15 proof of work algoritmov poháňajúcich kryptomeny alebo ako funguje ťažba kryptomien

7.2.2020 (aktualizované 15.11.2021)

Späť

Ak sa márne snažíte hlbšie porozumieť kryptomenám a blockchainu ako takému, tento článok je presne pre vás. Budeme dnes hovoriť o algoritmoch konsenzu.

Konsenzus v sieti kryptomien

Wikipedia definuje pojem konsenzus ako:

súhlas, zhodu, privolenie, najmenší spoločný menovateľ diskutujúcich alebo sporiacich sa strán.

Algoritmus zvaný Konsenzus rozhoduje, ako sa vykoná dohoda medzi všetkými uzlami siete o pripojení nového bloku v sieti.

Validácia predchádza konsenzu

Sieť je zložená z uzlov, ktoré overujú kryptomenové transakcie. Tá informuje uzly o nových transakciách pomocou broadcastu. Následne si uzly vyberajú na základe poplatkov zaplatených za transakciu už overené transakcie, ktoré priraďujú do nových lokálnych blokov.

V tomto bode sa môže stať, že existuje v jednom časovom období viac uzlov, ktoré chcú pripojiť svoje vlastné nové bloky overených transakcií do blockchainu súčasne.

Asi sa pýtate, na základe čoho teda sieť vlastne vyberie, z množstva nových pripravených blokov ten jeden, ktorý sa následne pripojí do blockchainu.

Na túto otázku odpovedá a rieši ju práve algoritmus konsenzu.

Konsenzus v zásade zahŕňa dohodu o zoradení (ordering) už overených transakcií. Z toho vyplýva, že proces validácie predchádza procesu konsenzu.

Pár dôležitých pojmov na začiatok

Predtým než sa pustíme do vysvetľovania, vysvetlíme si pár základných pojmov, ktoré budeme v nasledujúcom texte hojne používať. Pôjde o pojmy uzol, blok, blockchain. Ak už sú vám tieto pojmy známe, pokojne podkapitolu preskočte.

Čo je uzol?

Uzlom chápeme výpočtový uzol a môže ním byť cloud, server, personálny počítač, sieť serverov, sieť počítačov, pool (predstavuje sieť serverov a osobných počítačov)...

Čo je blok?

Blok je abstraktná konštrukcia, ktorá obsahuje určité údaje. Keďže je blok len abstraktný, predstavujeme si ho a kreslíme ho najčastejšie ako štvorec respektíve obdĺžnik. Blok obsahuje údaje, ktoré si hneď vysvetlíme.

Prev_Hash link na predchádzajúci blok.
Nonce hodnota dokazujúca, že uzol si zaslúži pripojiť blok, pretože vykonal prácu a vyhral súťaž.
Version verzia protokolu. Veľmi dôležitý údaj, vďaka, ktorému sa do budúcna môžu pravidlá fungovania siete meniť bez toho, aby sieť prestala fungovať.
Timestamp kedy bol nájdený blok.
TxRoot hash všetkých transakcií v bloku.
Bits reprezentuje náročnosť POW
Transaction list zoznam všetkých transakcií v danom bloku.

[3] Ukážka jedného bloku tvoriaceho blockchain.

Čo je blockchain?

Je to reťaz pospájaných blokov dokopy. Blockchain si vizualizujeme najčastejšie ako reťaz blokov. Viď obrázok. Example of blockchain

[3] Ukážka krátkeho blockchainu.

Kategorizácia konsenzus algoritmov

Algoritmy konsenzu rozdeľujeme na dve základné skupiny.

Dokazovacie algoritmy ( Proof based ) vyžadujú, aby sa uzly pripájajúce k overovacej sieti preukázali, že sú kvalifikovanejšie ako tie ostatné na vykonanie zmeny v sieti / pridania bloku.
Hlasovacie algoritmy ( Vote based ) vyžadujú, aby si uzly v sieti pred konečným rozhodnutím vymenili svoje výsledky overenia nového bloku alebo transakcie.

V nasledujúcich riadkoch si vysvetlíme proof based algoritmy, konkrétne Proof of work algoritmy.

Proof of work algoritmy (PoW)

Pôvodný algoritmus PoW, navrhli Cynthia Dwork a Moni Naor v roku 1993. Satoshi Nakamoto, tvorca Bitcoinu, ho prvykrát použil pre Bitcoin.

K dnešnému dňu existuje veľa variantov konsenzuálnych algoritmov založených na dôkazoch / potvrdeniach, a to PoW, PoS, ich hybridné formy a ďalšie varianty nezávisle od PoW a PoS.

