Mechanizm konsensusu Bitcoina: szczegółowa analiza

Bitcoin rozwiązał problem, który przez dziesięciolecia nie miał działającej odpowiedzi. Jak obcy sobie ludzie, którzy sobie nie ufają, rozproszeni po całym świecie, mają zgodzić się co do jednego rejestru tego, kto co posiada, bez banku, bez rządu i bez żadnego arbitra pośrodku? Odpowiedzią jest mechanizm konsensusu Bitcoina: Proof of Work połączona z prostą regułą wyboru właściwego łańcucha. Razem nazywa się je często konsensusem Nakamoto i stanowią silnik leżący pod wszystkim, co robi Bitcoin.

To zaawansowane spojrzenie na to, jak działa ten silnik, dlaczego celowo spala energię elektryczną i dlaczego niemal żadna inna sieć nie osiąga zgody w ten sam sposób. Jeśli nie czytałeś jeszcze, jak blockchain przechowuje dane ani czym jest hash, te dwa artykuły dobrze uzupełniają ten tekst.

Dlaczego Bitcoin potrzebuje mechanizmu konsensusu

W świecie cyfrowym każdy plik można skopiować idealnie nieograniczoną liczbę razy. To nie problem dla zdjęcia, ale jest zabójcze dla pieniądza. Jeśli cyfrowa moneta to tylko plik, co powstrzymuje kogoś przed wydaniem jej dwa razy poprzez wysłanie dwóch kopii do dwóch różnych osób? To problem podwójnego wydania, a przed Bitcoinem jedynym znanym rozwiązaniem była centralna instytucja, taka jak bank, która prowadziła jedyny oficjalny rejestr i sprawdzała każde saldo.

Pod tym kryje się starsza zagadka informatyki, często opisywana przez problem generałów bizantyjskich. Wyobraź sobie kilku generałów otaczających miasto, którzy mogą porozumiewać się tylko przez posłańców, z których niektórzy mogą być zdrajcami. Muszą uzgodnić jeden plan, atak albo odwrót, mimo że nie mogą w pełni ufać sobie nawzajem ani wiadomościom. Zdecentralizowana sieć pieniężna mierzy się z tym samym pytaniem: jak tysiące anonimowych uczestników, z których część być może jest nieuczciwa, mają zejść się do jednej wspólnej prawdy bez przywódcy?

Odpowiedź Bitcoina polega na tym, by przestać polegać na zaufaniu, a zacząć polegać na koszcie. Zamiast pytać, kto jest uczciwy, sieć pyta, kto wykonał najbardziej weryfikowalną pracę. To przejście, od ufania ludziom do mierzenia wysiłku, jest centralną ideą stojącą za Proof of Work.

Mechanika Proof of Work

Górnicy zbierają oczekujące transakcje z całej sieci i grupują je w blok kandydujący. Zanim ten blok dołączy do łańcucha, górnik musi rozwiązać zagadkę, która nie ma żadnych skrótów.

Zagadka działa tak. Każdy blok ma nagłówek, zwięzłe podsumowanie swojej zawartości. Górnik wielokrotnie zmienia jedną liczbę w tym nagłówku, zwaną nonce, i przepuszcza cały nagłówek przez funkcję skrótu SHA-256. Wynikiem jest nieprzewidywalny ciąg cyfr. Górnik próbuje kolejnych wartości nonce, aż wynik spadnie poniżej wartości docelowej ustalonej przez sieć. Nie ma sprytnego sposobu na odgadnięcie odpowiedzi. Jedyną metodą jest próbowanie, raz za razem, biliony razy na sekundę.

To pomost od oprogramowania do fizyki. Każda próba kosztuje realny ułamek energii elektrycznej, więc wyprodukowanie poprawnego bloku oznacza, że naprawdę zużyto mierzalną ilość energii. Dowodu nie da się sfałszować, bo koszt jest realny. Każdy inny może potwierdzić rozwiązanie jednym obliczeniem, i to właśnie sprawia, że zapis do Bitcoina jest kosztowny, a jego weryfikacja niemal darmowa.

