Proof-of-Work konsensusalgoritmi – Lue mistä on kyse

Ne, joille esimerkiksi Bitcoinin taustalla toimiva teknologia on edes hiukan tuttua, tietävät varmasti termin Proof-of-Work. Se on olennainen osa Bitcoinin ja monien muiden tunnettujen kryptovaluuttojen taknologiaa, eli lohkoketjua.

PoW-konsensusalgoritmi takaa myös sen, että kryptovaluuttojen nousun myötä Bitcoin-verkko vahvistuu. Kun yhä useammat ihmiset ja instituutiot ottavat Bitcoinin käyttöön, yhä useammat haluavat tietää, kuinka nämä uudet teknologiat toimivat. PoW-protokolla tarkoittaa myös sitä, että Bitcoineja voi hankkia muillakin tavoilla, kuin vain ostamalla sitä: esimerkiksi louhimalla.

Tässä artikkelissa perehdymme tarkemmin tähän teknologiaan ja miten se vaikuttaa esimerkiksi Bitcoinin olemassaoloon nyt ja tulevaisuudessa. Aloitetaan perehtymällä hieman siihen, mistä tämä teknologia on saanut alkunsa.

Proof-of-Work historia

Proof-of-Work -konsensusalgoritmi sai alkunsa ehkä yllättäen sähköpostiteknologiasta. Roskapostiviestit olivat yleisiä 1990-luvun alussa, ja kahden akateemikon, Cynthia Dworkin ja Moni Naorin, raportti aiheesta julkaistiin tuolloin. Se käsitteli sitä, kuinka tämmöinen roskapostiviestien tulva voidaan pysäyttää. Vuonna 1992 ratkaisuna käytettyä salausta käytettiin jo asiakirjojen lohkoketjuihin.

Tästä meni kuitenkin vielä aikaa, ja vasta vuonna 2004 alettiin nähdä kunnollisia merkkejä lohkoketjuteknologian perustasta. Näiden aikaisten lohkoketjujen avulla käyttäjät pystyivät jatkuvasti validoimaan erilaisia toimintoja laillisessa palvelimessa.

Vuoden 2008 talouskriisin vauhdittamana Satoshi Nakamoto, edelleen tuntematon Bitcoinin perustaja, käytti useita tekniikoita luodakseen konsensusmekanismin, jonka tunnemme nyt Proof-of-Work -nimellä. Tänä päivänä Proof-of-Work on otettu käyttöön sellaisissa verkoissa kuin Bitcoin, Litecoin ja Dogecoin. Alunperin se toimi myös Ethereumin pohjana, kunnes tämä siirtyi Proof-of-Stake -protokollaan.

PoW-konsensusalgoritmia pidetään edelleen turvallisimpana konsensusalgoritmina, huolimatta siitä, että hajautettujen sovellusten uudemmat protokollat toimivat paremmin vaihtoehtoisissa konsensusmekanismeissa, kuten Proof-of-Stake (PoS), delegoitu Proof-of-Stake ( dPoS) sekä muut algoritmit, jotka käyttävät sekä Proof-of-Work- että Proof-of-Stake -fuusiota.

Mikä on Proof-of-Work?

Bitcoin ja monet muut markkinoiden ensimmäisistä kryptovaluutoista toimivat niin sanotulla Proof-of-Work (PoW) -konsensusmekanismilla. Konsensusmekanismit mahdollistavat sen, että koko järjestelmä voi sopia verkon nykyisestä tilasta, mikä vaatii osallistumista sekä kaivosmiehiltä, jotka toimivat transaktioiden vahvistajina, että yksittäisiltä solmuilta (eng. node), jotka valvovat konsensussääntöjen noudattamista.

On elintärkeää, että jokaisella solmulla on täsmälleen sama versio pääkirjasta, eli lohkoketjusta, ja että ne noudattavat samoja konsensussääntöjä, jotta ne ovat nimensä mukaisesti “konsensuksessa”. Jos yhdellä tietokonesolmulla on yksi versio Bitcoin-protokollasta, kun taas toisella on hieman erilainen Bitcoin-versio, verkko ei tällöin ole yhteensopiva.

Ja koska Bitcoin ja muut lohkoketjuprotokollat tallentavat jokaisen tapahtuman pysyvästi digitaaliseen reskontraan, erilainen “konsensus” siitä, kuinka digitaalinen pääkirja toimii, tekisi toiminnallisuuden kiistanalaisen. Yksinkertaisesti sanottuna jokaisen tietokoneen on oltava “konsensuksessa”, jotta lohkoketju on kelvollinen ja toimintakykyinen.

Yksi lohkoketjuteknologian peruspilareista, eli hajauttamisen tärkeimmistä tekijöistä on varmistaa, että verkko ei ole minkäänlaisen keskusviranomaisen alainen, jolloin mitä tahansa lohkoketjuprojektia säätelevät lait noudattavat ainoastaan matematiikkaa ja koodia. Vaihtoehtona on myös PoW-protokolla, jossa on keskitetty viranomainen, joka sanelee, kuinka protokolla toimii.

