Является ли стоимость доказательства выполненной работы (PoW) майнинга Биткойна справедливой? Томазо Асте (Tomaso Aste) из Центра по Исследованию Технологий Блокчейн Департамента Информатики Университетского Колледжа Лондона считает, что затраты на майнинг высоки и расточительны, но безусловно, справедливы. Асте рассмотрел факторы, определяющие текущее доказательство выполненной работы в исследовании под названием «Справедливая цена PoW Биткойна».
Асте отметил, что Биткойн продемонстрировал, как равноправные участники сети (peers) могут обмениваться стоимостью через Интернет без необходимости в посредничестве третьей стороны или доверенной инстанции, так как капитализация Биткойна превысила $20 млрд. и сеть проводит тысячи транзакций в день даже в условиях серьёзных кибератак.
Интенсивный вычислительный процесс
Процесс проверки и криптографической подписи в сети Биткойн основывается на интенсивном вычислительном процессе. В этот процесс вовлечено большое количество узлов сети.
Процесс обеспечивает механизм, позволяющий избегать ложного дублирования голосов, и вынуждает голосующих демонстрировать вычислительную мощность. Система использует процесс криптографический подписи с целью обеспечения квалифицированного большинства при голосовании, это затратный вычислительный процесс. Он включает сложную задачу, выполняемую в рамках соревнования по «доказательству выполненной работы«. Первый из узлов, который сможет решить эту задачу, получает в награду биткойны. Такой механизм, называемый «майнинг«, позволяет создавать новые биткойны.
Майнеры со всего мира генерируют многие миллиарды хэшей в секунду (порядок хэш-мощности сети — 10^18, или Экзахэш). Потребление электроэнергии существующими аппаратными средствами составляет 0,1 до 1 джоуля на миллиард сгенерированных хэшей. Следовательно, во всём мире на создание достоверного доказательства выполненной работы требуется примерно один миллиард ватт (ГВт) в секунду.
Цена электроэнергии, затрачиваемой в процессе, составляет около $50 000 в час, хотя цены на электроэнергию и рознятся от страны к стране.
Награда майнеров: 12,5 биткойнов
Ввиду того, что в настоящее время система обрабатывает менее 15 000 транзакций в час, стоимость проведения одной транзакции превышает $3. И эта стоимость не оплачивается пользователями. Майнеры несут затраты на электроэнергию и получают вознаграждение в виде эмиссии новых биткойнов. Вплоть до уполовинивания, награда за каждый найденный блок составляла 25 btc, что на момент уполовинивания в июле 2016 составляло примерно $15 000.
Сообщество майнеров потребляет в среднем около $50 000 в час, что составляет $8 333 каждые 10 минут на создание блока, при этом они получают приблизительно $15 000 вознаграждения (прим.ред.: обратите внимание, 25 btc * $600 = $15 000 — до уполовинивания, и 12,5 * $1200 сейчас так же равно $15 000). Это делает майнинг прибыльным даже с учетом стоимости инфраструктуры и оборудования. Стоимость электроэнергии за один год добычи составляет более $400 млн. Весьма значительные затраты.
Преимущества PoW
Доказательство выполненной работы оставляет возможность блокчейну оставаться «чистым», позволяет всему сообществу конкурировать с целью проверки действительности транзакций и делать атаки на систему весьма дорогостоящими. Но обоснована ли такая цена атаки? Асте утверждает, что она должна быть достаточной, чтобы сделать атаку двойной траты слишком дорогостоящей.
Атака двойной траты может произойти в ситуации, когда злоумышленник пытается отправить один и тот же биткойн двум разным пользователям. В таком случае, злоумышленник попытался бы дважды потратить максимально возможное количество биткойнов. Такое количество лимитировано количеством транзакций, которое вмещается в блок, что в стоимостном выражении на текущий момент составляет примерно $2 млн.
Транзакция, включающая большую сумму, чем общая стоимость транзакций в блоке, привлечет внимание со стороны сети. Это выставляет реальное ограничение размера двойной траты примерно $2 млн. И хотя дублирование транзакций может несколько раз повторяться последовательно или параллельно, мы пренебрежем этим в данном расчёте.
Защита от атак
Злоумышленник может попытаться получить долю от $2 млн. Для того, чтобы это сделать, злоумышленник должен обеспечить валидацию обеих транзакций. Для этого требуется ветвление блокчейна с наращиванием двух блоков, строящихся на основе предыдущего. Если атакующий владеет достаточной вычислительной мощностью, он может создать два действительных хэша для подписания обоих блоков, чтобы создать впечатление, что обе транзакции были проверены. Для окончательного подтверждения транзакции (и снятия подозрений у принимающей стороны) необходимо дождаться шести подтверждений, пока шесть новых блоков достроятся к цепочке — это гарантирует, что транзакция навряд ли может быть отменена.
То есть, злоумышленник должен создать шесть действительных хешей, прежде чем транзакция с двойной тратой сможет считаться окончательно закрытой. Атакующий должен искусственно провалидировать лишь одну из двух цепочек — более короткую. Система автоматически примет другую (более длинную) как действительную и позволит принять её другим майнерам. Атакующий также может принять её.
Было бы странно предполагать, что никто не заметит этот форк, отмечает Асте, но мы сделаем такое гипотетическое предположение.
Как сделать атаку невыгодной
Цена искусственного распространения форка — это стоимость подтверждения выполненной работы, помноженная на шесть. Атакующий получит прибыль, если затраты будут меньше полученной выгоды. Точку безубыточности можно представить следующим уравнением: справедливая равновесная стоимость доказательства выполненной работы равна стоимости доли в блоке, которая будет потрачена дважды, деленной на количество блоков, необходимых для окончательного подтверждения транзакции.
При текущих значениях, атакующий может удвоить 60% стоимости, входящей в блок, и, следовательно, дважды потратить $1 200 000. Требование шести подтверждений (блоков) для окончательного принятия транзакции дает следующую справедливую равновесную оценку стоимости доказательства работы на блок: $200 000.
Данный расчёт переоценивает стоимость, поскольку атака, для того, чтобы оставаться незамеченной, должна охватывать меньшую порцию от целого блока. Очень маловероятно, что ветвление смогло бы просуществовать дольше часа, когда все блоки валидировались бы одним и тем же майнером, и при этом, никто не заметил бы ничего необычного. Следовательно, разумно предположить, что необходимость для атакующего рискнуть 10% ценности всего блока — достаточный сдерживающий фактор.
PoW — расточительный, но необходимый
Асте заключает, что текущая цена PoW велика и расточительна для Биткойна, но она необходима. Затраты можно сократить увеличением количества блоков, необходимых для окончательного закрытия транзакции или раннего обнаружения ветвления. Но в то же время, атакующий может снизить издержки путём взлома майнинг-фермы или кражи электроэнергии.
Асте отметил, что существуют и другие механизмы построения блокчейнов, для которых не требуются такого ресурсоёмкого доказательства выполненной работы. PoW дает механизм квалифицированного голосования в анонимной системе с отсутствием доверия к её участникам. Механизм проверки личности избирателя, или предотвращения их неконтролируемого дублирования, может уменьшить необходимость в доказательстве выполненной работы или вообще свести её к нулю. Но такие механизмы также должны ослабить прочие свойства, такие как открытость, доступная каждому распределенная проверка или анонимность.
