Почему для доказательства работы используют хеш-загадки: глубокий анализ и перспективы

Скам и безопасность Стартапы и венчурный капитал

В современном цифровом мире концепция доказательства работы стала ключевым элементом функционирования многих криптовалют, включая биткоин. Основой этого механизма служат хеш-загадки — вычислительные задачи, решение которых подтверждает выполнение определённой работы. Но почему именно хеш-загадки получили такое широкое распространение в блокчейн-системах? Ответ кроется не только в их технических характеристиках, но и в более глубоком понимании безопасности, устойчивости и экономических факторов. Доказательство работы служит способом убедиться, что участник сети выполнил определённое количество вычислительных операций, что обеспечивает защиту от злоупотреблений и спама. В контексте криптовалют, таких как биткоин, доказательство работы используется для подтверждения подлинности новых блоков транзакций, предотвращения двойных трат и поддержания стабильности сети.

Основным «пазлом», который требуется решить майнерам, является нахождение такого значения, при котором двойное применение криптографической хеш-функции SHA-256 к заголовку блока даёт результат, не превышающий целевой порог. Хеш-функции, применяемые для построения этих загадок, обладают ключевыми свойствами: они являются односторонними, необратимыми, и даже небольшое изменение входных данных радикально меняет результат. Именно благодаря этим качествам задача нахождения подходящего хеша является случайной и требует большого количества вычислительной мощности. Помимо биткоина, многие другие криптовалюты также используют подобные структуры доказательства работы, адаптируя хеш-функции под свои нужды. Litecoin и Dogecoin, например, применяют алгоритм scrypt, который рассчитан на повышение требований к памяти для усложнения создания специализированного майнингового оборудования — ASIC.

Ethereum раньше использовал Ethash, а Monero применяет RandomX, который сочетает несколько компонентов для усложнения оптимизации майнинга на специализированных устройствах. Но почему именно хеш-загадки, а не другие типы вычислительных задач? В теории любая сложная задача, трудная для решения, но простая для проверки, могла бы использоваться. Однако хеш-функции занимают уникальную нишу, поскольку они обеспечивают необходимую лёгкость верификации результатов, а также устойчивы к потенциальным достижениям в области квантовых вычислений. В отличие от задач, связанных с факторизацией чисел, чья сложность существенно снижена с появлением квантовых алгоритмов, хеш-загадки, как считается, сохраняют свою стойкость. Отдельное внимание уделяется тому, что хеширование представляет собой своего рода «математику, смешанную с неразберихой», как отметил один из экспертов криптографии.

Такое состояние делает невозможным использование строгих математических приёмов для упрощения решения, обеспечивая безопасность системы. Однако у хеш-загадок есть и серьёзный недостаток — самой работы, которая выполняется майнерами, практически нет никакой полезной направленности. Решение таких задач тратит колоссальное количество энергии и вычислительных ресурсов, при этом результаты решения не имеют полезного применения вне контекста криптовалюты. Это вызывает вопросы об экологичности и рациональном использовании ресурсов. Существуют проекты, которые стремятся изменить эту ситуацию, например, криптовалюты, построенные на концепции доказательства полезной работы.

FoldingCoin, посвящённая задаче моделирования фолдинга белков, является одним из таких примеров. Идея заключается в том, чтобы майнеры одновременно с выполнением вычислительной работы для подтверждения блоков вносили вклад в научные исследования. Однако на практике подобные проекты пока не смогли добиться значительной популярности и сравнимых с основными криптовалютами рыночных капитализаций. Основной проблемой является то, что задачи прикладного характера могут менять условия и результаты решения в зависимости от внешних факторов, создавая экономические и технические риски. Например, фармацевтическая компания, заинтересованная в решении задачи белковой свёртки, может заниматься майнингом по собственной выгоде, игнорируя экономику криптовалюты, что создаст дисбаланс и угрозу для сети.

С другой стороны, хеш-загадки благодаря своей искусственно созданной сложности обладают постоянно регулируемой трудностью. Когда вычислительные мощности в сети растут, система автоматически повышает сложность задачи, сохраняя стабильность времени генерации новых блоков и, соответственно, устойчивость криптовалюты. Это гибкое приспособление к изменениям в вычислительных ресурсах само по себе является уникальным свойством, которое позволяет сетям на основе доказательства работы оставаться жизнеспособными и безопасными даже при значительных технологических сдвигах. Важным аспектом использования хеш-загадок является также доступность и стандартизация. Хеш-функции и алгоритмы доказательства работы легко реализуются на различных типах аппаратного обеспечения, что обеспечивает децентрализацию майнинга.