Алгоритм PoW (Proof of Work): особенности работы, разновидности монет, майнинг

Основные особенности алгоритма PoW

Алгоритм обработки блоков Proof of Work состоит в механизме установления истинности транзакций за счёт выполнения установленного количества сложных математических операций в течение заранее рассчитанного периода времени. Новые блоки в существующей цепочке добавляются после установления истинности каждой операции, таким образом система защищается от несанкционированного доступа. Скорость обработки каждого блока зависит от мощности майнингового оборудования, а также уровня загрузки текущего пула (группы пользователей, объединяющих свои мощности).

Добыча криптовалют по алгоритму PoW требует установки производительного оборудования, на текущем этапе развития рынка рентабельно покупать специализированные ASIC-платы, созданные исключительно для майнинга. Владельцы эффективных плат могут майнить валюту самостоятельно, но большинство пользователей объединяется в пулы, чтобы снизить расходы на покупку и увеличить эффективность добычи.

Показатель сложности добычи криптовалюты рассчитывается каждый раз индивидуально, зависит от уровня нагрузки сети, характеристик оборудования. Приблизительные показатели можно оценить с помощью калькуляторов ликвидности устройств. Общий уровень дохода от майнинга зависит от динамики курсов криптовалют, поэтому рекомендуется покупать универсальные платы, подходящие для добычи сразу нескольких видов монет.

Добыча малоизвестных видов «цифрового золота» — наиболее рискованный и доходный путь для начинающих майнеров. Такие активы мало известны на рынке, количество пулов ограничено, поэтому сложность минимальна. С другой стороны, добытые монеты могут резко обесцениться, и пользователь потеряет вложения. Оптимальный вариант — распределять мощности между известными и новыми активами, следить за динамикой рынка и отзывах о каждом проекте на тематических форумах.

История появления и развития алгоритма PoW

Proof of Work – старейший из алгоритмов, используемых в блокчейн, первоначально применялся для добычи BTC. Первые упоминания о концепции относятся к 1993 году, когда программисты искали методы борьбы со спам-рассылками. Примерами выступали вычисления квадратного корня, модуля от заданного числа.

Объём выбранных задач был эквивалентен их количеству: владельцы мощного оборудования «решали» большее количество задач, чем майнеры со стандартными видеокартами. Математические операции усложнялись, но соблюдался принцип — время проверки результата должно быть значительно меньше, чем длительность выполнения алгоритма.

Четыре года спустя криптограф Адам Бэк выпустил инструмент Hashcash для защиты от спамных рассылок, основанный на современном Proof of Work. Отправитель электронного письма должен был провести несколько миллиардов операций с использованием мощностей ПК, чтобы подтвердить истинность темы послания. Такое решение защищало от автоматически сгенерированных писем. Технически, проект состоял в хешировании выбранного диапазона данных (например, строк текста электронного письма) с «плавающей» частью — вычисляемая последовательность постоянно менялась.

Современный термин Proof of Work был впервые упомянут в 1999 году в одной из публикаций журнала Communications & Multimedia Security. Материал рассматривал показатель сложности – количество блоков, которое нужно обработать для добавления новой записи в существующий блокчейн. В этот период концепция алгоритма состояла в решении нескольких простых задач (своего рода математическая «капча»), которая защищала системы от DDoS и спам-атак. Выполнение операций не требовало весомых ресурсов, поэтому система работала стабильно.

В начале 2000 года вышло несколько Memory-bound functions — вспомогательных функций, которые задействовали большие объёмы памяти оборудования. Наиболее известная из них — Scrypt, используемая в майнинге множества форков Litecoin. Появление Memory-bound изменило системные требования к оборудованию для добычи монет: раньше требовалась большая скорость процессора, теперь — значительный объём оперативной памяти. Именно в этот момент наиболее эффективным способом добывать «цифровое золото» стал майнинг на мощных видеокарах.

