In de wereld van cryptocurrency en blockchain is “Proof-of-Work” een fundamenteel concept dat de basis vormt voor de veiligheid en integriteit van vele digitale valuta’s. In dit artikel leg ik uitgebreid uit wat Proof-of-Work (PoW) is, hoe het werkt en waarom het zo belangrijk is. Ik doe dit aan de hand van simpele voorbeelden en één wat complexer voorbeeld. Je leest over de geschiedenis, de implementatie en de voor- en nadelen van dit consensusmechanisme.
Wat is Proof-of-Work?
Proof-of-Work (PoW) is een consensusmechanisme dat in blockchainnetwerken wordt gebruikt om transacties te valideren en nieuwe blokken aan de ketting toe te voegen. Het dient als een systeem om overeenstemming te bereiken in een gedecentraliseerd netwerk, waarbij deelnemers (miners) complexe wiskundige puzzels oplossen om transacties te verifiëren en te voorkomen dat mensen die kwaad in de zin hebben het systeem kunnen manipuleren.
Waarom het werkt tegen mensen die kwaad in de zin hebben: Om een blok toe te voegen, moet een miner een complexe wiskundige puzzel oplossen, wat aanzienlijke rekenkracht vereist. Dit betekent dat iemand die kwaadwillig wil handelen, een enorme hoeveelheid rekenkracht nodig heeft om de meerderheid van de mining-kracht (51% aanval) te controleren. Dit is meestal onpraktisch en extreem duur, wat de integriteit van het netwerk helpt handhaven.
Proof-of-Work simpel uitgelegd:
Denk aan Proof-of-Work als een loterij waarbij deelnemers door rekenkracht in te zetten loten kopen, ofwel complexe puzzels oplossen. Hoe meer rekenkracht je gebruikt, hoe meer ‘loten’ je hebt en hoe groter je kans om te winnen. De winnaar mag het nieuwe blok aan de blockchain toevoegen en ontvangt hiervoor een beloning in cryptocurrency. Dit proces waarborgt de integriteit van de blockchain, vergelijkbaar met een loterij waarbij alleen de gelukkige met het winnende lot de prijs claimt.
Net zoals de uitslag van een loterij wordt gecontroleerd en bevestigd door meerdere autoriteiten om de integriteit te waarborgen, worden in blockchain transacties bevestigd door een groep gelijkwaardige deelnemers en eenmaal toegevoegd, zijn ze zichtbaar en permanent, waardoor een transparant en onveranderlijk grootboek ontstaat
De geschiedenis van Proof-of-Work: Van e-mail spam tot cryptocurrency
Het concept van Proof-of-Work (PoW) is een cruciaal mechanisme dat veel verder teruggaat dan de opkomst van cryptocurrencies. Het heeft naar mijn mening echt een fascinerende evolutie ondergaan, van een idee om e-mail spam te bestrijden tot de ruggengraat van digitale valuta zoals Bitcoin.
De oorsprong: Bestrijding van spam via e-mail
In 1993 introduceerden Cynthia Dwork en Moni Naor het concept van PoW in een paper als een methode om e-mail spam en DoS-aanvallen te bestrijden. Hun idee was om een kleine hoeveelheid werk van de verzender van een e-mail te vereisen, wat niet voor (veel) oponthoud zou zijn voor normale gebruikers, maar enorm op zou lopen voor spammers die miljoenen berichten tegelijk versturen.
Hashcash: Een stap verder
In 1997 bracht Adam Back Hashcash uit, een systeem dat PoW gebruikte om spam via e-mail te beperken door verzenders te laten bewijzen dat ze berekeningswerk hadden verricht. Bij Hashcash moesten verzenders een berekening uitvoeren die een hash produceerde met een specifieke hoeveelheid vooraanstaande nullen. Het was eenvoudig voor ontvangers om te verifiëren, maar kostte rekenkracht en tijd om te genereren, waardoor het voor spammers onpraktisch werd om op grote schaal te verzenden.
Reusable Proof of Work (RPOW)
In 2004 introduceerde Hal Finney Reusable Proof of Work, een systeem dat gebaseerd was op het werk van Hashcash. De innovatie van Finney lag in het herbruikbaar maken van het PoW. RPOW stond gebruikers toe PoW-tokens uit te wisselen, waarbij elk token een bewijs was van eerder verricht werk. Dit idee was een directe voorloper van digitale valuta omdat het concept introduceerde van het overdragen van waarde via het bewijs van werk. Dit is ook een reden waarom sommige mensen denken dat Hal Finney de mysterieuze schepper van Bitcoin, Satoshi Nakamoto, is.
Proof-of-Work in Bitcoin
De daadwerkelijke implementatie van PoW in de context van cryptocurrency kwam met de introductie van Bitcoin in 2009 door een persoon of groep onder het pseudoniem Satoshi Nakamoto. Nakamoto perfectioneerde de ideeën van PoW, Hashcash en RPOW tot een systeem dat niet alleen spam bestrijdt, maar ook zorgt voor consensus en beveiliging in een gedecentraliseerd netwerk. In PoW van Bitcoin moeten miners rekenkracht gebruiken om complexe wiskundige problemen op te lossen, waardoor ze nieuwe blokken aan de blockchain kunnen toevoegen en in ruil daarvoor een beloning in Bitcoin (BTC) ontvangen.
Andere vroege voorbeelden
Hoewel Bitcoin de meest bekende toepassing is, waren er ook andere vroege voorbeelden van digitale valuta’s die PoW gebruikten. B-Money en Bit Gold, hoewel nooit volledig ontwikkeld, waren concepten die ideeën rond PoW en cryptografie verkenden als middelen om gedecentraliseerde valuta te creëren.