Aby utrzymać stałe tempo bloków, sieć przeprowadza dostosowanie trudności co 2016 bloków, mniej więcej co dwa tygodnie. Jeśli dołącza więcej mocy obliczeniowej i bloki zaczynają pojawiać się zbyt szybko, cel się zacieśnia, a zagadka staje się trudniejsza. Jeśli górnicy odchodzą i bloki zwalniają, zagadka staje się łatwiejsza. Cel jest zawsze ten sam: jeden nowy blok mniej więcej co dziesięć minut, niezależnie od tego, ile sprzętu rywalizuje.

Konsensus Nakamoto i reguła najdłuższego łańcucha

Proof of Work decyduje, kto może zaproponować następny blok. Druga reguła decyduje, którą wersję historii wszyscy akceptują. Czasem dwóch górników znajduje poprawny blok niemal w tej samej chwili i łańcuch na krótko się rozdziela. Konsensus Nakamoto rozwiązuje to regułą najdłuższego łańcucha, a dokładniej regułą największej zgromadzonej pracy. Uczciwi uczestnicy zawsze budują na łańcuchu, który reprezentuje najwięcej łącznej Proof of Work, a krótsza gałąź zostaje porzucona.

Ma to znaczenie, bo oznacza, że do wyboru właściwego łańcucha nie potrzeba żadnego głosowania, żadnego komitetu ani żadnej władzy. Łańcuch z największą energią za sobą po prostu wygrywa, a nowo przybyły lub węzeł, który był offline, może ponownie się połączyć i rozpoznać prawdziwą historię, po prostu szukając najcięższego łańcucha.

Jest tu punkt, który łatwo przeoczyć, a który jest kluczowy dla całości. Górnicy proponują bloki, ale nie mają ostatniego słowa. Każdy pełny węzeł niezależnie sprawdza każdy blok względem reguł: poprawne podpisy, brak podwójnego wydania, prawidłowa podaż, poprawna Proof of Work. Węzeł, który widzi nieprawidłowy blok, odrzuca go, niezależnie od tego, jak duża moc obliczeniowa go wytworzyła. Ponieważ każdy na świecie może uruchomić węzeł na zwykłym sprzęcie, reguły egzekwuje rozległy, rozproszony tłum, a nie górnicy. To jest prawdziwe znaczenie decentralizacji Bitcoina i fundament mocnych stron, które następują dalej.

Mocne strony, które z tego wynikają

Niektóre z najważniejszych właściwości Bitcoina nie są osobnymi funkcjami. Są bezpośrednimi konsekwencjami Proof of Work i weryfikacji przez węzły.

Prawdziwa decentralizacja bierze się stąd, że każdy może uruchomić węzeł i wszystko samodzielnie zweryfikować, bez pojedynczego punktu awarii, który można przejąć lub wyłączyć. Z tego wynika odporność na cenzurę, bo żadna centralna strona nie kontroluje produkcji bloków, więc żaden rząd ani firma nie może zamrozić adresu ani zablokować transakcji na poziomie protokołu. Jeśli jeden górnik odmówi włączenia transakcji, zrobi to inny, i tak zostanie ona potwierdzona.

Niezmienność przeszłości wynika z nawarstwionej pracy. Aby zmienić stary blok, atakujący musiałby ponownie wykonać Proof of Work tego bloku i każdego kolejnego, szybciej niż cała reszta sieci dodaje nowe. Z każdym potwierdzeniem koszt przepisania rośnie, więc głęboka historia staje się faktycznie trwała. A prawdziwa cyfrowa rzadkość istnieje, bo nowych bitcoinów nie da się stworzyć z niczego. Wyemitowanie kolejnej monety wymaga wydania realnej energii według stałych reguł, czyli dokładnego przeciwieństwa tego, jak powstają pieniądz fiducjarny czy swobodnie bite tokeny.

Inne sieci to nie to samo

Kuszące jest założenie, że każde cyfrowe aktywo działa mniej więcej jak Bitcoin. Tak nie jest. Niemal każda inna sieć osiąga zgodę przez Proof of Stake lub mały, uprawniony zbiór walidatorów, a nie przez Proof of Work. Różnica nie jest kosmetyczna i to właśnie dlatego CanoeBit traktuje Bitcoina jako osobną kategorię.

