Proof of Work a proof of Stake (VŠETKO, ČO VIEME)

Proof of Work a proof of Stake (VŠETKO, ČO VIEME) – OBSAH:

1. Bitcoin ako sieť
2. Bitcoin ako databáza
3. Algoritmy konsenzu
4. Proof of Work
5. Hash funkcia
6. Hashcash – protokol Bitcoin
7. Ťažba Bitcoinu
8. Proof of Stake
9. PoS vs PoW
10. Ďalšie známe algoritmy
11. Záver

Bitcoin ako sieť

Najskôr si priblížime, ako vyzerá decentralizovaná kryptomenová sieť. Nebudem vás ale trápiť pojmami ako ad hoc sieť alebo mesh topológia. Kľúčová vec, ktorú je potrebné chápať, spočíva práve v slove decentralizovaná.

Bitcoin je v prvom rade sieť. Sieť, v ktorej sú si uzly rovné a neexistuje žiadny centrálny uzol, ktorý by spravoval jej prevádzku. Tieto uzly samozrejme bežia na protokole Bitcoinu, vďaka čomu spolu komunikujú podľa určitých pravidiel. Odoslanie transakcie prebieha formou broadcastu. Transakcia sa teda odošle do celej siete a postupne ju zachytia všetky uzly. Tieto transakcie sa následne ukladajú vo forme blokov do blockchainu.

Bitcoin ako databáza

Na účely tohto článku si môžeme blockchain definovať ako decentralizovanú databázu, respektíve účtovnú knihu, v prípade Bitcoinu a kryptomien. Každý z uzlov v uvedenej decentralizovanej sieti uchováva celý blockchain. Každý uzol pozná všetky transakcie, ktoré v Bitcoine prebehli. Takáto decentralizovaná databáza prináša mnohé výhody, ale aj problémy. Najmä je veľmi drahá a ťažkopádna.

Absencia centrálnej autority však prináša problém spočívajúci v otázke komu teda môžu uzly dôverovať. Na základe čoho môžu do svojej databázy pridať uskutočnenú transakciu, ak neexistuje žiadna autorita, ktorá by ju potvrdila. Ako dosiahnuť konsenzus obrovského množstva počítačov v trustless sieti, ak navyše pracujeme s niečím tak dôležitým, ako sú finančné prostriedky?

Algoritmy konsenzu

Odpoveďou na tento problém sú algoritmy konsenzu. Ich úlohou je zabezpečiť, aby sa uzly v decentralizovanej sieti zhodli bez potreby centrálnej autority. Zároveň zabezpečujú, že údaje sú retrospektívne nemeniteľné. Poskytujú sieti neoklamateľný matematický dôkaz, na základe ktorého sa uzly zhodnú na vykonanie akcie – napríklad zápisu nových transakcií v podobe bloku do blockchainu. S konceptmi snažiacimi sa o decentralizovaný konsenzus sa po vzniku Bitcoinu roztrhlo vrece. V tomto článku sa bližšie pozrieme na dva najviac skloňované, no zmieňujeme aj ďalšie.

Proof of Work

Zo samotného názvu Proof of Work je zrejmé, že poskytuje dôkaz na základe vykonanej práce. V prípade Bitcoinu nehovoríme o ľudskej práci, ale o výpočtovom výkone. Ten je potrebný na vytvorenie dôkazu, ktorý uzly siete akceptujú. Pointa spočíva v tom, že takýto dôkaz je veľmi náročné vytvoriť, ale veľmi ľahké overiť. V Bitcoine sa tento dôkaz vytvára na základe výpočtu hashovacej funkcie.            

Hash funkcia

Než si slovo hash skúsite vyhľadať a nájdete kopu kanabinoidných drog, dovoľte mi ho vysvetliť. Hash funkcia je matematická funkcia, ktorá prevedie ľubovoľné vstupné dáta na číslo o fixnej dĺžke. Tento hash predstavuje niečo ako odtlačok vstupných dát. Pritom platí, že aj nepatrná zmena vstupných dát spôsobí veľkú zmenu na výstupe. Rovnaké vstupné údaje teda vždy poskytnú totožný výstup. Vďaka tomuto môžeme overovať pravosť údajov, s čím môžete prísť do kontaktu napríklad pri sťahovaní softvéru.

