הוכחת עבודה

מאמר זה ייתן לך מדריך בסיסי בנושא הוכחת עבודה (Proof of Work). תלמד מהי הוכחת עבודה, מה ההבדל בין הוכחת עבודה להוכחת החזקה (Proof of Stake) ועוד.

לניווט קל יותר, עיין בתוכן העניינים:

• מהו הוכחת עבודה?
• למה אנחנו צריכים PoW?
• מהו כפל הוצאות?
• איך פועל PoW?
• הוכחת עבודה לעומת הוכחת החזקה
• סיכום
• שאלות נפוצות

מהו הוכחת עבודה?

הוכחת עבודה (Proof of Work, או PoW בקיצור) היא מנגנון קונצנזוס (הידוע גם בשם אלגוריתם קונצנזוס) המשמש ב מטבעות קריפטוגרפיים. מה שהוא עושה זה למנוע הוצאות כפולות. הוכחת עבודה מכונה בדרך כלל שיטת אבטחת ספר החשבונות של מטבעות קריפטוגרפיים.

בהיותו אלגוריתם הקונצנזוס הראשון שנוצר אי פעם, Proof of Work עדיין נחשב לאלגוריתם הדומיננטי מבין אלגוריתמי הקונצנזוס האחרים. סאטושי נקאמוטו, ה ביטקוין יוצר, הציג את PoW עוד בשנת 2008. אך במציאות, הטכנולוגיה שהפכה את PoW לאפשרית הייתה ידועה לפני התקופה.

הדוגמה המפורסמת ביותר לאלגוריתם PoW מתקופת טרום המטבעות הקריפטוגרפיים היא HashCash של אדם בק. האלגוריתם שימש ככלי להפחתת כמות הודעות הספאם על ידי דרישה מהשולחים לבצע כמות מסוימת של חישובים לפני שליחת דוא"ל. כמות כוח המחשוב הייתה נמוכה יחסית עבור שולח דוא"ל בודד, אך היא גדלה באופן דרמטי עבור מי ששלח כמויות אדירות של דוא"ל.

מדוע אנו זקוקים להוכחת עבודה?

כדי לענות על שאלה זו, עלינו לבחון תחילה כיצד טכנולוגיית בלוקצ'יין עובד.

ברשת ביטקוין, המשתמשים זקוקים למערכת כדי לאשר את העסקאות, שכן כאשר הם משדרים את העסקאות שלהם לרשת, הן לא מקבלות את הסטטוס המאומת שלהן באופן מיידי. העסקאות צריכות להפוך תחילה לחלק ממערכת הבלוקצ'יין. מכיוון שהבלוקצ'יין הוא מסד נתונים פתוח, כל משתמש יכול לעקוב אחר ההיסטוריה של כל הכספים ברשת. הדרך הקלה ביותר להבין זאת היא באמצעות פנקס רשימות.

הנה הרעיון:

• אתה ושלושה מחבריך חולקים את אותו פנקס;
• ארבעתכם משתמשים במחברת זו כדי לעקוב אחר העסקאות ולראות כמה כסף כל אחד מכם מוציא;
• כדי להפוך כל עסקה חדשה לתקפה, בעת ביצועה, אתה מתייחס לעסקה הקודמת שסיפקה את הכספים;
• לכן, אם אחד מחבריך ינסה לבצע עסקה באמצעות אותם כספים – עסקה כזו תיחשב כלא חוקית ותיחסם.

אבל כאן טמון הקאץ' – מערכת כזו יכולה לעבוד רק עבור קבוצה קטנה של אנשים שמכירים זה את זה ויכולים להגיע להסכמה בעת ביצוע עסקאות ורישום הפרטים שלהם במחברת משותפת, כדי להפוך את הפעולות שלהם לשקופות וניתנות למעקב. אבל מה אם אתה רוצה לעשות את אותו הדבר עבור קבוצה גדולה של משתמשים מקוונים, נניח 10,000 אנשים או יותר? במקרה זה, גישת הפנקס לא תעבוד, שכן אף אחד לא יהיה מעוניין לאפשר לזרים לנהל את העסקאות שלו.