Развитие рынка криптовалют и появление производительного оборудования привело к усложнению задач, увеличению нагрузки на систему. Постепенно PoW стал «пожирать» огромные объёмы электроэнергии, вознаграждение пользователей падало. Добыча популярных монет становилась всё менее выгодной, и в 2012 году итоговая производительность сети BTC превзошла энергозатраты на работу мощнейшего в мире компьютера. В этот период на рынке появился алгоритм PoS, а классический PoW оставался выгодным для работы с малоизвестными, новыми монетами.

Как работает алгоритм майнинга PoW

В основе работы PoW – решение сложных математических задач, требующих загрузки значительных вычислительных мощностей. С увеличением объёма пользователей блокчейн возрастает и уровень сложности, чтобы в цепочку не смогли попасть спамеры, хакеры и другие несанкционированные пользователи. Технология выполнения алгоритма PoW состоит из четырёх шагов.

Первый — генерация сложных и длительных в выполнении математических задач, решение которых требует полной загрузки вычислительного оборудования. Майнер должен подтверждать свою личность, совершая каждую новую транзакцию, при этом обработка одного блока может занимать до нескольких дней (например, при майнинге BTC).

Второй — создание заранее определённого результата вычислений, который легко проверить на достоверность в течение короткого времени. Технически, результаты PoW похожи на ответы к задачам, публикуемые в конце школьных учебников: системе требуется несколько секунд, чтобы проверить истинность многочасовых вычислений.

Третий — участники цепочки проводят транзакции, оплачивая товары, услуги, отправляя заранее оговоренные суммы токенов на зашифрованные счета. Совокупность нескольких транзакций образует один зашифрованный блок.

Четвёртый — истинность каждого блока проверяется с помощью длительных вычислений, при этом первый пользователь, получивший верный ответ, вознаграждается монетами. Подтверждённые (или истинные) блоки сохраняются в блокчейн, запускается следующий круг транзакций, каждый нод (сервер или участник цепочки) получает свою копию, чтобы синхронизировать данные.

Задачи, генерируемые алгоритмом PoW, имеют установленное время решения (интервал уникальный для каждого оборудования), составлены с целью максимально загрузить вычислительные мощности майнера. Показатель сложности майнинга отражает общую сумму вычислений, которые нужно провести для добавления нового блока в цепочку. Эту переменную ввели для защиты системы от хакерских атак, на текущем этапе развития блокчейн сложность автоматически возрастает.

Преимущества и недостатки алгоритма Proof of Work

Proof of Work относится к алгоритмам консенсуса – для проведения выбранной транзакции требуется согласие всех участников сети. Например, пользователь А переводит одновременно по 500 монет на счёт пользователей В и С, указав публичный и приватный ключи. Транзакции происходят одновременно, их детали зашифрованы, поэтому участники цепочки могут не заметить «задвоения» операций. Алгоритм консенсуса предполагает постоянную сверку операций между всеми участниками сообщества: если В или С не получили свои монеты (получили не в полном объёме), операция отменится, деньги вернутся на счёт А.

Разработка алгоритма PoW связана с необходимостью установить подлинность каждого пользователя, работающего с блокчейн. Ввиду многочисленных атак на криптовалюты и шифрования личных данных участников возрастала необходимость «отфильтровать» ложные цепочки, защитив при этом добросовестных майнеров.

Технически, алгоритм PoW состоит из цепи вычислительных задач, автоматически блокирующих сторонние цепочки, поступившие от незарегистрированных пользователей. Такая архитектура обеспечивает пять преимуществ алгоритма PoW.

Первое — защита от «атаки 51%». Большинство несанкционированных воздействий на блокчейн строится на «захвате» всей цепочки блоков мощным компьютером с высокой вычислительной способностью. Алгоритм PoW требует от каждого участника решения объёмных задач, что быстро выводит из строя даже мощный сервер.

Второе — защита от кражи отдельных блоков. Подтверждение каждой транзакции требует решения новых задач, поэтому злоумышленник не может похитить сразу несколько цепочек. Такая логика дополнительно защищает от угрозы «атаки 51%».

Третье — защита от предварительного получения доказательств. Каждая цепочка блоков требует решения нового комплекса задач, алгоритм нельзя просчитать заранее, все части обрабатываются последовательно.