Keskitetyissä protokollissa haittana voi olla tietysti se, että keskitetty viranomainen voi väärinkäyttää valtaansa järjestelmän suhteen. Sellaisenaan konsensusalgoritmit ovat yksi avainelementeistä toiminnallisesti elinkelpoisen luotettavasti läpinäkyvän järjestelmän saavuttamiseksi.

Turvamekanismina PoW käyttää myös energiaa, eli laskentatehoa suojatakseen sen verkkoa hyökkäyksiltä. Salauksen, tiivisteiden ja monimutkaisten laskentatehtävien avulla PoW varmistaa, että digitaalinen pääkirja pysyy muuttumattomana lopullisesti. Lohkoketjun muuttamiseen tarvitaan valtava määrä laskentatehoa ja laitteisto, joka pystyy ratkaisemaan käsittämättömän vaikeita algoritmeja. Tämä tekee Proof-of-Work-lohkoketjuverkoista niin turvallisia.

Proof-of-Work ja louhinta

Kryptotuntijoiden puheissa kaivostoiminnasta ja Proof-of-Workista on tullut synonyymejä. On helppo ymmärtää miksi:

• PoW viittaa todistustyöhön, joka tehtiin kuluttamalla energiaa.
• Kaivostyöläiset puolestaan jakavat Bitcoin-lohkopalkkion, joka ansaitaan louhimalla uusi BTC-lohko.
• Koko prosessia kutsutaan “bitcoinin louhinnaksi“.

Bitcoinin alkuaikoina coinien louhiminen oli paljon helpompaa ja kustannustehokkaampaa, koska Bitcoinia, Litecoinia, jne. ei ollut louhimassa paljon ihmisiä. Samalla puuha ei kuitenkaan ollut yhtä kilpailukykyistä, koska lohkoja ei luotu yhtä paljon, kuin tänä päivänä.

Lohkot ovat paikkoja, joissa tapahtumatiedot tallennetaan pysyvästi lohkoketjuun. Lohkon louhinta tarkoittaa ratkaisun löytämistä matemaattiseen ongelmaan, ja kaivostyöntekijät keräävät työstään palkaksi lohkopalkkioita ja transaktiomaksuja. Joka 2 016 lohkon välein Bitcoinin louhintavaikeus mukautetaan joko ylös- tai alaspäin käytettävissä olevien kaivostyöntekijöiden lukumäärän perusteella. Näin ollen kunkin lohkon keskimääräinen aika on aina noin 10 minuuttia.

Aikoinaan Bitcoinin louhimiseen voitiin käyttää mitä tahansa vanhaa tietokonetta. Vuosien mittaan louhinnan vaikeustaso kuitenkin kasvoi niin, että tarvitsit GPU:ita tai erikoiskoneita, joita kutsutaan ASIC:iksi. Nyt on jo sellainen tilanne, jossa kokonaisia kaivoslaitteistoja ja ne majoittavia varastotiloja rakennetaan vain ollakseen kilpailukykyisiä Bitcoinin louhinnassa. Ellei sinulla ole laajoja resursseja ja halpaa sähkösopimusta, Bitcoinin louhinta ei välttämättä ole kannattavaa.

Bitcoinin louhinta

Otetaan käytännön esimerkki louhinnasta: Bitcoin. Kuten äsken mainittiin, yhden bitcoinin louhinta vuodessa saattaa maksaa tuhansia dollareita, jos olet onnekas. Kun Bitcoin lanseerattiin vuonna 2009, oli vielä mahdollista louhia ensimmäinen kryptovaluutta henkilökohtaisella tietokoneella. Nyt, kun yhä useammat kaivostyöläiset osallistuvat kilpailuun, louhintaan tarvitaan huomattavasti tehokkaampia laitteita.

Louhintabudjettia koskeva päätös riippuu siitä, mitä näistä kolmesta hallitsevasta lähestymistavasta kaivostoiminnassa lähdet noudattamaan:

1. Investoi paljon omien kaivoslaitteiden ostamiseen ja pidä kaikki tuotot itselläsi
2. Kaivosresurssien yhdistäminen osaksi kaivospoolia
3. Pilvikaivosresurssien käyttö tilausmalliin perustuen

Näiden lähestymistapojen koukku on se, että niissä kaikissa on selkeät edut ja heikkoudet, joiden merkitys riippuu suurelta osin siitä, mitä haluat saavuttaa kaivostoiminnalla ja millä aikavälillä.

Lyhyesti sanottuna kaivostoiminta toimii näin:

• Oletetaan, että haluan sinun arvaavan luvun 1-20. Helppoa, eikö?
• Mutta oletetaankin, että haluan sinun arvaavan luvun välillä 1–1 miljardi. Hieman vaikeampaa.
• Nyt haluan sinun arvaavan 64-numeroisen merkkijonon, jossa on 16 symbolia väliltä 1-10 ja kirjaimet A-G.
• Saatat tarvita 3000 älykkyysosamäärää tai äärimmäisen tehokkaan koneen arvataksesi, että oikea vastaus tähän laskutehtävään on tietojono 1eF32a0a026bb49… ja niin edelleen.