ולכן רשת המטבעות הדיגיטליים זקוקה למערכת הוכחת עבודה (Proof of Work). מנגנון זה משמש כמחסום המונע ממשתמשים להוציא נכסים שאין להם זכות להוציא. אלגוריתם ה-PoW משלב תורת המשחקים וקריפטוגרפיה, ובכך מאפשרים למשתמשי הבלוקצ'יין של ביטקוין לעדכן את נתוני העסקאות בביטקוין בהתאם קפדני למערכת.

איך פועל PoW?

מהו כרייה?

כדי להבין כיצד פועל Proof of Work, עלינו ללמוד תחילה מהו כרייה.

כאשר מוסיפים עסקאות לבלוקצ'יין, לא ניתן להוסיף אותן בנפרד – יש לאסוף אותן לבלוקים. ברגע שהעסקאות מופיעות ברשת, הרעיון הוא כדלקמן: יש להוסיף אותן לסוג מסוים של בלוק המכונה בלוק מועמדים. לאחר מכן, בלוק המועמד הזה ממתין לאישורו כדי להיות תקף – במילים אחרות, כדי להתווסף לבלוקצ'יין.

יצירת בלוק חדש אינה תהליך זול. היא דורשת משאב מסוים, והוא כוח מחשוב. או כוח כרייה, שכן מי שיוצר בלוק נקרא כורה. כורה (המשתמש במחשב מודרני עם מספיק CUP) פותר מה שמכונה חידת חישוב – כלומר, השיח נתוני הבלוק.

מהו hashing של נתוני הבלוק? זה אומר עיבוד הנתונים באמצעות פונקציית hash המייצר חתימת בלוק. לאחר עיבוד באמצעות פונקציות החתימה, בלוק חדש מקבל קוד ייחודי – מעין טביעת אצבע. “טביעת אצבע” זו מעניקה זהות ייחודית לנתוני הקלט של הבלוק שלך.

אי אפשר לחלץ את נתוני הקלט מתוך חתימת בלוק. עם זאת, אם אתה מכיר את הקלט, אתה יכול לדעת אם הבלוק נכון. כל מה שאתה צריך לעשות זה לעבד את הקלט באמצעות פונקציית החתימה ולוודא שהתפוקה זהה.

הוכחת עבודה דורשת שה-hash של הנתונים יעמוד בתנאים מסוימים. כדי לוודא שה-hash של הנתונים עומד בתנאים, עליך להריץ אותו דרך פונקציית ה-hash. אם, לאחר הבדיקה, הנתונים לא יתאימו, עליך לתקן אותם על ידי שינוי קל. חשוב לדעת ששינוי של תו אחד בלבד יגרום להבדל עצום, כך שתוצאת הפלט תהיה בלתי צפויה לחלוטין.

השורה התחתונה היא שיצירת בלוק היא משימה שאי אפשר לחזות מראש. הכל מסתכם בהצפנת מספר עסקאות עם נתונים חיוניים אחרים. מה שתמיד תצטרך הוא להשלים מערך נתונים קבוע עם נתון משתנה. בלעדיו, תוצאת ההצפנה שלך תמיד תישאר ללא שינוי.

הנתון המשתנה שהזכרנו נקרא nonce. זהו מספר שמשתנה בכל פעם ומספק לך חתימות שונות. התהליך עצמו נקרא כרייה.

אז מה זה כרייה בכלל?

• כרייה היא תהליך של איסוף נתוני בלוקצ'יין והפיכתם להאש באמצעות נונס, במטרה למצוא האש מסוים. כאשר כורה מוצא האש התואם לתנאים שהוגדרו בפרוטוקול, הוא מקבל את הזכות לשדר בלוקים חדשים לרשת. במקביל, הבלוקצ'יין מתעדכן על ידי משתמשים אחרים ברשת המוסיפים בלוקים חדשים.

