Стимулы и доказательства работы

Теперь у нас есть базовое представление консенсусного алгоритма Биткойна и представление, почему мы считаем, что это безопасно.

Но вспомним, что децентрализация Боткойна – это с одной стороны технический механизм, а с другой стороны умная стимуляция.

До сих пор мы в основном рассматривали технический механизм.

Теперь давайте поговорим о стимулах, которые применяются в Биткойне.

Также вспомним, что мы сделали предположение, что мы можем выбрать случайный узел и, возможно, более проблематично, что, по крайней мере, в 50 процентов случаев, при этом мы выберем честный узел.

Это предположение о честности особенно проблематично, если есть финансовые стимулы того, чтобы участники хотели подорвать процесс, и в этом случае мы не можем с точностью предположить, что узел будет честным.

Тогда возникает вопрос: можем ли мы дать узлам стимул вести себя честно?

Рассмотрим снова попытку двойной траты после одного подтверждения.

Можем ли мы каким-то образом наказывать узел, который создал блок с транзакцией с двумя тратами?

Ответ – не совсем.

Как я говорил ранее, трудно понять, что является морально легитимной сделкой.

Но даже если бы мы это сделали, все равно трудно наказывать узлы, так как у них нет идентификаторов.

Поэтому вместо этого давайте подойдем с другой стороны и спросим, можем ли мы вознаградить каждый из узлов, которые создали блоки, которые в конечном итоге оказались в долгосрочной консенсусной цепочке?

И, опять же, поскольку эти узлы не раскрывают свою реальную идентичность, мы не можем отправить им наличные на их домашние адреса.

Только если бы существовала какая-то цифровая валюта, которую мы могли бы использовать для их стимулирования, возможно, децентрализованная.

Вероятно, вы уже видите, к чему я иду.

Другими словами, мы собираемся использовать биткойны, чтобы стимулировать узлы, которые создали эти блоки.

Давайте на мгновение остановимся.

Все, что мы описали до сих пор, является абстрактным алгоритмом для достижения распределенного консенсуса и не является специфичным для приложения.

Теперь мы уйдем из этой модели, и мы будем использовать тот факт, что приложение, которое мы строим с помощью этого распределенного процесса консенсуса, фактически является валютой.

В частности, мы собираемся стимулировать узлы вести себя честно, платя им в единицах этой валюты.

Как это делается?

В Биткойне есть два отдельных механизма стимулирования.

Первое стимулирование – это награда за блок.

Согласно правилам биткойна, узел, который создает блок, включает специальную транзакцию в этот блок.

Эта транзакция представляет собой транзакцию создания монет, аналогичную CreateCoins в Scroogecoin, и узел также может выбрать адрес получателя этой транзакции.

Конечно, этот узел, как правило, выбирает адрес, принадлежащий самому себе.

Вы можете думать об этом как о плате узлу в обмен на услугу создания блока в консенсусной цепочке.

На сегодняшний момент значение вознаграждения блока фиксировано на уровне 12.5 биткойнов.

Но на самом деле это вознаграждение делится пополам при добавлении каждых 210 000 блоков.

Основываясь на скорости создания блока, которую мы вскоре увидим, это означает, что вознаграждение уполовинивается примерно каждые четыре года.

Сейчас мы находимся в третьем периоде.

В течение первых четырех лет существования Биткойна награда за блок составляла 50 биткойнов.

Теперь она равна 12.5 биткойнов.

Это имеет некоторые интересные последствия, которые мы увидим.

Возможно, будет интересно понять, почему вознаграждение в блоке стимулирует честное поведение.

Возможно, узел будет получать вознаграждение за блок, независимо от того, предлагает ли он действительный блок или злонамеренно пытается подменить блок.

Это не так!

Потому что узел получит свою награду только в том случае, если этот блок попадет в долгосрочную консенсусную ветвь, потому что, как и любая другая транзакция, транзакция создания монеты будет приниматься другими узлами, только если она окажется в консенсусной цепочке.

Это ключевая идея этого механизма стимулирования.

Так как большая часть сети следит за самой длинной действующей ветвью, этот стимул побуждает узлы быть честными.

