Доказ роботи (PoW) подібний до реальних сертифікатів, таких як дипломи або посвідчення водія, де підтвердження досягається шляхом іспитів (наприклад, успішного складання відповідних тестів). У криптографічному світі PoW виступає основним моделлю консенсусу для блокчейн мереж, встановлюючи стандарт для вузлів досягнення консенсусу. Ця модель підтверджує транзакції та генерує нові блоки в блокчейні, встановлюючи інцентивну механіку, яка винагороджує вузли, які успішно генерують блоки.

Пропозиція PoW

Академічні дослідження, пов'язані з PoW, почалися на початку 1990-х років. У 1993 році американський вчений-комп'ютерник і професор Гарвардського університету Синтія Дворк запропонувала концепцію PoW для вирішення проблем зі спам-розсилкою. У 1997 році Адам Бек винайшов технологію HashCash, застосувавши механізм PoW для протидії атакам типу «відмова в обслуговуванні» та зловживанню спам-розсилкою. Це вимагало від кожного відправника електронного листа виконати невелику кількість хеш-обчислень, навмисно викликаючи коротку затримку.
Технологія HashCash була пізніше широко використовувалася для фільтрації спаму та реалізована компанією Microsoft у продуктах, таких як Hotmail, Exchange та Outlook. У 2008 році Сатоші Накамото застосував концепцію PoW до консенсусу блокчейну в узагальненій статті "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System", введенням алгоритму консенсусу PoW для системи Bitcoin.

Принцип

Алгоритм консенсусу PoW ґрунтується на хеш-функціях. Для заданого вхідного рядка s хеш-функція H(s) виробляє вихід фіксованої довжини, і обчислення H(s) ефективно. Хеш-функції, які використовуються у блокчейн-системах, таких як Bitcoin та Ethereum, повинні відповідати наступним трьом критеріям:

1. Стійкість до зіткнень: Ймовірно, що два різних входи не вироблять однаковий хеш-вивід.
2. Необоротність: З урахуванням вихідного хешу H(s), зворотнє проектування введення sss повинно бути обчислювально неоскільки неможливим.
3. Непередбачуваність: Окрім методів грубої сили, інший метод не повинен мати змогу створити ввід, який хешується до певного цільового значення.

Як це працює

Алгоритм консенсусу PoW виконує ці кроки:

1. Встановлення рівня складності: Система визначає глобальне значення складності, яке визначає необхідний результат обчислення хешу для наступного блоку. Загалом, значення хешу повинно бути меншим за певний поріг. Із зростанням масштабу мережі рівень складності збільшується, і система періодично коригує складність.
2. Упаковка транзакцій: Вузли збирають кілька повідомлень про транзакції та упаковують їх у тіло нового блоку.
3. Збір заголовка блоку: Вузли збирають заголовок блоку, який зазвичай включає хеш-значення попереднього блоку, хеш-значення транзакцій в новому блоку, поточне значення складності, відмітку часу та випадкове значення nonce.
4. Обчислення хешу: Вузли використовують вказаний алгоритм хешування (наприклад, подвійний SHA-256 в Bitcoin) для обчислення хешу заголовка блоку. Якщо хеш не відповідає вимогам складності, вузли змінюють номер і повторно обчислюють хеш. Вузол, який успішно обчислює хеш, що відповідає вимогам складності, розсилає новий блок по мережі.
   
5. Перевірка та прийняття: Вузли, які отримують трансляцію блоку, перевіряють його валідність (наприклад, подвійним хешуванням блок-заголовка за алгоритмом SHA-256 в Bitcoin). Якщо перевірка пройшла успішно, вони приймають новий блок та додають його до своєї локальної копії розподіленого реєстру.
6. Конкуренція за наступний блок: Вузли починають змагатися за право додати наступний блок.
   У алгоритмі PoW лише вузол, який першим обчислює хеш, що задовольняє вимоги складності, отримує право додавати новий блок до розподіленого реєстру. Інші вузли потім реплікують новий блок для підтримки узгодженості по всьому розподіленому реєстру.

Обмеження

Алгоритм консенсусу PoW ґрунтується на обчислювальній потужності для розподілу права на запис транзакцій. Із зростанням масштабу мереж блокчейн це призводить до значного витрати обчислювальних ресурсів та електроенергії. У 2020 році мережа Bitcoin спожила 134,89 мільярдів кіловат-годин, що еквівалентно щорічному споживанню електроенергії провінції. Висока енергоспоживання є серйозним обмеженням PoW.
Крім того, алгоритм консенсусу PoW, тривалий час обчислення якого призводить до подовжених часів очікування для отримання прав на запис, що подовжує цикли підтвердження транзакцій та зменшує ефективність генерації блоків. Наприклад, Bitcoin генерує блок приблизно кожні 10 хвилин, обмежуючи кількість транзакцій за секунду (TPS) та висвітлюючи обмеження ефективності алгоритму консенсусу PoW.