V informatike sú hash funkcie široko využívané. Jedno z dôležitých využití si našli práve v kryptografii. Tu je využívaná ich jednosmernosť. Dôležitá vlastnosť hashovacích funkcií, ktorých podstata tkvie v tom, že z hash je prakticky nemožné rekonštruovať pôvodný obsah vstupných údajov. Na túto vlastnosť sa spolieha mnoho systémov napríklad pri ukladaní hesiel. Vaše heslo nie je v databáze systému, do ktorého sa prihlasujete, uložené ako obyčajný text. Je uložený iba jeho odtlačok, ktorý sa jednoducho overí po zadaní hesla. Proof of Work, ktorý využíva Bitcoin, stojí práve na vlastnostiach kryptografických hashovacích funkcií.  

Hashcash

Bitcoin využíva pre svoj Proof of Work systém algoritmus Hashcash. Už z jeho názvu je jasné, že je tento Proof of Work založený na hashovacej funkcii. Originálny algoritmus Hashcash používal funkciu SHA-1. Bitcoin nasadil vo svojej dobe novší štandard SHA-256. Využíva dokonca dve iterácie SHA-256 (SHA-256^2), čím je ochránený aj pred mnohými útokmi možnými v budúcnosti.

Neprelomiteľnosť kryptografického hashu Bitcoinu je nádherne vysvetlená v tomto videu:

Ťažba Bitcoinu

Vysvetlili sme si, že Proof of Work funkcia v Bitcoine je založená na hashovacích funkciách. Aká práca sa však vykonáva? Poďme sa pozrieť, ako do toho celého zapadá ťažba. Ťažiar predstavuje uzol v sieti, ktorý na základe vykonanej práce vytvára nový blok v blockchaine. V každom takomto bloku sa nachádza:

• Verzia – číslo verzie softvéru Bitcoinu,
• Hash predchádzajúceho bloku – hash hlavičky predošlého bloku (SHA-256^2),
• Merkle Root – hash všetkých transakcií zahrnutých v bloku,
• Timestamp – časová pečať, kedy bol blok vytvorený,
• Target – obtiažnosť, hash hlavičky bloku musí byť menší alebo rovný targetu,
• Nonce – premenná, ktorá sa získava ťažbou.

Práca, ktorú prevádzkovateľ ťažby vykonáva, spočíva v snahe nájsť preddefinovaný hash na základe daných vstupov. To znamená, že sa snaží ísť v protismere jednosmernej funkcie. Podľa aktuálnej náročnosti ťažby je definované, ako má vyzerať hash nového bloku. Táto náročnosť sa však mení aj na základe hashratu, výkonu celej siete. Prispôsobuje sa tak, aby sa priemerný čas ťažby blokov držal na 10 minútach.

Ťažiar jednoducho vezme vstupy, ktoré sme si vyššie popísali, pridáva nonce a posiela ich do hash funkcie Bitcoinu. Ak sa trafí a hash bloku spĺňa požiadavky v sieti, je akceptovaný ostatnými uzlami a zapíše sa do blockchainu. A prečo to celé robí? Pretože za takýto vyťažený blok dostáva ťažiar odmenu v podobe novo uvoľnených Bitcoinov. Táto odmena v čase písania článku predstavuje 12,5 BTC. Odmena však podlieha halvingu. Každých 210 000 blokov sa zníži na polovicu, a uvoľňovanie nových Bitcoinov sa tak spomaľuje.

Proof of Work Bitcoin je teda založený na hľadaní hashu, ktorý vyžaduje obrovský výpočtový výkon. V sieti je tým však zaistená neprekonateľná bezpečnosť.

Proof of Stake

Najčastejšie využívanou alternatívou k Proof of Work je mechanizmus Proof of Stake. Funguje na odlišnom koncepte bez potreby ťažiarov. Tí sú nahradení validátormi, ktorí uzamknú množstvo svojich Coinov, a získajú tak právo overovať transakcie. Za toto overovanie dostávajú transakčné poplatky. Tie fungujú aj v prípade Bitcoinu a Proof of Work systému, nie sú ale primárnym zdrojom príjmu ťažiarov.