Это первый механизм стимулирования Биткойна.

Я уже сказал, что каждые 210 000 блоков (или примерно четыре года) вознаграждение за блок сокращается вдвое.

На слайде наклон этой кривой постоянно уменьшается вдвое, пока не уменьшится до нуля в 2140 году.

Bitcoin построен таким образом, чтобы увеличивать количество средств в логарифмической прогрессии пока не будет достигнута цифра в 21 млн. биткойнов.

Важно отметить, что майнинг, это единственный способ создания новых биткойнов.

Не существует другого механизма генерации монет, и именно поэтому 21 млн – это окончательное и общее число (такие сейчас правила), сколько биткойнов может когда-либо быть.

Поэтому вознаграждение за создание нового блока закончится в 2140 году.

Означает ли это, что система остановит свою работу в 2140 году и станет небезопасной, потому что у узлов больше не будет стимула вести себя честно?

Не совсем.

Награда за блок является лишь первым из двух механизмов стимулирования в Биткойне.

Второй механизм стимулирования называется комиссией за транзакцию.

Создатель любой транзакция может выбрать комиссию или разницу между общим значением транзакционных выходов и общим значением транзакционных входов.

Тот, кто создает блок и который первым помещает эту транзакцию в цепочку блоков, получает эту разницу, которая действует как транзакционная плата.

Поэтому, если вы являетесь узлом, который создает блок, содержащий, скажем, 200 транзакций, тогда сумма всех этих 200 комиссионных сборов выплачивается по адресу, который вы помещаете в этот блок.

Плата за транзакцию является чисто добровольной, но ожидается, что по мере того, как вознаграждение для блока начнет заканчиваться, становится все более и более важным, почти обязательным, чтобы пользователи включали транзакционные сборы, чтобы получить разумное качество обслуживания.

В определенной степени это уже сейчас происходит.

Но пока неясно, как будет развиваться система.

Это интересная область открытых исследований в Биткойне.

И по-прежнему остается несколько проблем с консенсусным механизмом, который мы описали.

Первой проблемой является предположение, что мы можем выбрать случайный узел.

Во-вторых, мы создали новую проблему, предоставив узлам стимулы для участия.

Система может стать нестабильной, так как стимулы создают среду, где каждый хочет запустить биткойн узел в надежде получить вознаграждение.

И третья – более сложная версия этой проблемы, которая заключается в том, что злоумышленник может создать большое количество узлов Сибиллы, чтобы попытаться подорвать консенсусный процесс.

Оказывается, все эти проблемы связаны, и все они имеют решение, которое называется доказательством работы.

Ключевая идея доказательства работы заключается в том, что вместо просто выбора случайного узла, мы увеличиваем вероятность выбора узла или приближаем выбор случайного узла, пропорционально ресурсу, который как мы надеемся, никто не сможет монополизировать.

Если, например, этот ресурс является вычислительной мощностью, то тогда это будет системой доказательства работы.

В качестве альтернативы это может быть пропорционально владению валютой, и это называется системой доказательства ставки.

Хотя эта система не используется в биткойне, доказательства ставки является альтернативной моделью, и такая система используется в других криптовалютах.

Мы рассмотрим доказательства ставки и другие варианты доказательства работы позже.

Вернемся к доказательству работы.

Давайте попробуем лучше понять, что значит выбирать узлы пропорционально их вычислительной мощности.

Другим способом понять это является то, что мы позволяем узлам конкурировать друг с другом, используя их вычислительную мощность, и это приводит к тому, что узлы автоматически выбираются в этой пропорции.

Еще один взгляд на доказательство работы заключается в том, что создание нового идентификатора узла будет умеренно тяжелым.

Это своего рода налог на создание идентичности и, следовательно, на атаку Сибиллы.

Это может показаться немного расплывчатым, поэтому давайте посмотрим на детали системы доказательства работы, которые используются в биткойне, чтобы прояснить эту систему.

Биткойн получает доказательства работы с использованием головоломок.

Чтобы создать новый блок, узел, который предлагает этот блок, должен найти номер или nonce.

