Вихід за межі блокчейну — «корисний» майнінг та концепція Proof-of-Useful-Work

Спостерігаючи, як цілі країни подають приклад ефективного майнінгу, редакція КриптоБук замислилася, чи можна піти далі за межі парадигми – спрямувати величезну обчислювальну силу на благо, не обмежуючи технологію розрахунком хешу.

Вивчивши зібрану Web3 -ентузіастом Данилом Івановим інформацію про “корисний” механізм консенсусу Proof-of-Useful-Work (PoUW), ми зрозуміли – шукати потрібно в цій площині. Отриманими результатами ділиться Сергій Голубенко.

Корисний користувач 90-х

У січні 1997 року на майданчику distributed стартував криптографічний челендж RC5-56. Завдання полягало у пошуку ключа шифрування конкретним алгоритмом. За вісім місяців групі учасників вдалося зламати 56-бітове шифрування. Після успіху було організовано злом 64-бітного ключа, який знайшли за п’ять років — 2002 року.

Експерт у галузі POW -майнінгу та виробництва чіпів, співзасновник HyperFusion Алекс Петров у коментарі  розповів про свій досвід та початок професійного шляху:

«Я брав участь у RC5-56 і навіть займав командою верхні позиції рейтингу. У ті роки мене сильно підштовхнули захопитися аналізом алгоритмів RC, MD5 та SHA дві людини. Алекс Бірюков – своїм дослідженням 1998 року, а також творець алгоритму equihash/aragon2 Дмитро Ховратович, який у справі досі».

1999 року відбувся реліз платформи з розподіленого обчислення. SETI@home. Запущена на базі Каліфорнійського університету у Берклі BOINC дозволяла брати участь у пошуках позаземного розуму. Встановлене програмне забезпечення обробляло невеликі фрагменти радіоастрономічних даних. Люди жертвували простоюючі ресурси ПК заради науки — на зразок того, як це влаштовано в DePIN -додатках, тільки без фінансових стимулів.

2020 року через закриття обсерваторії Аресібо проект заморозили.

На платформі BOINC виходило безліч програм, які допомагають вченим та дослідникам у сфері астрофізики та моделювання тривимірної динамічної карти зіркових потоків.

На хвилі тренду університети випускали власне програмне забезпечення. Стенфордський університет у 2000 році запустив моделювання згортання білка для допомоги у боротьбі з поширеними хворобами раку та Альцгеймера.

Усього запущено тисячі схожих програм, багато хто з них працює досі.

Криптонадія та фундамент PoUW

Колишній співробітник IOHK та засновник криптовалюти Ergo Олександр Чепурний нагадав про популярність пірінгових комп’ютерних мереж (P2P) у ті роки.

«На рубежі 90-х та 2000-х був бум P2P, а перша віртуальна валюта для винагороди учасників з’явилася вже після виходу у 2001 році файлообмінної мережі Mojo Nation. Втім, стартап зазнав невдачі, зокрема через непродумані винагороди».

Він додав, що проблеми зазвичай у деталях. Якщо говорити про токени, які лунають за виконання корисної роботи, завжди необхідно дотримуватися балансу між попитом і пропозицією, щоб не потрапити в спіраль смерті.

Перенесемося в 2013 — біткоїн існує вже п’ять років, а до запуску Ethereum залишається два роки.

Gridcoin та Primecoin стали першими криптостартапами, що поєднують користь та монетизацію. Поки PoUW тільки наближалося до свого втілення, ранні протоколи користувалися різноманітністю набору слів в описі алгоритмів. Перший зі згаданих проектів вибрав Proof-of-Research, другий віддав перевагу варіанту Proof-of-Work based on prime number search.

Gridcoin винагороджував учасників наукових розрахунків. Спочатку система працювала на основі PoW, але вже до 2014 перейшла на механізм Proof-of-Stake (PoS), зберігши стимули за участь у проектах BOINC. Консенсус спирався на стейкінг, а участь у наукових розрахунках стала надбудовою, що визначає винагороду.

Primecoin — перший експеримент, у якому обчислювальна робота у блокчейні приносила наукову користь. Автор ідеї запропонував відмовитися від класичного хешування на користь рідкісних ланцюжків простих чисел – послідовності Каннінгема.

Тоді ж з’явилося концептуальне розуміння «корисної» роботи — задовго до появи терміну Proof-of-Useful Work.

У 2014 році було зроблено спроби направити енергію майнінгу в практичне русло. Однією з них стала система Permacoin, де учасники мережі займалися розподіленим зберіганням цінних даних. Перевірка коректності відбувалася за допомогою алгоритму доказу вилучення даних (Proof-of-Retrievability).

Наступний проект CureCoin, що з’явився того ж року, брав участь в ініціативі Folding@home, де криптовалюта стала мостом між децентралізованою економікою та науковими завданнями.

Чітке формулювання та безліч проблем

Вперше термін PoUW використали вчені у 2017 році. Робота Proofs of Useful Work Маршалла Болла, Алана Розена, Мануеля Сабіна та Пратика Гопалана доповнена у 2021 році.

Автори сформулювали головну мету: розробити PoW-схему, коли він обчислювальні ресурси не витрачаються даремно, а роблять рішення значних завдань поза блокчейна. Ключові критерії:

• завдання має бути обчислювально складним;
• рішення – піддається швидкій та надійній перевірці;
• результат – представляє практичну цінність поза криптографічної системи.

Олександр Чепурний помітив низку складнощів у цій концепції:

«Для чесності PoUW потрібно, щоб будь-яка задача, обрана рандомно майнером, не відрізнялася від випадково обраної, і щоб складність не змінювалася від нагоди. Інакше майнери будуть намагатися підбирати легкі завдання і відключатися після вирішення. давали велику перевагу».