W Proof of Stake prawo do walidacji bloków przyznaje się uczestnikom proporcjonalnie do tego, ile własnych tokenów sieci posiadają i blokują. Im więcej monet kontrolujesz, tym większy zyskujesz wpływ. W praktyce koncentruje to władzę w rękach największych posiadaczy oraz, co ważniejsze, platform powierniczych, które przechowują monety w imieniu milionów użytkowników. Gdy kilka usług stakingowych i giełd kontroluje dużą część walidacji, te same podmioty zyskują nadmierny wpływ na to, które transakcje są dozwolone. To struktura strażnika, tyle że w nowym przebraniu.

Ma to realne konsekwencje. Sieć sterowana przez fundację, firmę lub grupę dużych walidatorów może zmieniać swoje reguły, cofać transakcje albo zamrażać salda, kiedy tak zdecyduje lub gdy zostanie do tego zmuszona. W przypadku wielu takich tokenów pojedyncze salda mogą już zostać zamrożone przez organizację, która je wyemitowała lub kontroluje. Z redakcyjnego stanowiska CanoeBit oznacza to, że takie sieci nie są naprawdę zdecentralizowane ani niezawodnie odporne na cenzurę. Przywracają dokładnie tego zaufanego pośrednika, tę władzę przypominającą bank, którą Bitcoin miał usunąć. Proof of Work, wiążąc kontrolę z zewnętrzną energią, a nie z wewnętrznym posiadaniem tokenów, jest tym, co nie pozwala żadnej pojedynczej stronie rządzić.

Atak 51 procent i jego granice

Najczęściej omawianym teoretycznym atakiem na Bitcoina jest atak 51 procent, w którym jeden podmiot zdobywa ponad połowę mocy obliczeniowej sieci. Warto być precyzyjnym co do tego, co taki atakujący mógłby, a czego nie mógłby zrobić, bo powszechne wyobrażenie ogromnie wyolbrzymia jego skutki.

Mając większość mocy haszującej, atakujący mógłby tymczasowo uniemożliwić potwierdzenie niektórych nowych transakcji i mógłby spróbować cofnąć kilka swoich najnowszych transakcji poprzez reorganizację łańcucha, co jest podstawą podwójnego wydania. To wszystko. Nie mógłby ukraść monet z cudzych portfeli, nie mógłby stworzyć nowych bitcoinów poza regułami i nie mógłby zmienić protokołu, bo każdy węzeł nadal sprawdza i odrzuca wszystko, co nieprawidłowe.

W praktyce atak jest samobójczy. Zdobycie tak dużej ilości sprzętu i energii kosztowałoby ogromną sumę, a w chwili, gdy atak stałby się widoczny, rynek by zareagował, cena prawdopodobnie by spadła, a sprzęt samego atakującego straciłby na wartości. To jak kupić kopalnię złota, a potem zniszczyć rynek złota. Skoordynowanie większości wśród tysięcy górników w dziesiątkach krajów jest samo w sobie zadaniem niemal niemożliwym, a uczciwi uczestnicy mogą zareagować. Bitcoin nigdy nie doświadczył udanego ataku 51 procent. Mniejsze monety Proof of Work o niskiej mocy obliczeniowej, takie jak Ethereum Classic i Bitcoin Gold, były atakowane dokładnie w ten sposób, co tylko podkreśla, jak bardzo chroni Bitcoina sama jego skala.

Kwestia energii

Proof of Work zużywa dużą i bardzo widoczną ilość energii elektrycznej i jest to najczęstszy zarzut stawiany Bitcoinowi. To rzecz, którą warto zbadać uczciwie. Szacunki Cambridge Centre for Alternative Finance umieszczają roczne zużycie energii elektrycznej sieci w przedziale od około 170 do 210 terawatogodzin, rzędu 0,8 procent światowego zużycia energii elektrycznej, porównywalnie z krajem średniej wielkości.

Z perspektywy Bitcoina jest to cecha, a nie wada. Energia nie jest efektem ubocznym, który należy zoptymalizować i usunąć. Jest fizyczną kotwicą, która sprawia, że rejestr jest godny zaufania, a sieć trudna do zaatakowania. Tańszy system, który rezygnuje z energii, rezygnuje właśnie z tej właściwości, która odróżnia Bitcoina od bazy danych prowadzonej przez firmę.