Vo všeobecnosti algoritmus vyžaduje, aby sa uzly pripájajúce k overovacej sieti preukázali, že sú kvalifikovanejšie ako tie ostatné na vykonanie zmeny v sieti / pridania bloku.

Je potrebné povedať, že situácia, kde chce viac uzlov pridať svoj blok do blockchainu súčasne, nie je tak častá.

Vysvetlenie algoritmu PoW

Po tom, čo uzol vytvoril blok a naplnil ho transakciami dáva ( broadcastom ) vedieť ostatným uzlom, že má nový blok, ktorý chce pridať do blockchainu. Všetky takéto uzly dostávajú ako odpoveď na broadcast úlohu, ktorú musia vyriešiť.

Ten uzol, ktorý vyrieši úlohu ako prvý, pridá blok do blockchainu.

Po dokončení úlohy dáva uzol vedieť ostatným uzlom, že vyriešil úlohu tým, že posiela svoj blok aj s výsledkom výpočtu. Akonáhle uzly, ktoré prijali túto správu nedokončili ešte riešenie svojej vlastnej úlohy, s úlohou končia.

Začínajú overovať výsledok uzla, ktorý bol v riešení úlohy prvý. Ak uzly potvrdia správnosť výsledku tento blok pridajú do ich vlastného blockchainu.

Víťazný uzol dostáva odmenu v podobe kryptomien napríklad BTC (tento proces sa inak nazýva ťaženie a uzol, ktorý odmenu dostal ťažiar) v určitom počte (v BTC sieti je to momentálne 6,25 Bitcoinov). Tento počet sa časom mení.

Zvyšné uzly, ktoré nič nezískali, pokračujú v riešení úlohy a celý proces sa opakuje.

Výhody

Bezpečnosť - práve obrovský výpočtový výkon, ktorý je potrebný zároveň sieť efektívne chráni.

Nevýhody

Nedostatočná decentralizácia. Centralizujú sa uzly, ktoré majú väčší kapitál na nákup výpočtového výkonu. 51% útok, alebo väčšinový útok, je prípad, keď väčšinu ťažobnej sily ovláda používateľ alebo skupina používateľov. Double spend - dvojitá útrata je prípad, keď útočník použije jednu kryptomenu viackrát. Úloha použitá ako rozstrel medzi uzlami je zbytočná pre použitie mimo siete.

1. Pure PoW

Takzvaný čistý proof of work. Uzly musia vyriešiť zložitú úlohu, aby získali právo na pripojenie nového bloku do blockchainu a získali odmenu. Väčšiu šancu uspieť majú uzly s väčším výpočtovým výkonom. Úlohou je problém, ktorý si vyžaduje veľa výpočtovej sily na riešenie. Je ich veľa, napríklad:

Hašovacia funkcia - alebo ako nájsť vstup so znalosťou výstupu.
Celočíselná faktorizácia - inými slovami, ako napísať číslo ako násobok dvoch ďalších čísel.
Guided Tour puzzle protokol - Ak má server podozrenie na DoS útok, vyžaduje výpočet hašovacích funkcií pre niektoré uzly v definovanom poradí. V tomto prípade ide o problém „ako nájsť reťazec hodnôt hash funkcie“.

Odpoveď na úlohu PoW alebo matematickú rovnicu sa nazýva hash.

2. PoW založený na Cuckoo hash funkcii

Úloha na vyriešenie, je nahradená hľadaním grafu hašovacej funkcie Cuckoo (kukučka).

3. PoW hľadajúci prvočísla

Riešenou hádankou je hľadanie takzvaných Cunningham prvočísiel.

4. PoW založený na dvojitej úlohe (Double puzzles-based PoW)

Aby sa bránilo ťažbe v pooloch, riešia sa dve na sebe nadväzujúce úlohy.

5. Non-outsourceable puzzles

Úloha je prepracovaná, aby uzly v poole mohli získať všetky odmeny bez ťažby a vynaloženého úsilia. Nevýhodou je, že tento druh puzzle sa vyvíja pomocou podpisového kľúča, ktorý je možné zneužiť na vykonávanie nelegálnej činosti proti skupine.

6. PoW s úlohou navrhnutou pre ľudí (Puzzles designed for human PoW)

Hlavolam je navrhnutý tak, aby ho dokázali počítače vyriešiť, ale človek nie.

7. Proof of Meaningful Work (PoMW)

Dôkaz o zmysluplnej práci, zachováva nápad PoW, ale implementuje ho pomocou zmysluplných výpočtových úloh, aby sa energia investovaná do dôkazu výpočtovej sily uzlov použila na výpočty podporujúce verejné vedecko-výskumné projekty (napr. Lekársky výskum liekov, chemický výskum) , astrofyzikálne simulácie). Použité v sieti Vrenelium.

