Новая эра майнинга: Как Proof-of-Useful-Work превращает вычислительные ресурсы в полезные инициативы

Изучив информацию о механизме консенсуса Proof-of-Useful-Work (PoUW), собранную Данилом Ивановым, энтузиастом Web3, мы поняли, что стоит углубиться в эту тему. Сергей Голубенко поделился результатами своих наблюдений.

В январе 1997 года на платформе distributed.net был запущен криптографический вызов RC5-56, цель которого заключалась в нахождении ключа шифрования. За восемь месяцев участникам удалось создать метод, который успешно взломал 56-битное шифрование. После этого началась работа над 64-битным ключом, который был взломан лишь через пять лет — в 2002 году.

«Я также принимал участие в RC5-56 и занимал в команде высокие места в рейтингах. Учёные Алекс Бирюков и Дмитрий Ховратович, который создал алгоритм equihash/aragon2, очень вдохновили меня на анализ алгоритмов RC, MD5 и SHA», — делится воспоминаниями участвуя в тех событиях.

В 1999 году была запущена платформа распределённых вычислений SETI@home, разработанная на базе Калифорнийского университета в Беркли с использованием BOINC. Она позволяла пользователям участвовать в поисках внеземной жизни, обрабатывая небольшие объемы радиоастрономических данных. Люди использовали неактивные ресурсы своих ПК на благо науки, как это происходит в DePIN-приложениях — правда, без финансовой мотивации.

В 2020 году проект был приостановлен из-за закрытия обсерватории Аресибо.

На платформе BOINC работало множество программ, которые помогали учёным в области астрофизики и построении трёхмерных динамических карт звёздных потоков.

Университеты стали массово разрабатывать собственное ПО, как, например, Стэнфорд в 2000 году с моделью сворачивания белка, помогающей в исследованиях рака и болезни Альцгеймера.

Было запущено множество аналогичных программ, и многие из них продолжают функционировать.

Александр Чепурной, экс-сотрудник IOHK и основатель криптовалюты Ergo, напомнил о популярности P2P сетей в те времена.

«На рубеже 90-х и 2000-х годов P2P-программы набирали популярность, и первая виртуальная валюта для вознаграждения участников появилась после выхода файлообменной сети Mojo Nation в 2001 году. Однако стартап не выжил, в основном из-за плохо продуманных вознаграждений», — отметил он.

Он добавил, что сложности чаще всего кроются в деталях. Если говорить о токенах, выплачиваемых за выполнение полезной работы, важно соблюдать баланс между спросом и предложением, чтобы избежать негативного сценария.

Перейдём к 2013 году: биткоин уже существовал пять лет, а до выхода Ethereum оставалось ещё два года. В это время индустрия блокчейнов была охвачена криптоэнтузиазмом без сосредоточенности на прибыли.

Gridcoin и Primecoin стали первыми криптостартерами, которые сочетали включение полезности с монетизацией. В то время как PoUW только начинал закрепляться, ранние протоколы разрабатывали свои алгоритмы. Первый проект выбрал название Proof-of-Research, второй обозначил свой алгоритм как Proof-of-Work based on prime number search.

Gridcoin включал вознаграждения для участников в научных расчётах. Изначально использовался PoW, но в 2014 году проект перешёл на Proof-of-Stake (PoS), сохранив вознаграждения за участие в проектах BOINC. Система консенсуса была построена на стейкинге, и участие в научных расчётах стало критерием для начисления вознаграждения.

Primecoin выделялся тем, что вычислительная работа в блокчейне приносила ощутимую научную пользу. Его разработчик предложил использовать не традиционное хеширование, а уникальные цепочки простых чисел.

Тогда же укрепилось понимание концепции полезной работы, хотя сам термин Proof-of-Useful Work тогда ещё не был введён.

В 2014 году начались попытки перенаправить мощности майнинга на практическое применение. Одним из проектов стала система Permacoin, где пользователи сети занимались распределённым хранением данных, а проверка корректности осуществлялась через алгоритм доказательства извлекаемости данных.

Другой проект CureCoin также появился в том же году и присоединился к инициативе Folding@home, превратив криптовалюту в мост для соединения децентрализованной экономики и научных задач.

В 2017 году учёные впервые употребили термин PoUW в работе о Proofs of Useful Work, авторы которой, включая Маршалла Болла, Алана Розена, Мануэля Сабина и Пратика Гопалана, сформулировали цель разработать PoW-схему, в которой вычислительные ресурсы не тратятся напрасно, а направляются на решение неотложных задач за пределами блокчейна.