Validátorom sa stanete odoslaním špeciálnej transakcie, ktorou zamknete svoje prostriedky ako depozit. Proces vytvárania nových blokov potom funguje mechanizmom, ktorého sa môžu zúčastniť všetci validátori. Validátor, ktorý vytvorí nový blok, je vybraný pseudonáhodne. Šanca byť vybraný sa lineárne zvyšuje s množstvom uzamknutých peňazí. Ak validátor validuje nesprávne transakcie, o peniaze v depozite príde. Ako dôkaz svojej schopnosti pomôcť so zabezpečením siete tu teda namiesto energie investujete samotnú digitálnu menu.

Okrem toho rozlišujeme aj rôzne ďalšie variácie Proof of Stake. PoS založený na Byzantine Fault Tolerance, kde sú validátori náhodne vybraní, aby navrhli bloky. Samotný súhlas, či navrhnuté bloky považovať za kánonické, je uskutočnený voľbami, kde každý validátor posiela hlas pre špecifický blok. Ďalej delegovaný Proof of Stake, ktorý sa snaží byť demokratickejší využívaním reputačného systému. V ňom svoje peniaze niekomu posuniete a hlasuje za vás, podobne ako pri voľbe politikov.

PoS vs PoW

Každý z algoritmov má svoje výhody a nevýhody, ponúka rôzne uplatnenie. PoW často čelia kritike za svoju neefektivitu a neekologickosť. Pálenie elektriny na dosiahnutie konsenzu je podľa zástancov PoS mechanizmu zbytočné. Ekologickosť PoW je diskutabilná téma, tento fundamentálny rozdiel „pálenia elektriny“ však v samotnom koncepte mení veľa.

V PoS koncepte zamykáte menu digitálneho systému do samotného digitálneho systému, aby ste tento digitálny systém validovali. PoW vyžaduje prácu, teda vonkajší prvok. Vďaka tejto previazanosti je útok na sieť náročnejší. PoW je však náchylný na iné typy útokov, napríklad 51 % útok. PoS, na druhú stranu, neposkytuje nemeniteľnosť ako PoW.

Spätná nemeniteľnosť je jednou z najdôležitejších výhod blockchainu. Vďaka náväznosti blokov nie je možné zmeniť údaje niekoľko blokov dozadu, pretože by to zmenilo celý reťazec blokov nasledujúcich. Zásadný rozdiel je v tom, že ak chcete meniť minulé záznamy v Chain s PoW, bude vás to niečo stáť. Aj keby ste ovládali 100 % ťažobných strojov v sieti, stále musíte ťažiť, aby prepísali minulosť. To si vyžaduje ohromnú a nenávratnú investíciu. Ak však súhlasia všetci aktéri v PoS systéme, môžu prepísať minulosť bez nákladov.

Podstatné, na čo nesmieme zabúdať, je škála využitia PoW a PoS. PoW je najrozšírenejším a najúspešnejším algoritmom konsenzu a žiadny PoS systém sa na takú škálu nedostal. Preto môžeme povedať, že nemáme dosť vedomostí, aby sme posúdili jeho skutočné možnosti. Výskum v tejto oblasti je obrovský, rýchlo sa posúva vpred a sú v ňom veľké investície. PoS, ktorý sa využíva dnes, je iný, ako ten pred dvoma rokmi. Je ale rozdiel medzi výskumami a skutočnou prevádzkou siete s miliardami dolárov, ktorú sa ľudia snažia napadnúť každý deň. Kým sa nepodarilo to druhé, kým neprevádzkujeme sieť, ktorá je každodenne pod útokom, s miliardami dolárov, nedokážeme povedať, ako veľmi je bezpečná.

Iné nástroje pre konsenzus

Mechanizmy pre konsenzus za posledné roky vznikali stále rýchlejšie a rýchlejšie. S adopciou kryptomien vzniklo mnoho rôznych algoritmov, ktoré riešia rôzne problémy. Niektoré sa od PoW a PoS líšia len nadrobno, iné pracujú s úplne odlišnými konceptmi.

Proof of Activity

Kým sa viedla diskusia PoW vs. PoS, tvorca Litecoinu spolu s tromi ďalšími autormi prišli s niečím novým. Pokúsili sa PoW a PoS skombinovať. Tento hybrid sa nazýva Proof of Activity a snaží sa priniesť to najlepšie z oboch svetov. V PoA funguje ťažba podobne ako v prípade PoW. Ťažiari ale nevytvárajú nový blok, len jeho predlohu. Ďalej sa systém chová ako PoS. Vyberie sa náhodný stakeholder, ktorý validuje bloky.