Jos arvasit oikein ultragiga-aivoillasi, onnittelut. Olet toiminut kuin Proof-of-Work-konsensusalgoritmi konsanaan. Vaikka Proof-of-Work oli luotettava ja käyttökelpoinen malli hyvin pitkään, ja sillä on edelleen päteviä todisteita sen tueksi, tarvitset tänä päivänä valtavasti laskentatehoa, jotta voit edes kauko-ohjata tai osallistua verkkoon kaiken sen salaustyön vuoksi. Tehtävä vaatisi liikaa vaivaa. Lue lisää Bitcoin louhinnasta täältä.

Proof-of-Work vs. Proof-of-Stake

On yksi Proof-of-Work -konsensusalgoritmiin liittyvä asia, josta olet hyvinkin saattanut jo lukea esimerkiksi mediassa: sen haitallisuus ilmastolle ja ympäristölle. Bitcoinin louhinta vaatii aivan valtavia määriä energiaa, sillä sen louhinta yksinään käyttää 0,5 prosenttia maailman energiantuotannosta. Tämä vastaa yhtä paljon, kuin Las Vegasin kaltainen megakaupunki käyttää vuodessa. Nykyään asiaan on joidenkin tietojen mukaan puututtu lisäämällä louhintatehon hankintaa uusiutuvista energialähteistä.

Toinen yleinen kritiikki, jota Proof-of-Work-protokollat kohtaavat, sanoo, että konsensusalgoritmi suosii kaivostyöläisiä, joilla on enemmän resursseja, koska ne, joilla on paljon rahaa, voivat ostaa kokonaisia rakennuksia, jotka voidaan sitten täyttää kaivostyökaluilla, jotka louhivat kryptoja.

Sitä vastoin vaihtoehtoisen Proof-of-Stake -protokollan kyky vahvistaa lohkot verkon sisäisesti on verrannollinen siihen, että laittaisit rahaa korkotilille kasvamaan tuottoa tietyksi ajaksi. Tarvitset tähän toimintaan vain perustason resursseja, kuten kannettavan tietokoneen, ja sitä kryptovaluuttaa, jota haluat “tallettaa”, eli steikata. Lisäksi sinun tulee miettiä, kuinka paljon kryptoa sinun täytyy steikata verkon validoimiseksi. Tämä on usein määritelty kyseisen lohkoketjun toimesta; esimerkiksi Ethereumin verkossa pääsee mukaan stakingiin lukitsemalla verkkoon 32ETH.

Kaivostoiminnan sijaan Proof-of-Stake toimii validointisolmujen kautta, joita ovat esimerkiksi edellä mainitut kyseiseen verkkoon liitetyt kannettavat tietokoneet. Energiatehokkaammasta lähestymistavasta huolimatta Proof-of-Stake kohtaa muita ongelmia, kuten lohkoketjun ohittamista.

Jos PoS-protokollassa joukko ihmisiä kokoontuu yhtäkkiä ottamaan haltuunsa 51% verkosta, tai jopa yksi erittäin rikas henkilö ostaa yli puolet protokollan varoista, verkko vaarantuu. Teoriassa tämä voi olla mahdollista, mutta käytännössä sen toteuttaminen on kuitenkin hyvin epäkäytännöllistä. Tästä ja muista ongelmista johtuen jotkin protokollat saattavat kuitenkin tulevaisuudessa valita yhdistelmän Proof-of-Work-protokollaa ja Proof-of-Stakea.

Yhteenveto

Proof-of-Work on ennen kaikkea kryptovaluuttoihin liitettävä termi, vaikkakin sen juuret ovat alun perin internetissä. Tänä päivänä se on esimerkiksi maailman arvokkaimman ja suurimman kryptovaluutan pohjana toimivan teknologian mahdollistaja, eli konsensusalgoritmi. Sitä käytetään myös monien muiden tunnettujen kryptovaluuttojen pohjana, mutta sen energiasyöppöys on viime aikoina herättänyt paljon kritiikkiä.

Vaikka PoW:n ympäristövaikutukset ovat kiistatta suuret, tämä konsensusalgoritmi on edelleen erittäin vahva perusta digitaaliselle valuutalle, sillä se tuo mukanaan vertaansa vailla olevaa turvallisuutta, jonka se tarjoaa esimerkiksi Bitcoin-verkolle.

PoW-protokollan haasteet eivät kuitenkaan pääty vain ympäristövaikutuksiin, minkä vuoksi sille on tuotu vaihtoehtoisia konsensusalgoritmeja, kuten Proof-of-Stake. Tästä huolimatta ei ole näköpiirissä, että PoW tulisi poistumaan käyttökelpoisten lohkoketjuteknologioiden listalta luultavasti koskaan.