Александр Чепурной указал на ряд сложностей, связанных с концепцией:

«Для корректной работы PoUW надо, чтобы каждая задача, выбранная майнером, была аналогична случайно выбранной, и чтобы её сложность оставалась стабильной. В противном случае майнеры будут выбирать лёгкие задачи и уходить после их выполнения. Также важно минимизировать преимущества, основанные на частных оптимизациях для определённых моделей видеокарт или улучшений схем FPGA/ASIC».

Он также напомнил о находке AsicBoost в процессе майнинга биткоина и о трудностях, которые она вызвала для некоторых производителей оборудования. Множество из этих вопросов возникли и в Primecoin, который поставил несколько мировых рекордов.

«Для меня PoUW — это, скорее, название, чем принципиально новый подход. Многие решения уже используют этот принцип, не называясь PoUW. Например, Chainlink, Wormhole или Pyth могут быть примерами реальной полезной работы без маркетинговых наименований».

Александр считает, что успех таких решений зависит от спроса на рынке и активности пользователей, а не от типа консенсуса.

«Успех зависит не от механизма консенсуса, а от экономической целесообразности модели. Если такая модель отвечает потребностям пользователей, она будет работать», — добавил он.

По мнению Алекса Петрова, вопрос о морально-этических аспектах полезной работы также важен:

«Я избегу термина «бессмысленная криптографическая задача», поскольку она может показаться таковой только с внешней точки зрения. Для сети она имеет значение и функциональность. Все формы криптографии решают задачи обеспечения безопасности, важные для них или для конкретных сетей, например, биткоина. Дилемма о «правильном» или «неправильном» использовании энергии основана на личных интересах, и в этом вопросе может быть много мнений».

Выбранный Сатоши Накамото механизм консенсуса был выбран не случайно, и попытки его заменить могут только усложнить ситуацию.

Алекс отметил положительные аспекты PoW:

«Проверка работы в PoW простая и быстрая, и именно это её привлекательность. Нода-валидатор получает данные блока, проверяет хэш, сравнивает его с целевой сложностью, и становится ясно: задача выполнена или нет. Обычно это всего несколько криптографических операций и простое сравнение, которое можно выполнить даже офлайн».

Следующим шагом в развитии концепции PoUW стал проект REM, представленный исследователями из Корнельского университета в 2017 году. Он использовал оборудование для регистрации реальных вычислений, выполняемых майнером, с целью создания проверяемого доказательства полезной работы.

В 2022 году команда IOHK представила прототип PoUW-протокола Ofelimos, который использует задачи комбинаторной оптимизации для определения лидера. Разработчикам удалось заменить традиционную задачу PoW на оптимизационную, сохранив защиту от атак и необходимость математики.

Александр Чепурной убеждён, что Ofelimos исключает возможность выбора простых задач для майнеров. Этот протокол поддерживает широкий массив задач, включая актуальные вопросы в области машинного обучения и генерации ZKP, но тем не менее оставляет открытые вопросы экономической модели и реализации.

«Задачи с вознаграждением должны быть адекватно интегрированы в сеть, при этом не должно быть возможности картельного сговора между майнерами и эмитентами задач. Также важно минимизировать влияние локальных оптимизаций программного обеспечения и аппаратного обеспечения», — добавил он.

Отдельное внимание в исследованиях PoUW уделяется применению криптографических доказательств, таких как SNARK и другие формы ZKP. В последнее время разработчики начали использовать термин zk-PoUW.

Эти методы позволяют проводить проверку результатов работы без необходимости повторения самих вычислений.

В 2023 году исследователь Рихард Газдик предложил схему, где майнеры не просто выполняют вычисления, а создают zk-SNARK-доказательства в процессе решения задач. Архитектура напоминала рынок, на котором пользователи размещают задания, требующие генерации, а майнеры их решают, получая за это вознаграждение. Блок выводит тот, чье доказательство подтвердилось как корректное.

Недавняя работа Самуэля Олексака продемонстрировала использование SNARK-доказательств непосредственно на уровне консенсуса экспериментального блокчейна.

Криптовалютные проекты и блокчейны стремятся внедрять PoUW в практику.

В технической документации Internet Computer описывается «полезная» работа как основной элемент архитектуры, обеспечивающий работу блокчейна. DAO Network Nervous System (NNS) была создана для координации обновлений протокола на этом механизме.