Kritici však oprávnene tvrdia, že takýto hybrid prináša aj problémy oboch konceptov.

Proof of Burn

Tento nástoj je veľmi zaujímavý. Používa sa tak, že používateľ pošle Coiny na adresu, ku ktorej neexistuje privátny kľúč. Sú teda neutratiteľné, a môžeme povedať, že ich tak spálil. Využíva sa v špeciálnych prípadoch ako súčasť iných konceptov a na zabezpečenie stability. Napríklad tento projekt druhej vrstvy na Bitcoine využil pálenie BTC na svojm štart.

Napriek tomu, takto spálené Coiny sú navždy stratené. Kritikou teda je, že peniaze mohli radšej putovať na charitu.

Proof of Capacity

PoC je vo svojej podstate podobný PoW. Namiesto samotného výpočtového výkonu tu však prevádzkovateľ ťažby poskytuje svoju pamäť. V nej sa pracuje s údajmi a vypočítava nonce podobne ako u PoW. Je však o dosť viac energeticky efektívny. Na druhú stranu, vytvára veľkú redundanciu kvôli nevyužitej pamäti, je lepšie zneužiteľný hackermi a kvôli nízkej cene úložného priestoru v dnešnej dobe nemusí byť ani veľmi bezpečný.

Proof of Location

PoL je fascinujúci koncept snažiaci sa poskytnúť decentralizované a slobodné určovanie polohy. Systém funguje na uzloch, ktoré predstavujú signálne body na určovanie polohy, schopné uzamknúť peniaze a vyhľadať ďalšie veže v okolí. Štyri takéto uzly vytvoria zónu, v ktorej sú schopné triangulovať polohu používateľov. Používateľ v tejto zóne odošle požiadavku a poplatok uzlom, ktoré vypočítajú jeho polohu a zapíšu ju do blockchainu. Používateľ tak dostane bezpečný dôkaz svojej polohy. Na rozdiel od GPS a štandardného určovania polohy by tento mechanizmus mohol priniesť prvý skutočne decentralizovaný systém.

Proof of Elapsed Time

Dôkaz na základe uplynulého času je využívaný najmä v blockchainoch, ktoré vyžadujú povolenie na pridanie do siete. S týmto konceptom prišiel Intel a ako dôkaz sa poskytuje čas strávený v systéme. Je zameraný na vyššiu efektivitu. Vďaka svojmu charakteru umožňuje účasť prakticky komukoľvek.

Proof of Crime

Na záver pridám jednu špecialitu. Proof of Crime je kryptoanarchistický koncept, ktorý má vytvárať dôveru medzi viacerými stranami alebo slúžiť ako overenie od systému. Zakladá sa na tom, že používateľ musí spáchať zločin. Dokáže tým svoj záujem participovať, a v temných zákutiach internetu je tak považovaný za dôveryhodného. Tento zločin však nemusí byť z reálneho sveta. Stačí, keď sa pri odosielaní transakcie vygeneruje kúsok nelegálneho softvéru, a zločin je spáchaný.

Záver

So súčasným spektrom mechanizmov pre konsenzus je nemožné povedať, ktorý si zaslúži uprednostniť. Ako fanúšik kompromisov si dokážem predstaviť rôzne kombinácie. Lightning Network bežiaci na Bitcoine, v ktorom zamykáte svoje peniaze do kanálov a validuje transakcie prechádzajúce vaším uzlom, za čo dostávate poplatok – to znie takmer ako PoS. Samotný Bitcoin pritom ale využíva PoW.

Z pohľadu ťažiarov je však situácia iná. Ak máte kvalitný hardvér, oplatí sa ísť do Proof of Work Coin využívajúcich napríklad Scrypt, Blake-256, CryptoNight, HEFTY1, Quark, SHA-3 alebo scrypt-jane. Ak chcete mať pohodlnejší život ťažiara, stačí kryptomeny uzamknúť v nejakom PoS systéme a zarábať len prevádzkou servera. 

Algoritmy konsenzu zabezpečujú splnenie cieľa slobodnej kryptomeny – decentralizácie bez autority. Aj v tejto oblasti sa ekosystém rýchlo posúva vpred. Pre obyčajného minera je stále ťažšie ťažiť majoritné kryptomeny, ale s dobrým výberom a kvalitným hardvérom môže byť ťažba profitabilnejšia než v minulosti.