Výhodou tohto prístupu je fakt, že sa výpočetný výkon nepoužije na bezcenné kalkulácie, ale na riešenie problémov ,ktoré potrebujú verejné vedecko výskumné projekty vyriešiť.

8. Proof of Work time (PoWT)

Je prístup k dosiahnutiu konsenzu zavedením variabilného času tvorby bloku, ktorý sa mení so silou ťažby, kde sa blockchain s nárastom výkonu zrýchľuje. Blockchain takto lepšie škáluje, zvyšuje rýchlosť transakcie so zväčšujúcim sa výkonom siete a umožňuje automatické prispôsobenie výnosnejšej ťažby. Čas tvorby bloku je závislý od obtiažnosti (max. ~ 6,2 minúty, minimálne 15 sekúnd). Odmeny sú závislé od času blokovania (~ Odmena znížená o polovicu času tvorby bloku za každú minútu až na 10-násobok parity VRC, potom premenlivá ~ 3% dezinflácia). Použité v sieťach kryptomien Vericoin, Verium.

9. Delayed Proof of Work (dPoW)

Je hybridná metóda, ktorá umožňuje jednému blockchainu využívať výhody zabezpečenia poskytovanej prostredníctvom hashovacej sily sekundárneho blockchainu. Dosahuje sa to prostredníctvom skupiny uzlov, ktoré pridávajú údaje z prvého blockchainu do druhého, čo by potom vyžadovalo kompromitáciu oboch blockchainov, aby sa narušila bezpečnosť toho prvého. Vyúsťuje k väčšej bezpečnosti. Prvý, kto využil túto konsenzuálnu metódu, je Komodo, ktorý je pripojený k bitcoinovému blockchainu. Plusy tohto prístupu sú energetická úspora a zvýšená bezpečnosť. Mínusom je obmedzenie na blockchain iba pre PoW alebo PoS.

10. Proof of Edit Distance

Vzdialenosti úprav sú triedou algoritmov, ktoré vyhodnocujú vzdialenosť dvoch reťazcov od seba. Napríklad vzdialenosť úprav pre „ETH“ a „ETC“ je „0,8222“. Potom dva identické reťazce budú mať skóre „1“.

V priestore podobnosti reťazcov existuje tiež veľa algoritmov vrátane Levenshteinovej vzdialenosti, Smithovej-Watermanovej Gotohovej vzdialenosti a Ratcliffovej-Obershelpovej vzdialenosti.

Uzly súťažia v hľadaní reťazca, ktorý je pri hašovaní v procese normalizácie nad minimálnou prahovou hodnotou vzdialenosti. Tento reťazec by potom mohol predstavovať hash sprostredkovaného blockchainu a hash hlavičky pre nasledujúci blok.

Na nájdenie nového bloku v blockchaine by uzol prechádzal postupne náhodnou znakovou sadou alebo číslom a hashoval reťazce, kým nenájde hash, ktorý je nad prahovou hodnotou pre všetky bloky.

Výhodou je, že algoritmus je agnostický. To znamená , že ako vstup je možné uviesť ľubovoľnú štruktúru hashu alebo reťazec, čo znamená, že pokiaľ má blockchain jedinečný hash, možno ho ľahko pridať ako proof.

Prístup bol použitý v sieti Block Collider

11. ePoW: equitable chance and energy-saving.

Konsenzusový algoritmus ePoW môže znížiť počet uzlov zúčastňujúcich sa na PoW a motivovať účasť viacerých ťažobných uzlov. Vo výsledku chceme zabrániť plytvaniu energiou v dôsledku nadmernej hashovacej sily pre ťažobnú súťaž a distribuovať spravodlivo možnosti ťažby.

Hdac ePoW je konsenzus algoritmus, ktorý redukuje ťažobný monopol uplatnením konceptu blokového okna. Znižuje zbytočnú energiu spotrebovanú pri výpočte hash tým, že sa vyhne spontánnym pokusom o ťažbu počas obdobia aplikácie blokového okna, akonáhle je ťažba úspešná. Ak uzol uspeje v ťažbe, počas obdobia aplikácie blokového okna nemožno ťažiť žiadny nový blok. Aj keď chamtivý uzol zanedbá tento mechanizmus a uspeje v ťažení nového bloku, nebude rozpoznaný ako platný blok v celej blockchainovej sieti Hdac, čím odpadá potreba hľadať neplatný blok.

