży, a także rosnącą złożoność sieci, górnicy są zmuszeni do kupowania i utrzymywania coraz droższych urządzeń. Z tego powodu niedofinansowani użytkownicy nie są w stanie na tym zarabiać;
• wysokie zużycie energii elektrycznej. W 2021 r. odnotowano, że każdego dnia wydobycie bitcoinów marnuje więcej energii elektrycznej niż zużywa Argentyna.

Największe kryptowaluty na algorytmie PoW

Proof-of-Work to pierwszy algorytm konsensusu. Dlatego też działają na nim głównie starsze blockchainy:

Bitcoin (BTC)

Bitcoin blockchain jest pierwszym udanym zastosowaniem algorytmu Proof-of-Work. Wprowadzony w 2009 roku przez użytkownika lub grupę osób pod pseudonimem Satoshi Nakamoto. Od momentu wprowadzenia na rynek pozostaje kryptowalutą o największej kapitalizacji.

Maksymalna podaż Bitcoina jest ograniczona do 21 milionów monet. W chwili pisania tego tekstu wydobyto około 19,5 miliona BTC, a nagroda za wygenerowanie nowego bloku wynosi 6,25 BTC. Jednak co cztery lata nagroda jest zmniejszana o połowę. Następny halving nastąpi wstępnie w kwietniu 2024 roku.

Bitcoin Cash (BCH)

Blockchain Bitcoin Cash jest forkiem Bitcoina, który powstał w 2017 roku. Stało się tak z powodu nieporozumień w społeczności dotyczących dalszego rozwoju projektu po zniknięciu Satoshi Nakamoto.

Bitcoin Cash ma taką samą maksymalną emisję i nagrody za wydobycie, a także harmonogram halvingu. Główną różnicą jest wyższa prędkość przetwarzania transakcji (116 na sekundę w porównaniu z siedmioma bitcoinami).

Ethereum Classic (ETC)

Ethereum Classic pojawiło się po tym, jak zdecentralizowana autonomiczna organizacja DAO włamała się na blockchain Ethereum w 2016 roku. Aplikacja przyciągnęła 150 milionów dolarów od użytkowników, hakerzy wycofali 70 milionów dolarów z inteligentnych kontraktów. Z tego powodu programiści Ethereum postanowili “cofnąć” blockchain do czasu włamania, aby zwrócić środki użytkowników.

Część społeczności nie zgodziła się z tym, ponieważ naruszało to zasady blockchain. Dlatego też w tym samym 2016 roku sieć Ethereum Classic oddzieliła się od blockchaina.

W chwili pisania tego tekstu Ethereum Classic nadal działa w oparciu o protokół Proof-of-Work, podczas gdy Ethereum zdążyło już przejść na Proof-of-Stake (PoS).

Litecoin (LTC)

Kryptowaluta LTC działa w sieci Litecoin przy użyciu Proof-of-Work. Została ona opracowana w 2011 roku przez byłego pracownika Google, Charliego Lee. Do jej stworzenia wykorzystano zmodyfikowany kod programu Bitcoin.

Główną ideą projektu jest posiadanie blockchaina i kryptowaluty, która przewyższa bitcoina pod każdym względem. Na przykład w szybkości przetwarzania transakcji (56 na sekundę) i niskich kosztach prowizji.

Dogecoin (DOGE)

Kryptowaluta memiczna wymyślona w 2013 r. przez entuzjastów Billy’ego Marcusa i Jacksona Palmera. Do jej stworzenia wykorzystano zmodyfikowany kod blockchain Litecoin. W momencie uruchomienia Dogecoin nie miał celu końcowego. Deweloperzy po prostu pomyśleli, że “fajnie” jest stworzyć kryptowalutę za pomocą mema.

Ale w 2021 r. kryptowaluta stała się wirusowa dzięki wzmiankom o projekcie przez Ilona Muska na X (dawniej Twitter). W tym samym roku, osiem lat po uruchomieniu, zespół opublikował swoją mapę drogową.

Kryptowaluta ma nieograniczoną emisję, przez co jej wartość podlega inflacji.

Przyszłość PoW

Proof-of-Work prawidłowo spełnia swoją funkcję. Algorytm ma jednak problemy ze skalowalnością, a ze względu na zasadę wydobywania, szybkość przetwarzania transakcji jest mocno ograniczona.

Istnieją również obawy dotyczące wysokiego zużycia energii przez górników. Dlatego też na poziomie Unii Europejskiej, a także poszczególnych stanów w Stanach Zjednoczonych, podejmowane są już decyzje mające na celu ograniczenie i kontrolę branży.

Na przykład, zgodnie z odpowiednim prawem w Kazachstanie, górnicy są zobowiązani do przestrzegania określonych kwot i raportowania do organu regulacyjnego.

Z tych powodów, w chwili pisania tego tekstu, nowe blockchainy (Sui, Aptos, Sei) wolą używać Proof-of-Stake (PoS) jako protokołu konsensusu. Ethereum również przejdzie na niego w 2022 roku.