התנאים שיש לעמוד בהם במהלך תהליך הכרייה שונים בין מטבעות דיגיטליים שונים. לדוגמה, יש מטבעות עם תנאים קשים במיוחד. הכל תלוי ב- קצב ההאש של הרשת – ככל שקצב ההאש גבוה יותר, כך קשה יותר למצוא האש תקף. כל זה חלק מתכנון – אם קצב ההאש היה נמוך, הכורים היו מוצאים מטבעות מהר מדי, ומספרם היה גדל במהירות.

עם זאת, כרייה אינה בלתי אפשרית. הרעיון הוא שהיא צריכה להיות קשה במידה מתונה. אחרת, לא יהיה טעם לכורים אחרים להצטרף. כרייה היא תחרות. מדי יום הכורים מתחרים זה בזה. העבודה שהכורים עושים מתוגמלת בסופו של דבר, מה שמגביר את התלהבותם להמשיך בכרייה.

כפי שהזכרנו קודם, כרייה (כלומר, פתרון חידה מתמטית) דורשת כוח חישובי עצום. אבל זה לא הכל. כידוע, מחשבים זקוקים לחשמל כדי לפעול. לכן כרייה היא משימה כבדה מבחינת עלויות החשמל. אבל יש גם חדשות טובות – האשים תקפים מתוגמלים. משמעות הדבר היא שבכל פעם שכורה מוצא האש תקף, הוא מקבל תגמול בלוק ב מטבע קריפטוגרפי.

מהי הצפנה באמצעות מפתח ציבורי?

על סמך כל המידע הנ"ל, אנו מגיעים למסקנות הבאות:

• כרייה עולה כסף (חומרת כרייה + כמות משמעותית של חשמל)
• כורים מקבלים תגמולים על מציאת בלוקים תקפים
• בעזרת נתוני קלט, משתמש בלוקצ'יין יכול לוודא שהבלוק תקף מבלי להשתמש ביותר מדי כוח מעבד.

אבל העניין הוא שתמיד יהיו כאלה שירצו ללכת בדרך הקלה. במקרה זה, אלה שירצו לנסות לרמות. האם זה אפשרי? האם אדם יכול ליצור מספר עסקאות כוזבות, לחבר אותן לבלוק אחד, ולהצליח ליצור בלוק חדש ותקף? מבחינה טכנית, התשובה היא כן. אבל יש דרך למנוע מגורמים עוינים לעשות שימוש לרעה בבלוקצ'יין הציבורי לטובתם האישית.

כדי לוודא שמשתמש רשאי להוציא כספים, נעשה שימוש במנגנון הצפנה מיוחד – המכונה הצפנה באמצעות מפתח ציבורי. הרעיון הוא כדלקמן:

• בעת יצירת עסקה, על המשתמש לחתום על זה;
• החתימה היא ציבורית, וכל משתמש יכול לגשת אליה;
• משתמשים אחרים יכולים להשוות את החתימה עם המפתח הציבורי – אם הם תואמים, העסקה תקפה;
• משתמשים יכולים גם לוודא אם יוצר העסקה יכול 실제로 להוציא את כספם והאם סכום התפוקה נמוך מסכום הקלט.

לפרטים נוספים, אנא קרא מאמר זה.

הרשת מוחקת כל בלוק עסקאות לא חוקי, מה שמביא להפסד כספי עצום. לכן, רמאות ברשת הבלוקצ'יין היא באמת יקרה מאוד. וזה הרעיון העומד מאחורי הוכחת העבודה (ומנגנוני קונצנזוס אחרים):

• מנגנון הקונצנזוס PoW מייקר את הרמאות, אך מצד שני, הוא מעודד אותך לפעול ביושר, ובכך להרוויח רווחים גדולים.