Hodnota hash bloku musí vyhovovať špecifikácii údajov podľa stupňa obtiažnosti a nemala by sa nachádzať v danom okne bloku (časový odstup). Táto veľkosť okna bloku môže byť vyjadrená vo forme časovej funkcie, Ws = f (t). „F (t)“ je funkcia, ktorá sa zvyšuje úmerne s časom. To znamená, že pre prvých účastníkov existuje veľká príležitosť a časom je pre niektoré ťažobné uzly čoraz ťažšie monopolizovať ťažbu. Je možné dosiahnuť spravodlivejšie rozdelenie.

Výhodou tohto prístupu je, že znižuje počet uzlov zúčastňujúcich sa na PoW a motivuje účasť viacerých ťažobných uzlov, ktoré získavajú spravodlivé možnosti ťažby.

12. Semi-Synchronous Proof of Work (SSPoW)

Odstraňuje úzke hrdlo, ktoré pôvodný algoritmus Proof of Work má čo sa priepustnosti transakcií v sieti týka. Riešenie spočíva v oddelení výberu uzlov validátora, ktoré sa vykonáva prostredníctvom Proof of Work od skutočného procesu overenia transakcie.

Keď uzol nájde platný dôkaz o práci (PoW), postúpi do poolu validátorov, kde má pridelené obdobie, v ktorom môže overovať transakcie. Toto sa deje asynchrónne, kým na druhej strane výber uzlov validátora (PoW) je synchrónny.

Týmto spôsobom sa mechanizmus stáva semi-synchrónnym, čo výrazne zvyšuje priepustnosť siete a poskytuje bezpečnostný kontrolný mechanizmus. Použitý je v protokole Purple.

13. GHOST strategy

GHOST strategy skracuje čas na pripojenie nového bloku k reťazcu so stratégiou na zvládnutie forkov a zabránenie problému s útokom dvojnásobných výdavkov (Double spend). Stratégia GHOST uchováva všetky bloky forkov, ktoré neboli vybrané pre hlavný blockchain. Potom namiesto výberu najdlhšieho chainu sa vyberie ten, ktorý k nemu prispieva najviac PoW.

14. Bitcoin-NG

Keď uzol vytvorí kľúčový blok, môže kontinuálne vytvárať ďalšie mikrobloky s transakciami, až kým iný uzol nevytvorí ďalší kľúčový blok.

Bitcoin-NG rozdeľuje tradičný blok na dva rôzne druhy, nazývaný blok kľúčov a mikroblok.

Keď uzol vyrieši úlohu, bude posielať jeho kľúčový blok pre ostatné uzly a stane sa takzvaným vodcom, kým iný uzol nenájde iný vhodný nonce.

V čase, keď bude tento vodca lídrom, bude tento uzol zverejňovať niektoré mikrobloky, ktoré obsahujú informácie o transakciách. Transakcie je možné overiť rýchlejšie, pretože pri čakaní na nového vodcu, sa môže vytvárať veľa ďalších mikro blokov.

Výhodou je viac overených transakcií ako pri použití pôvodného PoW.

15. Generalized PoW

Každý uzol nájde toľko nonces blokov, ako je to možné. Potom sa uzol, ktorý pridáva bloky do siete, vyberie na základe šťastného faktora aj s ich vytvorenými nonce blokmi.

Na záver

Ako vidieť konsenzus algoritmov je viac než dosť. Vznikajú, pretože samotný proof of work má svoje nevýhody.

Je nutné napríklad zachovať najvyššiu možnú decentralizáciu siete a ponúknuť podobné šance tvoriť danú sieť takpovediac komukoľvek, kto prejaví záujem a splní čo sieť vyžaduje. PoW centralizuje uzly, ktoré majú viac kapitálu, na kúpu výpočetného výkonu. Non-outsourceable hlavolamy napríklad túto skutočnosť úplne odstraňujú. Proof of Meaningful Work sa zase snaží neplytvať výpočetný výkon a elektrinu na zbytočné výpočty, ale riešiť úlohy, ktoré sú potrebné napríklad v medicíne a iných odvetviach.

Ďalej ide o bezpečnosť siete, a to o zabránenie útokov ako 51% a double spending. Vďaka 51% útoku na sieť dokáže útočník napríklad vykonať aj útok Double spend.

Nabudúce sa pozrieme ako zvládajú konsenzus algoritmy Proof of stake.

V prípade, že sa vám článok páčil zdieľajte ho so svojimi priateľmi na vašich sociálnych sieťach. Napíšte nám do komentára o svojich skúsenostiach s pasívnym príjmom alebo podobnými kryptomenami.

V prípade akýchkoľvek otázok nás neváhajte kontaktovať alebo napíšte nám otázku do komentára nižšie.

Nenesieme žiadnu zodpovednosť za vaše prípadné finančné straty. Články sú výlučne informačného charakteru. Každý by mal obchodovať na vlastnú zodpovednosť a s peniazmi, ktoré je ochotný stratiť.