Warto też przyjrzeć się, skąd pochodzi energia. Najnowsze badania branżowe szacują, że już ponad połowa miksu energetycznego Bitcoina jest niekopalna, a górnicy są w wyjątkowej pozycji, by wykorzystywać energię w innym wypadku uwięzioną lub marnowaną: odległą hydroenergetykę bez linii przesyłowych albo metan, który w przeciwnym razie zostałby spalony w atmosferze. Ponieważ górnicy gonią za najtańszą energią na świecie, często kończą na zarabianiu na energii, której nikt inny nie może wykorzystać, a w niektórych sieciach elektroenergetycznych pomagają równoważyć podaż. Ta debata zasługuje na osobne omówienie, a pełny obraz, w tym najsilniejsze zarzuty, przedstawiamy w debacie o środowiskowym wpływie Bitcoina.

Uczciwe kompromisy

Proof of Work nie jest pozbawiona wad, a udawanie inaczej byłoby krzywdą dla czytelników.

Poza energią warstwa bazowa jest wolna. Główny łańcuch Bitcoina przetwarza tylko około siedmiu transakcji na sekundę, czyli o wiele za mało, by samodzielnie obsłużyć codzienne płatności w skali globalnej. To jedno z obliczy trylematu blockchaina, czyli trudności jednoczesnego zmaksymalizowania bezpieczeństwa, decentralizacji i skalowalności. Bitcoin stawia na dwa pierwsze i przenosi płatności o dużym wolumenie na warstwy wyższe, takie jak sieć Lightning.

Istnieją też obawy o koncentrację. Specjalistyczne układy ASIC potrzebne do konkurencyjnego kopania produkuje niewielka liczba firm, a pojedynczy górnicy zrzeszają się w dużych pulach, by wygładzić swoje nagrody. Jeśli kilka pul dysponuje większością mocy obliczeniowej, rodzi to teoretyczne ryzyko. Kluczową przeciwwagą jest to, że pule kierują mocą obliczeniową, ale nie ustalają reguł, ponieważ ogólnoświatowa sieć węzłów nadal waliduje każdy blok, a pojedynczy górnicy mogą opuścić pulę w dowolnym momencie. To realne napięcia, które trzeba obserwować, a nie powody, by odrzucać system.

Co to daje społeczeństwu

Odsuń się od mechaniki, a sedno staje się wyraźne. Proof of Work tworzy pierwszy globalny pieniądz ograniczony matematycznie, w przypadku Bitcoina do 21 milionów jednostek, i nienależący do żadnego państwa ani banku centralnego. Daje to ludziom narzędzie oszczędzania, którego żadna władza nie może po cichu zdewaluować inflacją.

Otwiera to także drzwi do włączenia finansowego. Ponad miliard ludzi nie ma konta bankowego, ale ma dostęp do telefonu, a sieć Proof of Work daje im sposób na przechowywanie i przesyłanie wartości, którego żaden pośrednik nie może wyłączyć. A te same poszukiwania taniej energii, na które wskazują krytycy, mogą zamienić się w atut, przyciągając inwestycje w energię odnawialną w innym wypadku uwięzioną i wychwytując gaz odpadowy, który inaczej by zanieczyszczał. O relacji między kopaniem a siecią elektroenergetyczną więcej mówi artykuł o debacie środowiskowej.

Podsumowanie

Mechanizm konsensusu Bitcoina nie jest technicznym przypisem na marginesie. Jest źródłem niemal każdej właściwości, która sprawia, że Bitcoin jest wart uwagi. Proof of Work zastępuje zaufanie do instytucji niemożliwym do sfałszowania kosztem energii, a reguła najdłuższego łańcucha pozwala sieci bez przywódcy zgodzić się co do jednej historii. Energia jest bezpieczeństwem, węzły są tymi, którzy egzekwują reguły, a wynikiem jest pieniądz, którego żadna pojedyncza strona nie może kontrolować, cenzurować ani podrabiać. Inne sieci wybrały tańszą drogę i w ten sposób po cichu oddały klucze centralnej władzy. Bitcoin zapłacił energią elektryczną, by trzymać je z dala.