Четвёртое — обеспечение справедливого вознаграждения майнеров. Алгоритм PoW автоматически вычисляет мощности, которые каждый пользователь предоставляет для пула, и учитывает эти данные при расчёте суммы вознаграждений.

Пятое — обеспечение реальной стоимости криптовалюты. Решение каждого блока задач требует затрат электроэнергии, поэтому реальная стоимость монет эквивалентна цене электричества, затраченного для их получения. Такой подход защищает курс криптовалюты от резкого падения до нулевого уровня – итоговая цена монет не может быть меньше стоимости их добычи.

Несмотря на эффективность защиты личных данных, алгоритм PoW постепенно вытесняется с криптовалютного рынка, заменяется на более эффективный PoS. Причины такого явления – растущая популярность «цифрового золота» и появление сотен новых видов монет, усиливающих нестабильность работы алгоритма.

Растущие затраты на оборудование для майнинга. Сложность расчётов для прохождения процедуры PoW возрастает, поэтому майнеры вынуждены вкладываться в дорогое современное оборудование, оплачивать высокие расходы на электроэнергию. Генерируемые вычисления при этом не находят практического применения, происходит «майнинг ради майнинга».

Негативное влияние алгоритма на общую стоимость монет. Алгоритм PoW в случае ограниченной эмиссии приводит к искусственному усложнению вычислений, и майнинг становится невыгодным – такая ситуация произошла с BTC. Если итоговое количество монет не ограничено, бесконтрольный майнинг приводит к обесценению криптовалюты.

Тенденция к централизации майнинга. Повышение стоимости майнинговых плат приводит к недоступности ASIC для рядовых пользователей, добычей монет занимаются целые электростанции, закупку оборудования могут позволить себе только крупные инвесторы. Идея децентрализованной сети дискредитируется, выгоду от «цифрового золота» получают единицы.

Теоретическая угроза «атаки 51%». Майнинговые пулы для добычи новых монет отличаются невысокой нагрузкой, поэтому владельцы производительного оборудования могут «захватить» большинство мощностей и добывать монеты недобросовестным путём. В реальности такая ситуация маловероятна, ведь для добычи строятся отдельные электростанции, превзойти мощность которых затруднительно.

PoS

PoS (Proof of Stake — доказательство доли владения) — это тоже система для проверки транзакций, но реализована она несколько иначе. В отличие от PoW, где майнеры вознаграждаются в зависимости от их вычислительных мощностей, в PoS создатель блока выбирается детерминированным алгоритмом, анализирующим количество монет, находящихся в собственности пользователя, время владения ими и иные факторы. Другими словами, он дает возможность зарабатывать, практически ничего не делая. Это можно сравнить с банковским процентом: чем больше криптовалюты у вас на счету, тем больше вы зарабатываете за проверку транзакций.

PoS работает быстрее и эффективнее, чем PoW, так как майнером может стать каждый. Другой неотъемлемый плюс системы — защита от так называемой «атаки 51». Под этим термином понимают ситуацию, когда в руках одного майнера сосредоточено более половины вычислительных мощностей и он получает практически полный контроль над системой.

Тем не менее у PoS есть и свои минусы. При определении направления развития сети он наделяет крупных держателей монет дополнительными голосами. Так, многие площадки, построенные на основе PoS, уже не принадлежат своим создателям. В PoW такая ситуация невозможна.

Разновидности алгоритмов хеширования, работающих с Proof of Work

Внедрение алгоритма хеширования Scrypt в 2013 году породило множество форков — разновидностей криптомонет, работающих на сходных с Litecoin алгоритмах шифрования. В это же время на рынок вышел Proof of Stake, поэтому майнеры начали собирать универсальные фермы, добывать сразу несколько видов монет.

Популярность «цифрового золота» росла, количество майнеров также увеличивалось, и программисты начали поиски более эффективного решения. Технологическая основа большинства алгоритмов хеширования, совместимых с PoW, — комбинация из нескольких принципиально разных вариантов. Это защищало сообщество от хакеров: если злоумышленник взломает часть алгори поддержат нормальную работу всего пула.