Nie oznacza to jednak, że PoW całkowicie zniknie z rynku. Bitcoin nadal jest główną kryptowalutą. Deweloperzy nie zamierzają przenosić projektu na inny algorytm. Między innymi ze względu na wysoki poziom bezpieczeństwa.

Prawdopodobnie wpływ Proof-of-Work będzie malał z każdym rokiem, ale nadal będzie wykorzystywany przez sieci takie jak Bitcoin, Litecoin i Bitcoin Cash.

Porównanie Proof-of-Work i Proof-of-Stake

Wspomniany wcześniej Proof-of-Stake jest jednym z najpopularniejszych algorytmów konsensusu. Różni się on jednak znacząco od PoW.

Zużycie energii i koszt sprzętu

W Proof-of-Work górnicy nieustannie rywalizują o wybranie hasha, aby otrzymać nagrodę. Zmusza ich to do korzystania z coraz droższego sprzętu i zużywania większej ilości energii, co zwiększa koszty finansowe.

W Proof-of-Stake, walidatorzy otrzymują prawo do dodania bloku transakcji i nagrody poprzez staking. Oznacza to, że są oni zobowiązani do zablokowania określonej ilości kryptowaluty w sieci, aby mieć szansę na wybranie ich do płatnej pracy na blockchainie.

Algorytm wybiera walidatora losowo. Ale im więcej kryptowaluty walidator wnosi do stosu, tym większa jest jego szansa na otrzymanie wynagrodzenia za pracę.

Mechanizm ten eliminuje ciągły wyścig technologiczny i zmniejsza zużycie energii.

Decentralizacja i bezpieczeństwo

Proof-of-Work jest uważany za bezpieczniejszy, ponieważ górnicy są zmuszeni do konkurowania ze sobą. Potencjalnie ma problemy z decentralizacją, ponieważ gracze mogą łączyć się w pule, aby działać razem. Teoretycznie możliwe jest przejęcie kontroli nad blockchainem, jeśli grupa osób posiada 51% zagregowanego hash rate sieci. Prawdopodobieństwo to jest jednak bardzo niskie, ponieważ inni uczestnicy również będą budować potencjał.

Z drugiej strony, Proof-of-Stake oferuje użytkownikom możliwość wpływania na działanie blockchaina poprzez steaking, a nie mining. Teoretycznie niweluje to wady PoW. W rzeczywistości jednak “pakiet kontrolny” tokenów może zostać wykupiony przez dużych inwestorów. Będą oni wówczas w stanie w pełni kontrolować i modyfikować działanie blockchaina. Nie wspominając już o tym, że sami deweloperzy mogą mieć wystarczająco dużo monet, aby kontrolować blockchain. Tak więc PoS wiąże się z bardzo dużym ryzykiem pod względem decentralizacji i bezpieczeństwa.

Szybkość przetwarzania transakcji

Ponieważ Proof-of-Stake nie wymaga kosztownego dopasowywania skrótu bloku transakcji, jest on technicznie zdolny do przetwarzania transakcji szybciej niż Proof-of-Work.

Co to jest Proof-of-Burn (PoB)?

Oprócz Proof-of-Stake i Proof-of-Work istnieją inne algorytmy. Jednym z nich jest Proof-of-Burn.

Jego idea polega na tym, że uczestnicy sieci muszą stale “spalać” kryptowalutę, aby mieć szansę na dodanie bloku transakcji do łańcucha bloków. Spalanie oznacza wysyłanie tokenów na specjalny adres bez możliwości uzyskania do niego dostępu. Transakcja usuwa aktywa z obiegu. Im więcej uczestnik “spala” kryptowalut, tym bardziej prawdopodobne jest, że zostanie wybrany do dodania łańcucha bloków i otrzyma nagrodę.

Koszty prowadzenia łańcucha bloków są znacznie zmniejszone, ponieważ uczestnicy nie zbierają hashy. Ponieważ kryptowaluta jest stale wycofywana z obiegu, wywiera to presję deflacyjną na jej notowania.

Wnioski

Proof-of-Work to algorytm konsensusu, który pozwala blockchainowi działać bezpiecznie dla jego uczestników. Był to pierwszy działający protokół konsensusu i nadal ma najlepszą wydajność w zakresie bezpieczeństwa.

PoW ma jednak wady ze względu na rosnącą popularność kryptowalut. Dlatego dziś jest on używany w starszych blockchainach, a nowe algorytmy go zastępują. Jednym z nich jest Proof-of-Stake, który jest używany w prawie wszystkich nowych blockchainach.

• Proof-of-Work to algorytm osiągania konsensusu w blockchainie. Głównymi uczestnikami Proof-of-Work są górnicy.
• Górnicy używają urządzeń sprzętowych, aby znaleźć unikalny zaszyfrowany zestaw znaków i liczb (hash) w celu umieszczenia bloku transakcji w łańcuchu bloków. Ten, kto zrobi to jako pierwszy, otrzymuje nagrodę w kryptowalucie.
• Proof-of-Work ma wysoki poziom bezpieczeństwa i decentralizacji, ale wymaga stałej konserwacji sprzętu i kosztów energii.