Другой проект, Flux, предлагает развертывание приложений и сервисов в Web3-облаке; это скорее гибрид вычислительной платформы и блокчейна.

В пользовательском форуме Internet Computer по обсуждению PoUW пользователь ZackDS отметил Flux:

«Половина сети занимается майнингом на видеокартах, другая — стейкает токены, чтобы иметь возможность развертывать приложения через Docker. Это неплохо, но не думаю, что это соответствует стандартам блокчейна».

Алекс Петров прокомментировал возникающие сложности с реализацией PoUW:

«Сначала необходимо установить корректность задачи, её легитимность и соответствие требованиям сети. Проверять результаты в PoUW значительно сложнее, чем в PoW».

Среди предложенных методов проверки для PoUW:

По его словам, проверка уникальности является одной из самых трудных задач, поскольку «сложность» полезной задачи может быть трудно формализуема и сопоставима с той, что ожидается в PoW-загадке.

В случае PoW результатом действий являются действия, которые обеспечивают безопасность и соответствуют критериям консенсуса. Для примера, хэш результата должен удовлетворять целям просто, быстро и без множества интерпретаций.

По сравнению с PoW количество шагов в PoUW значительно больше, с возможными недетерминированными процессами и взаимодействиями с другими системами, что увеличивает риск.

«Сложность проверки зависит от типа задачи. Цель заключается в значительно снижении ресурсоёмкости проверки по сравнению с выполнением самой работы, но этого не всегда легко достичь. Это может создать непропорциональную нагрузку на узлы, от гибели до многократного расхода ресурсов в научном майнинге и на узлах, где выполнение одних и тех же операций происходит на множестве узлов сети», — заключил он.

С технической стороны реализация PoUW — это сложная задача. Идея важна и интересна, и первые шаги сделаны, но дальнейшие движения остаются незакрытыми.

В блокчейн-индустрии «полезная» работа за пределами сети представлена инфраструктурными приложениями из DePIN. Вероятно, стоит обратить внимание на связи в этой области.

Александр Чепурной предложил альтернативный подход:

«Рассмотреть DePIN без консенсуса в виде DeFi-протоколов, где есть возможность как отправить задачу на решение, так и само решение, с развитием экономики вокруг этого. Позже можно попробовать объединить с Ofelimos. Интерес к PoUW останется, но реализовать его грамотно будет непросто».

Сергей Васильчук акцентировал внимание на недостатках DePIN и такой комбинации:

«Helium или Render могут функционировать на любом консенсусе, и большинству пользователей это не важно. Операторы мобильной связи давно используют распределённые сети и алгоритмы целостности данных без блокчейна. WeatherXM, к примеру, не имеет достаточной точности для критически важных областей — авиации и энергетики. На самом деле, настоящие электросети работают только с сертифицированными решениями, одобренными регуляторами. Мы часто переоцениваем важность технологий и живём в иллюзии их мощи».

Он также заметил, что в данной индустрии есть большое количество L1/L2 блокчейнов, но по-настоящему полезных Web3-приложений гораздо меньше. Васильчук выразил интерес в приложениях, основанных на Proof-of-Useful-Work, а не на новых консенсах. Он добавил:

«На меня производят впечатление новые технологические решения, которые может предоставить PoUW. Технологии не меняют людей, но если PoUW принесёт примеры реальной пользы, это может постепенно изменить акценты в индустрии от спекуляций к созданию ценности».

Алекс Петров подытожил, что реализация PoUW гораздо более сложна, чем PoW. Она требует решения основополагающих задач в распределённых системах, криптографии, теории игр и специфических знаний в областях, где возникают «полезные» задачи. Количество концептуальных и инженерных шагов существенно больше.

Многие проекты PoUW находятся на стадии исследований и разработки, так как создание по-настоящему эффективной, безопасной и работоспособной системы — это амбициозная задача.

«Вместо оптимизированных под конкретные задачи ASIC-устройств мы можем вновь получить многозадачные, дорогие и малоэффективные процессоры. При этом, полезные задачи, как правило, меняются каждые три-пять лет, и лишь немногие живут 20-30 лет. Потенциальная выгода от перенаправления вычислительных ресурсов на полезные цели делает данное направление очень привлекательным для учёных, но экономически нецелесообразным для большинства сетей. Это дополнительно усложняет конструкции и риски от внешних источников задач — фактически это создаёт искусственно добавляемые механизмы и задачи для чьей-либо пользы извне».