История развития технологии PoW насчитывает несколько видов таких алгоритмов.

• Six-hash, реализованный в проекте Sifcoin. Алгоритм представляет собой комбинацию из шести технически разнородных методов хеширования блоков: Blake, Skein, BMW, JH, Kessak, Groestl. С точки зрения майнинга такое решение увеличивало затраты на оборудование — пользователь вынужден был покупать шесть чипов ASIC, каждый из которых стоил немалых денег. Алгоритм был реализован в криптовалюте Quark.
• X11 — модернизированная архитектура Six-hash, которая сочетала уже одиннадцать различных алгоритмов. X11 вышел на рынок зимой 2014 года, первоначально был совместим с традиционным CPU-майнингом. Такой подход снижал расходы на оборудование, повышал эффективность добычи монет. Алгоритм шифрования был внедрён в Darkcoin (сегодняшний DASH), после чего уровень загрузки системы значительно возрос. Полностью анонимная криптовалюта привлекла внимание пользователей, её курс «взлетел», количество майнеров возросло, что увеличило сложность добычи. Среди монет, работающих на модификациях X11 — SmartCoin, Quebecoin, StartCoin, Polis, Onix.
• Различные модификации X11 — X13, X14, X15, X17, которые начали выходить на рынок весной и летом 2014 года. Принципиальное отличие каждого алгоритма — количество последовательно проводимых операций хеширования, которые нужно выполнить для регистрации нового блока в цепочке. Алгоритмы первоначально конкурировали с майнинговыми платами ASIC, но уже в 2020 году была разработана ферма Baikal, адаптирующая эти платы к алгори X. Группа алгоритмов используется в сотне различных видов криптовалют, так как разработчики проектов предпочитают совершенствовать методы шифрования перед выходом на рынок. X13 используется для добычи DeepOnion, Cloakcoin, Hshare, Stealthcoin. X14 работает для BernCash и GanjaCoin. X15 включает двадцать видов криптовалют, среди которых — KoboCoin, SoleCoin, ProCoin, ForexCoin. X17 отвечает за шифрование блоков при добыче Verge-X17 и Shield-X17.
• Scrypt-N — модификация алгоритма Scrypt, которая позволяет увеличивать производительность GPU-майнера. Показатель N отражает возможность добавлять новые раунды «перемешивания» чисел, что усложняет процедуру хеширования без замены оборудования. Алгоритм внедрён для криптовалют SpainCoin, VirtualMining Coin, HempCoin, FujiCoin, Aptcoin.
• Scrypt-jane — ещё один вариант Scrypt, в котором увеличение количества раундов хеширования проводится случайно. Такой подход уменьшает вероятность «атаки 51%», разработчики также добавили несколько функций «перемешивания» чисел, что усложняет процедуру обработки блоков.
• Momentum — алгоритм для PoW, который проводит поиск полностью совпадающих бит в выбранной паре цепочек. Логика поиска основана на «парадоксе дней рождений», каждая новая операция занимает всё больше времени, увеличивает шансы майнера на успех. Ввиду нерелевантности, такой алгоритм реализован только для монет BitCredit, которые не получили широкого распространения на рынке.
• CryptoNote — модификация Scrypt, которая рассчитывает новый блок путём анализа данных во всех предыдущих (метод кольцевых подписей). Массив данных полностью изменяется при каждом добавлении нового блока, поэтому в конце транзакции набор цифр неузнаваем. Архитектура позволяет проводить полностью защищённые транзакции, поэтому нашла применение в двадцати пяти видах монет, среди которых — Monero, ByteCoin, FantomCoin, Bitcedi.

Популяризация ICO-проектов модифицировала криптовалютный рынок: вместо классического майнинга всё новых видов монет пользователи стали оперировать токенами. Такой вид актива технически аналогичен какой-либо монете, может быть продан на бирже или конвертирован в другую криптовалюту. Например, большинство современных токенов выпускается по стандарту ERC-20 и совместимо с Ethereum. Стоимость токена зависит от успеха проекта, его востребованности на рынке, и курс самой валюты не имеет решающего значения.