Когда вы объединяете nonce, хеш предыдущего блока и список транзакций, которые составляют новый блок, и получаете хэш всей этой строки, то этот полученный хэш должен быть числом, которое попадает в диапазон, которое довольно мал по отношению к значительно большему выходному пространству этой хэш-функции.

Мы можем определить такое целевое пространство или диапазон, как любое значение, которое попадает ниже определенного целевого значения. В этом случае nonce должен будет удовлетворять неравенству.

Как мы видели ранее, обычно блок содержит ряд транзакций, которые предлагает узел.

Кроме того, блок также содержит указатель хеша на предыдущий блок.

И кроме того, теперь мы требуем, чтобы блок также содержал nonce.

Идея состоит в том, что мы хотим сделать сложной задачу нахождения nonce, которое удовлетворяет определенному свойству, состоящему в том, что хеширование всего блока вместе, в том числе и nonce, приведет к определенному типу результата.

Если хеш-функция удовлетворяет свойству головоломки, то единственный способ добиться успеха в решении этой задачи с хэшем состоит в том, чтобы просто перебирать nonce один за другим, пока вам не повезет.

Так что конкретно, если целевое пространство для результата составляет всего один процент от общего объема выходных данных, вам нужно попробовать около 100 nonce, прежде чем вы попадете в диапазон.

В реальности, размер этого целевого пространства намного меньше одного процента выходного пространства.

Это понятие головоломок и доказательство работы полностью устраняет необходимость волшебного выбора случайного узла.

Вместо этого узлы просто самостоятельно конкурируют, чтобы все время решать головоломки.

Время от времени одному из них везет, и он находит случайный нонс, который удовлетворяет этому свойству.

Затем этот удачливый узел предлагает следующий блок.

Вот каким образом система полностью децентрализована.

Никто не решает, какой узел получает возможность предложить следующий блок.

Существует три важных свойства головоломки.

Во-первых, ее довольно сложно вычислить.

И эта сложность меняется со временем.

По состоянию на конец 2014 года уровень сложности составлял около 10 в 20 степени хэшей на блок.

Другими словами, размер целевого пространства составлял всего 1/(10 в 20 степени) от размера выходного пространства хэш-функции.

Это очень много вычислений – например, это за пределами возможности обычного ноутбука.

Из-за этого далеко не все узлы пытаются конкурировать в этом процессе создания блока.

Этот процесс повторяющихся попыток и решений этих головоломок хэша известен как майнинг биткойна и участвующие в этом процессе узлы называются майнерами.

Хотя технически кто угодно может быть майнером, для этого сейчас высокая стоимость входа в этот процесс.

Второе свойство головоломки состоит в том, что мы хотим, чтобы стоимость решения была параметризируемой, а не фиксированной стоимостью все время.

То, как это делается, заключается в том, что все узлы в одноранговой сети Bitcoin автоматически пересчитывают размер целевого пространства в виде доли выходного пространства, каждые 2016 блоков.

Они пересчитывают диапазон таким образом, чтобы среднее время между последовательными блоками, создаваемыми в сети Биткойн, составляла около 10 минут.

С 10-минутным среднем временем между блоками, 2016 блоков работают до двух недель.

Другими словами, пересчет целевого пространства происходит примерно раз в две недели.

Давайте подумаем, что это значит.

Если вы майнер, и вы вложили определенное количество компьютерного железа в добычу биткойнов, но общая экосистема майнинга растет, в нее поступают все больше майнеров или они развертывают все более мощное аппаратное обеспечение, это означает, что за двухнедельный период, будет найдено немного больше блоков, чем ожидалось.

Таким образом, узлы будут автоматически перенастраивать диапазон головоломки, и объем работы, которую вы должны будете сделать, чтобы найти блок, будет увеличиваться.

Поэтому, если вы вложили фиксированный объем инвестиций в оборудование, скорость, с которой вы находите блоки, фактически зависит от того, что делают другие майнеры.

Есть очень хорошая формула, чтобы зафиксировать то, что вероятность того, что любой данный майнер, например, Алиса, выиграет следующий блок, пропорциональна доли глобальной хэш-мощности, которую она контролирует.