De rol van Proof-of-Work in Bitcoin
Bitcoin is het bekendste voorbeeld van een cryptocurrency die gebruikmaakt van PoW. Het creëert een competitief en veilig systeem waarbij miners hun rekenkracht inzetten om nieuwe blokken toe te voegen. Dit proces, bekend als mining, houdt het Bitcoin-netwerk veilig en functioneel.
De voordelen van Proof-of-Work
- Veiligheid: PoW maakt het extreem moeilijk om de blockchain te manipuleren. Om dit te doen, zou een aanvaller meer dan 50% van de totale rekenkracht van het netwerk moeten controleren, wat praktisch en financieel onhaalbaar is voor grote netwerken zoals Bitcoin.
- Decentralisatie: Door iedereen toe te staan te minen, bevordert PoW een meer gedecentraliseerd netwerk, wat leidt tot een grotere weerstand tegen censuur en controle door één entiteit.
- Bewezen track record: Bitcoin en andere cryptocurrencies hebben het succes en de duurzaamheid van PoW gedemonstreerd, waardoor het vertrouwen in deze methode is gegroeid.
De nadelen van Proof-of-Work
- Energieverbruik: PoW vereist een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit, wat leidt tot zorgen over de milieu-impact. De zoektocht naar meer energie-efficiënte alternatieven, zoals proof-of-stake, is aan de gang.
- Schaalbaarheid: Naarmate het netwerk groeit, kunnen transacties langzamer en duurder worden. Oplossingen zoals het Lightning-netwerk zijn in ontwikkeling om deze problemen aan te pakken.
Alternatieven voor Proof-of-Work
Naast Proof-of-Work zijn er andere consensusmechanismen zoals proof-of-stake (PoS), delegated proof-of-stake (DPoS), en proof-of-authority (PoA). Elk van deze mechanismen heeft verschillende voordelen en compromissen op het gebied van veiligheid, energieverbruik en decentralisatie.
De toekomst van Proof-of-Work
De discussie over de duurzaamheid en efficiëntie van PoW blijft de cryptogemeenschap enorm bezig houden. Terwijl sommige cryptocurrencies overstappen op alternatieve consensusmechanismen, blijft PoW een cruciaal element in de wereld van digitale valuta’s, met voortdurende inspanningen om het energieverbruik te verminderen en de efficiëntie te verbeteren.
Een voorbeeld (gevorderd) van Proof-of-Work
Laten we een eenvoudig, maar uitgebreid wiskundig voorbeeld geven van hoe een Proof-of-Work-systeem werkt, met name in de context van Bitcoin.
Het doel
In een Proof-of-Work-systeem moeten miners een numeriek probleem oplossen. Dit probleem is zo ontworpen dat het moeilijk is om op te lossen, maar gemakkelijk om de oplossing te verifiëren. In het geval van Bitcoin, is dit probleem het vinden van een hash die lager is dan een bepaald doel.
Hash-functie
Bitcoin gebruikt de SHA-256 hashfunctie. Een hashfunctie neemt input van elke grootte en produceert een output van vaste grootte. In het geval van SHA-256 is de output altijd 256 bits lang.
Het probleem
Stel je voor dat de huidige inhoud van een blok (inclusief alle transacties en de header van het vorige blok) als een lange string s is. De taak is om een nummer, n, te vinden zodanig dat wanneer n aan s wordt toegevoegd en door de hashfunctie wordt gehaald, het resultaat lager is dan het doel T. Wiskundig gezien is de taak:
Vind n zodat SHA-256(s∣∣n)<T
Hier is ∣∣ de concatenatie operator, wat betekent dat je n aan het einde van s plakt voordat je het door de hashfunctie haalt.
Een eenvoudig voorbeeld
Laten we een zeer vereenvoudigde versie van dit probleem bekijken. Stel dat onze “hashfunctie” gewoon de som is van de ASCII-waarden van de tekens in de string, en we willen dat het resultaat minder is dan 1000.
- De string (s): “Dit is een blok van transacties.”
- Het doel (T): 1000.
- De taak: Vind een nummer n zodat de som van de ASCII-waarden van “Dit is een blok van transactiesn” minder is dan 1000.
Laten we zeggen dat de som van de ASCII-waarden van s 2853 is. We moeten een n vinden zodat als we n aan s toevoegen en de som opnieuw berekenen, het resultaat minder is dan 1000.
In dit vereenvoudigde voorbeeld moeten we gewoon aftrekken en uitproberen. In werkelijkheid is de hashfunctie veel complexer en is het enige wat miners kunnen doen herhaaldelijk verschillende waarden voor n uitproberen tot ze een passende vinden.
Realiteit van PoW in Bitcoin
In Proof-of-Work van Bitcoin, is het doel T een 256-bit nummer dat elke 2016 blokken wordt aangepast om ervoor te zorgen dat de gemiddelde tijd tussen blokken ongeveer 10 minuten is. Miners veranderen de nonce n (en soms de transactievolgorde in het blok) en hashen de hele blokheader over en over, tot de hash van de hele blokheader minder is dan het doel T. De kans op succes bij elke poging is extreem laag, wat betekent dat miners biljoenen of meer hashes moeten proberen voordat ze een geschikte vinden.
Een kanttekening bij mijn voorbeeld
Dit voorbeeld is sterk vereenvoudigd, maar geeft de basis weer van hoe proof-of-work werkt. Het gaat allemaal om het vinden van een zeldzaam resultaat binnen een zeer grote set mogelijkheden, een proces dat veel rekenkracht vereist en daarom “werk” bewijst. De complexiteit van het echte probleem, samen met de variabiliteit van het doel, zorgt naar mijn mening zeker voor de veiligheid en betrouwbaarheid van het Bitcoin-netwerk en andere systemen die proof-of-work gebruiken.