Как начать зарабатывать на PoS-майнинге

Заработать на PoS-майнинге довольно просто. Выбираем одну из использующих технологию proof of stake криптовалют, скачиваем клиент и регистрируем кошелек (некоторые криптовалюты поддерживают майнинг при помощи браузерных онлайн-кошельков). Теперь остается закупиться этой криптой и ждать. Если Вы будете использовать браузерный онлайн кошелек, то выбирайте из указанных на официальном сайте.

Для некоторых криптовалют после пополнения счета монеты должны вызреть, т.е. должно пройти некоторое время после их покупки. Также для того, чтобы программный кошелек начал зарабатывать, он должен быть полностью синхронизирован, т.е. на него должен быть закачан весь блокчейн с момента создания.

Для примера, вот скриншот кошелька PostCoin, на котором происходит PoS-майнинг:

Как видно на скриншоте кошелька, при наведении в углу на зеленую иконку со стрелочкой, всплывает сообщение, что кошелек «Участвует в доле» – значит он уже приносит прибыль. Также ниже указан вес Вашего кошелька и общий вес сети. В самом низу написано через сколько минут Вы получите прибыль при данном весе Вашего депозита. Кошелек приносит прибыль только когда запущен, при выключении майнинг прекращается.

Совет как сделать PoS-майнинг более прибыльным и эффективным. Разберем на примере того же PostCoin. Нажмите в кошельке Настройки / Опции / Отображение и поставьте галочку перед опцией «Управление входами (Только для продвинутых пользователей)». Для PostCoin желательно завести на счет депозит не одной транзакцией, а несколькими, так как майнить монеты будет каждая сумма в отдельности, скорость майнинга каждой транзакции будет зависеть от ее суммы. При разбивке на много транзакций Ваша сумма не будет вся сразу попадать под 12-часовой часовой период созревания после каждого добытого блока.

Сейчас начали появляться сервисы «облачного PoS-майнинга», которые выглядят как подборка кошельков криптомонет, которые используют эту технологию. На самом же деле очень велик шанс потерять свой депозит, попав на мошенников, работающих по принципу финансовой пирамиды.

Некоторые криптовалюты, которые можно добыть PoS-майнингом:

Популярные криптомонеты, работающие на алгоритме Proof of Work

Увеличение количества форков развивает криптовалютный рынок, однако список наиболее ликвидных монет возглавляют известные проекты, уже несколько лет привлекающие внимание инвесторов. Вложение в такие активы приносит пользователям стабильный доход, многие из них становятся популярным средством платежа на рынках.

Bitcoin — самая старая, востребованная и перспективная из криптовалют на рынке. Алгоритм PoW впервые использовался для хеширования блоков на биткоин в 2008 году, с тех пор актив пережил несколько форков, стал одним из официальных средств платежа. С точки зрения удобства и рентабельности майнинга монеты BTC уступают ряду конкурентов, однако валюта остаётся популярной благодаря доверию сообщества.

Litecoin — самый известный форк биткоина, который позволяет майнерам обрабатывать блоки в два раза быстрее, чем BTC. Проект первым на рынке провёл атомарные переводы (конвертацию одних криптомонет в другие), максимальный объём майнинга LTC превышает BTC в четыре раза, составляя 84 миллиона монет.

DASH — перспективный для финансово-технических проектов вид криптовалюты, который обеспечивает полную анонимность транзакций. Запуск проекта проходил в несколько этапов, название самой монеты и команда разработчиков несколько раз менялись. На сегодняшний день количество операций, совершаемых в DASH ежедневно, превышает 1% от всего объёма торгов криптовалютой.

Ethereum — криптовалюта с расширенным функционалом, которая развивается за счёт смарт-контрактов, автоматизирующих разработку приложений и управление различными процессами. Выход Ehtereum на рынок (лето 2020 года) положил начало адаптации криптовалютных технологий к потребностям реальной экономики. На сегодняшний день большинство ICO проектов выпускает токены по стандартам Ethereum (ERC-20 и ERC-223), а открытая площадка позволяет легко развивать индустрию блокчейн.