Это означает, что, если у Alice есть оборудование для майнинга, которое составляет около 0,1 процента от общей хэш-мощности экосистемы, она будет добывать примерно один из каждых 1000 блоков.

Какая цель у этой корректировки сложности головоломки?

Почему мы хотим сохранить этот 10-минутный интервал между новыми блоками?

Причина довольно проста.

Если бы блоки были очень близки друг к другу, тогда мы потеряли бы преимущества оптимизации, заключающиеся в том, что мы можем вносить много транзакций в один блок.

Нет ничего волшебного в отношении числа 10.

И было много дискуссий о идеальной латентности блока, которую альткоины или альтернативные криптовалюты должны иметь.

Но, несмотря на некоторые разногласия относительно идеальной задержки, все согласны с тем, что это должна быть фиксированная величина.

Вот почему у нас есть функция автоматического пересчета целевого пространства или сложности головоломки.

Способ настройки доказательства работы позволяет нам переформулировать наше предположение о безопасности.

Вместо того, чтобы сказать, что почему-то большинство узлов являются честными в контексте, где узлы даже не имеют идентификаторов и не понимают, что это значит, мы можем теперь четко заявить, что атаки на биткойн маловероятны, если большинство майнеров, взвешенные по хэш-мощности, следуют протоколу – или, являются честными.

Это так, потому что, если большинство майнеров, взвешенные по хеш-мощности, честны, конкуренция за предложение следующего блока автоматически гарантирует, что существует по меньшей мере 50-процентный шанс, что следующий блок, который будет предложен в любой момент, исходит от честного узла.

В области исследований распределенных систем и компьютерной безопасности, как правило предполагают, что некоторый процент узлов является честным, и показывают, что система работает как предназначено, даже если другие узлы ведут себя произвольно.

Это тот же подход, которому следовали и мы, за исключением того, что мы взвешиваем узлы по хэш-мощности при определении большинства узлов.

В исходном документе Биткойн также содержится этот тип анализа.

Но теория игр дает совершенно другой, и, возможно, более сложный и реалистичный способ определения того, как будет себя вести система.

В этом представлении мы не разделяем узлы на честные и злонамеренные.

Вместо этого мы предполагаем, что каждый узел действует в соответствии со своими стимулами.

Каждый узел выбирает (рандомизированную) стратегию, чтобы максимизировать свой выигрыш, учитывая потенциальные стратегии других узлов.

Если протокол и стимулы разработаны хорошо, то большинство узлов будут следовать правилам большую часть времени.

«Честное» поведение – это всего лишь одна стратегия из многих.

Исходя из теории игр, большой вопрос заключается в том, является ли поведение майнера по умолчанию «равновесием Нэша», то есть представляет ли оно стабильную ситуацию, в которой ни один майнер не может реализовать более высокий выигрыш, отклонившись от честного поведения.

Этот вопрос по-прежнему спорный и является активной областью исследований.

Равнове́сие Нэ́ша – одно из ключевых понятий теории игр. Так называется набор стратегий в игре для двух и более игроков, в котором ни один участник не может увеличить выигрыш, изменив свою стратегию, если другие участники своих стратегий не меняют.

Решение головоломок-хэшей вероятностно, потому что никто не может предсказать, какой из nonce приведет к решению головоломки.

Единственный способ сделать это – попробовать nonce один за другим и надеяться, что это удастся.

Математически этот процесс называется испытаниями Бернулли.

Испытание Бернулли – это эксперимент с двумя возможными результатами, и вероятность получения каждого результата зафиксирована между последовательными испытаниями.

Здесь два результата: попадает ли хэш в целевое пространство или нет.

И, предполагая, что функция хэша ведет себя как случайная функция, вероятность этих исходов фиксирована.

Как правило, узлы пробуют так много nonce, что испытания Бернулли, являющиеся дискретным вероятностным процессом, могут быть хорошо аппроксимированы непрерывным вероятностным процессом, называемым пуассоновским процессом, процессом, в котором события происходят независимо с постоянной средней скоростью.

Конечным результатом всего этого является то, что функция плотности вероятности, которая показывает относительную вероятность времени, пока не будет найден следующий блок, выглядит следующим образом.

Это называется экспоненциальным распределением.