מהו כפל הוצאות?

כשמדברים על הוכחת עבודה, יש מונח בסיסי שחשוב להכיר. המונח הוא "הוצאה כפולה".

A הוצאה כפולה הוא בעצם סכום כסף שהמשתמש מנסה להוציא יותר מפעם אחת. זהו מונח נפוץ בתחום העסקאות בכסף דיגיטלי. הסיבה לכך היא שכספים דיגיטליים אינם זהים למטבע פיאט, כלומר כסף שקיים בפועל בעולם הפיזי. אחרי הכל, בשלב מסוים, כל אדם העוסק במטבעות דיגיטליים יצטרך להודות שאין להם ערך אמיתי בעולם האמיתי. אך שוב, ממגוון סיבות, מטבעות קריפטוגרפיים הפכו לפופולריים מאוד בשנים האחרונות, מה שהביא לבום קריפטוגרפי ולשפע של טכניקות הונאה. אחת הטכניקות הללו היא הוצאה כפולה.

בואו נהיה ברורים:

• אי אפשר לשלם פעמיים במזומן, אבל אפשר (לפחות לנסות) להשתמש באותו קרן מטבע דיגיטלי כדי לבצע עסקאות ביטקוין (מה שמהווה, כמובן, הונאה).

דמיינו את הסיטואציה הבאה: קניתם כוס קפה ושילמתם עליה במזומן. כעת, אם תרצו כוס קפה נוספת, לא תוכלו לשלם עליה באותו שטר דולר, מכיוון שהוא כבר התקבל על ידי הקופאי וננעל בקופה. גם לא תוכלו להשתמש בשטר זה בחנות אחרת, מהסיבה שהוזכרה לעיל.

אבל עם מטבעות דיגיטליים, אפשר לבצע את התרגיל הזה. מכיוון שכסף דיגיטלי הוא רק אוסף של אפסים ואחדים (כלומר, נתונים דחוסים בקובץ), אפשר לשכפל את הנתונים האלה ולשלוח אותם בדוא"ל לכמה אנשים שרוצים. לכן כל כך חשוב שיהיו מנגנונים שימנעו מאנשים להשתמש באותם כספים במקומות שונים. בלי מנגנונים כאלה, הוצאה כפולה תהרוס את המטבע.

למידע נוסף על הוצאה כפולה, קרא מדריך זה.

הוכחת עבודה לעומת הוכחת החזקה

כפי שציינו לעיל, Proof of Work (PoW) אינו אלגוריתם הקונצנזוס היחיד שקיים. בחלק זה של המדריך נבחן מתחרה פוטנציאלי לאלגוריתם Proof of Work – הוכחת החזקה.

מהו הוכחת החזקה?

Proof of Stake הוא מנגנון קונצנזוס פופולרי נוסף המאפשר לאמת עסקאות ולהגיע לקונצנזוס. אך PoS משתמש בגישה שונה לחלוטין מזו של PoW. בניגוד ל-Proof of Work, Proof of Stake פועל באופן וירטואלי.

משמעות הדבר היא שבעוד ש-PoW דורש כוח חישובי עצום כדי לבצע פונקציית עלות CPU (או לפתור חידת חישוב), התכונה העיקרית של PoS היא השימוש במאמתים. המאמתים נועלים את ההימור כדי למנוע רמאות. לאחר מכן, המאמתים צריכים להחליט מה יהיה הבלוק הבא שייתווסף לשרשרת. אז הם מהמרים על הבלוקים שנבחרו. אם בלוק מופיע בשרשרת, המאמתים מקבלים תגמול ביחס לכל ההימור.

האם PoS עדיף על PoW?