Monero — разновидность монеты со встроенной платёжной системой для проведения полностью анонимных транзакций между участниками. Алгоритм CryptoNote подвержен «атаке 51%», однако защита личных данных и адаптация к рынку онлайн-казино стабильно увеличивает капитализацию актива.

Quark — монета, доступная для майнинга на стандартных CPU-процессорах. Подлинность операции подтверждается за 30 секунд, первоначально проект привлёк большое количество майнеров, желающих получить быстрый доход. Однако, бесконтрольный выпуск QRK привёл к тому, что весь объём актива был выпущен за первые шесть месяцев его работы. Главное достоинство монеты — возможность обменивать QRK на фиатные деньги.

Pow — легкий, быстрый, удобный

Как много у вас приложений, сайтов, систем на Ruby, запускаемых под Rails и другие frameworks? Как часто вам приходится лезть в терминал и запускать приложения через ‘rails s’ и другие консольные команды? Это трата времени, сложность в управлении (в плане организации проектов). Как было бы хорошо, если бы все проекты были бы в одном месте и запускались по одному клику… Я хочу рассказать вам про Pow. С одной стороны это простой Rack сервер для запуска ваших проектов, с другой стороны это очень удобный инструмент. Сервер разработан компанией 37signals. Единственная оговорка: сервер работает только под Mac OSX.

Как работает Pow?

Всё очень просто:

1. В терминале вводите команду: curl get.pow.cx | sh
2. После установки заходите в папку Pow: cd ~/.pow . Эта папка является ссылкой на ~/Library/Application Support/Pow/Hosts.
3. Делаете ссылку на ваш проект: ln -s /path/to/myapp
4. В браузере набираете myapp.dev

Собственно и вся установка. Теперь для добавления проектов достаточно в папке ~/.pow делать ссылки на ваши проекты. Все проекты запускаются с https://[название проекта].dev.

Сервер также имеет файл конфигурации ~/.powconfig, который находится в домашнем каталоге. Для примера, можно указать таймаут в 5 минут для завершения запущенного проекта: export POW_TIMEOUT=300. Более подробно о конфигурации сервера можно почитать здесь.

В чем приемущества Pow?

• Не надо редактировать /etc/hosts для запуска проекта через доменное имя.
• Не требует обслуживания. Pow простой, автономный сервер, который работает без root привилегий.
• Для установки не надо компилирования или дополнительных гемов.
• полная поддержка rbenv и Bundler.
• На один проект можно делать несколько ссылок. Таким образом осуществляется поддержка субдоменов.
• Запуск проектов с разным набором гемов и версией Ruby.

Есть ли графическая оснастка?

Не могу обойти стороной замечательную программу для Pow: Anvil for Mac. Это удобное дополнение позволяет в 2 шага добавить новый проект к Pow.

Что может Anvil for Mac?

• Установка, Перезапуск, Удаление Pow.
• Запуск, остановку сервера Pow.
• Добавление, обновление, удаление ссылок на проекты.

Я бы даже рекомендовал сначала поставить Anvil for Mac, а затем из этой программы установить Pow.

UPD:

Хочу еще поделиться дополнительными инструментами по управлению сервером Pow. Кроме упомянутого в комментарии a_vasyutin Powify также есть гем Powder. Это более простой инструмент управления чем Powify, но также умеет устанавливать сервер Pow, прилинковывать проекты, просматривать логи и т. д. Более подробно по командам можно почитать здесь: https://github.com/Rodreegez/powder#usage.
Также есть веб-обертка для Powder — Powser. Она позволяет перезапускать, делать редирект проекта прямо через браузер. После установки гема из папки проекта делаем ссылку на проект и запускаем Power:

powser start appname Теперь, например, для перезапуска проекта достаточно в адресной строке браузера ввести: powser.dev/restart или powser.dev/restart?app=appname, где appname — любой прилинкованный проект. Более подробно про использование гема можно почитать здесь: https://github.com/phil-monroe/powser#powder-for-your-browser.

Дополнительные материалы

• Официальный сайт Pow
• Документация по Pow
• Видео по использованию Pow
• Официальный сайт Anvil for Mac