Він додав, що в майнінгу біткоїну в певний момент було знайдено оптимізацію AsicBoost, якою встигли скористатися деякі виробники заліза. Багато з цих проблем спливли у Primecoin, мережа якої поставила кілька світових рекордів.

Своєю думкою поділився Web3-розробник, засновник Everstake Сергій Васильчук:

“Для мене PoUW – це швидше назва, ніж принципово нова модель. По суті, багато рішень вже використовують цей підхід, не називаючись PoUW. Подивіться на Chainlink , Wormhole або Pyth – це приклади реального Proof-of-Useful-Work без маркетингових ярликів”.

У контексті життєздатності таких рішень він вважає головним двигуном ринок та користувачів.

«Шанси на успіх не залежать від типу консенсусу. Валідатори підтримають будь-яку модель, якщо в ній є економічний сенс. А економіка з’являється лише там, де є активність користувачів. Працює лише та модель, яка вирішує реальні потреби ринку – не навпаки” , – уточнив CEO Everstake.

Багатогранність PoUW як ідеї змушує замислитись над усіма її аспектами. Алекс Петров – про морально-етичний підхід та призму сприйняття:

«Я залишу поки за дужками емоційну мітку «безглузде криптографічне завдання» — бо вона безглузда лише з погляду зовнішнього світу, для мережі вона корисна та функціональна. На мій погляд, будь-яка криптографія реалізує найважливіше саме для неї (або мережі скажімо біткоїн) завдання забезпечення безпеки. Морально-політична дилема — це «правильне» чи «неправильне» використання енергії та ресурсів, цілі та якісь «корисні» для когось поза цією мережею завдання — це те місце, де політики та соціологи можуть сперечатися довго. Є багато прикладів, де витрати та переваги не завжди очевидні чи комусь не подобаються».

Це ще потрібно довести

Запропонований Сатоші Накамото механізм консенсусу було обрано недарма, а спроби його замінити та вдосконалити можуть лише ускладнити.

Петров відзначив позитивні сторони PoW:

«Перевірка результату в PoW надзвичайно проста та швидка, у цьому її краса. Нода-валідатор отримує дані блоку, перевіряє хеш, порівнює мету/складність і все зрозуміло так чи ні. Зазвичай це одна чи кілька криптографічних операцій та просте порівняння, виконується навіть офлайн».

Наступним етапом розвитку концепції PoUW став проект REM, представлений у 2017 році дослідниками з університету Корнелла. Система використовувала апаратне забезпечення для фіксації реальних обчислень майнером з метою створення доказу корисної роботи, що піддається перевірці.

У 2022 році команда дослідників із IOHK представила прототип PoUW-протоколу. Ofelimos використовує розв’язання задач комбінаторної оптимізації визначення ролі лідера. Розробникам вдалося замінити традиційне PoW-завдання на оптимізаційну, зберігши стійкість до атак та математичну суворість.

На думку Олександра Чепурного, Ofelimos гарантовано відсікає можливість для майнера підібрати для себе легке завдання. Протокол підтримує широкий клас завдань, включаючи популярні проблеми в галузі машинного навчання та генерації ZKP. Однак залишає безліч проблем з економікою та реалізацією.

«Якимось чином корисні завдання з винагородою мають з’являтися в мережі, при цьому можлива змова відправників завдань із майнерами не повинна впливати на консенсус. Не слід забувати про мінімізацію приватних оптимізацій софту та «заліза»» , — додав він.

Окремий напрямок досліджень у галузі PoUW пов’язаний із застосуванням криптографічних доказів – SNARK та інших форм ZKP. Останнім часом розробники користуються спеціальним терміном – zk-PoUW.

Подібні методи дозволяють переконатися в коректності результату без необхідності повторювати роботу.

У 2023 році дослідник із Брно Ріхард Газдік запропонував схему, в якій майнери не просто виконують обчислення, а створюють zk-SNARK-докази для заданих завдань у процесі. Архітектура влаштована як маркетплейс: користувачі розміщують завдання, що вимагають генерації, майнери їх вирішують, отримуючи винагороду. Блок випускає учасник, доказ якого виявляється коректним.

Нещодавнє дослідження Самуеля Олексака продемонструвало впровадження SNARK-доказів безпосередньо на рівень консенсусу експериментального блокчейну.

Команди криптовалютних стартапів та сучасних блокчейнів намагаються запровадити PoUW на практичному рівні.

У технічній документації Internet Computer описується «корисна» робота як архітектурна складова, як спосіб, за допомогою якого Internet Computer Consensus (ICC) створює блокчейн. ДАТ Network Nervous System (NNS) побудована поверх цього механізму служить для координації оновлень протоколу.

Інший проект — Flux — дозволяє розгортати програми та послуги у Web3-хмарі. Це, швидше, гібрид обчислювальної платформи та блокчейну.

Представник DePIN використовує PoW на алгоритмі ZelHash, форці Equihash на основному блокчейні з інфраструктурою майстер-нід FluxNodes. Блоки створюються PoW, а “корисну” роботу виконують ноди, обробляючи програми користувачів.

На форумі Internet Computer з обговорення PoUW користувач під ніком ZackDS згадав Flux:

«Половина мережі займається майнінгом на відеокартах, а інша половина стейкає токени просто для того, щоб мати можливість розвертати щось через Docker. Саме собою це, звичайно, непогано — просто я не вважаю, що це підходить для блокчейну».

Алекс Петров – про величину проблеми реалізації PoUW:

«Спершу необхідно перевірити коректність постановки завдання, переконатися, що воно є легітимним і відповідає критеріям мережі. Сама перевірка результату в PoUW значно складніша за PoW».