Proof of Stake טרם שולב באופן מלא בבלוקצ'יין הקריפטוגרפי. ואחת הרשתות הראשונות לעשות זאת היא רשת אתריום. קהילת אתריום מצפה לעבור מ-Proof of Work ל-Proof of Stake בעתיד הקרוב. הסיבה לכך היא ש-Proof of Work צורך יותר מדי חשמל – פונקציית תמחור ה-CPU דורשת יותר כוח כרייה מאשר אימות עסקאות באמצעות PoS. וככל שיותר כורים מצטרפים לבריכות כרייה, כך נדרש יותר כוח.

אנשים רבים ברחבי העולם מודאגים מכמויות צריכת החשמל הללו. לכן, הבלוקצ'יין של אתריום מעוניין להשתמש במנגנון ה-Proof of Stake בניסיון למצוא פתרון ירוק יותר.

נקודה נוספת בתחרות בין PoW ל-PoS היא המהירות (מספר העסקאות בשנייה). עם Proof of Stake, משתמשים יכולים לשלוח ולקבל כספים תוך שניות ספורות, לעומת תהליך Proof of Work שלוקח זמן רב יותר. אגב, הגורם האחרון משפיע גם על עליית עמלות העסקה ברשתות הקריפטו.

ולבסוף, ישנו נושא האבטחה. האם Proof of Stake בטוח יותר מ-Proof of Work? התשובה היא כן. הודות לפרוטוקול CASPER, PoS הוא פוטנציאלית בטוח יותר מ-PoW. יתר על כן, התקפות האקרים נגד מערכות מבוססות PoS יהפכו ליקרות יותר, ולכן נדירות יותר.

סיכום

בעבר, הוכחת עבודה (Proof of Work, PoW) הייתה המנגנון המקורי לזיהוי הוצאות כפולות בתוך ביטקוין בלוקצ'יין. שילוב של קריפטוגרפיה, פונקציות hash, ותורת המשחקים, PoW מאפשר פעולה בטוחה יותר בתוך רשת מבוזרת, ויוצר מערכת מבוזרת ויציבה המבוססת על קונצנזוס.

שאלות נפוצות

מהו פרוטוקול הוכחת עבודה?

פרוטוקול PoW הוא מנגנון לאימות עסקאות בתוך מערכת המטבעות הקריפטוגרפיים המבוזרת. באמצעות Proof of Work, לא ניתן לבצע הוצאה כפולה – טכניקת הונאה של שימוש באותו סכום כסף עבור מספר עסקאות.

מה ההבדל בין הוכחת החזקה (Proof of Stake) להוכחת עבודה (Proof of Work)?

ישנם שני הבדלים עיקריים בין שני פרוטוקולי הקונצנזוס הפופולריים ביותר. ההבדל הראשון הוא ש-Proof of Stake מיישם גישה חסכונית יותר באנרגיה, בעוד ש-Proof of Work זקוק לכמויות גדולות של אנרגיה חשמלית כדי לפעול. ההבדל השני הוא ש-Proof of Stake הוא פוטנציאלית בטוח יותר הודות לפרוטוקול CASPER ולעלייה בעלויות של מתקפות האקרים.

מה הכוונה ב“חידה מתמטית”?”

פתרון “חידה מתמטית” הוא התהליך של כריית מטבעות קריפטוגרפיים. כורים ברחבי העולם משתמשים בציוד מחשוב יקר וצורכים כמות רבה של חשמל כדי “לכרות” ביטקוינים (ומטבעות קריפטוגרפיים אחרים) על ידי עיבוד כמויות אדירות של נתונים כדי ליצור יחידות חדשות ולהוסיף אותן לבלוקצ'יין.

מהו אסימון PoW?

אסימון PoW הוא “מטבע” המשמש כצורת תשלום מדומה במספר יישומים, כגון דואר אלקטרוני. אם לדואר אלקטרוני מצורף אסימון PoW, פירוש הדבר שהדואר האלקטרוני נקי מספאם. אסימוני PoW משמשים גם להוכחת עבודה רב-פעמית (Reusable Proof of Work). מבחינה טכנית, אסימוני PoW הם מרכיבים של מערכת נגד ספאם.