Vooral in de beginjaren van crypto was het veruit het populairste consensus mechanisme: proof of work (PoW). Tevens gebruikt Bitcoin, de koning van alle crypto’s, het tot op de dag vandaag. Toch is er, ondanks alle positieve geluiden, ook een aantal kritiekpunten op de crypto-toepassing van het proof-of-work concept. Maar voordat we aan die analyse toekomen, zoomen we natuurlijk eerst in op de achtergrond en de werking van PoW.

Key takeaways

• PoW vereist energie in ruil voor de beveiliging van het netwerk.
• Binnen PoW willen miners zo snel mogelijk een pseudo-willekeurig getal raden.
• PoW zorgt voor een link tussen de virtuele en echte wereld d.m.v. tastbare investering.
• Er is een goede stimulans om te minen in de vorm van een block reward.
• Minen kost ontzettend veel energie.
• Het netwerk is kwetsbaar voor een 51%-aanval.

Wat is proof of work?

Proof of work is een consensus mechanisme dat rekenkracht gebruikt als bewijs voor validiteit van blokken in de blockchain.

In 1993 werd proof of work voor het eerst geopperd als oplossing tegen spam-e-mails en om te voorkomen dat personen te pas en te onpas gebruik zouden maken van gedeelde online-bestanden. Personen moesten via dit systeem namelijk bewijzen enige arbeid te hebben verricht om toegang tot deze bestanden te krijgen. Deze arbeid kwam vaak in de vorm van verwerkingscapaciteit van een computer. In Bitcoin’s white paper in 2008 blies Satoshi Nakamoto dit concept nieuw leven in. Er werd voorgesteld om het te gebruiken als consensus mechanisme. Nakamoto’s plan was om het te gebruiken met als doel om transacties te valideren en nieuwe blokken aan de blockchain toe te voegen. Naast Bitcoin gebruiken ook veel andere crypto-munten proof of work als consensus mechanisme. Voorbeelden hiervan zijn Ethereum 1.0, Litecoin, Monero en Ravencoin.

Ook in de crypto-wereld wordt via het Proof-of-work-concept arbeid vereist om een bepaalde actie uit te voeren. Het mechanisme vereist namelijk rekenkracht van computers in ruil voor het valideren en toevoegen van blokken aan de blockchain. Hierdoor is het vrijwel onmogelijk voor fraudeurs om onjuiste informatie aan de blockchain toe te voegen. Bovendien zorgt het ervoor dat het daadwerkelijk geld kost om de bijbehorende crypto-munten te creëren.

Hoe werkt proof of work?

Binnen een proof of work netwerk concurreren bepaalde computers tegen elkaar die elk proberen als eerst een zeer ingewikkelde rekenkundige puzzel op te lossen. De computers worden ook wel miners of delvers genoemd.

In feite komt deze rekenkundige puzzel neer op het raden van een input die, samen met de overige informatie die het betreffende blok van de blockchain bevat, een bepaalde output genereert. De rekenkracht van een miner wordt hashsnelheid, oftewel hashrate, genoemd. Als je leest dat een netwerk een hash rate van 1 TH/s (1 terahash per seconde) heeft, houdt dat in dat de miners in het netwerk 1 biljoen keer per seconde kunnen raden van de oplossing van een puzzel zou kunnen zijn.

De formule waardoor de input wordt heen gehaald, noemen we de hashfunctie en kan voor iedere blockchain anders zijn. Bitcoin gebruikt bijvoorbeeld de hashfunctie SHA-256. De input noemen we de nonce en de output noemen we de blockhash. Een bekend vereiste waaraan de blockhash moet voldoen, is dat het moet beginnen met een x-aantal nullen. Als de eis is dat de blockhash begint met 30 nullen, is de kans dat een miner in één keer de juiste nonce raadt 1 / 2^30, oftewel 1 op één miljard.

De miner die de correcte nonce als eerste vindt, stuurt deze oplossing naar de andere miners om de oplossing te laten controleren. Als dat gedaan is, wordt het blok gevalideerd en even later toegevoegd aan de blockchain. De gelukkige vinder ontvangt dan een block reward: vers gecreëerde crypto-munten als beloning voor de geleverde investering.

Aangezien de hashfuncties die worden gebruikt in proof of work zijn versleuteld volgens asymmetrische cryptografie, is het zeer moeilijk om de input (nonce) te berekenen aan de hand van de output (blockhash), terwijl het andersom zeer gemakkelijk is. Hierdoor dient er dus veel moeite (work) gestoken te worden in het oplossen van de puzzel, maar is de oplossing door andere miners gemakkelijk te verifiëren. De miner die als eerste de nonce vindt, levert hiermee dus continu bewijs van zijn/haar verrichte arbeid (proof of work) aan de overige miners.

Verder is het goed om te weten dat elke miner bezig is met het vinden van een uniek blok. Dit komt omdat elke miner voor zichzelf kiest welke transacties hij of zij in het blok wil opnemen. Derhalve houdt dit in dat iedere miner een andere nonce dient aan te leveren om op dezelfde blockhash uit te komen. De totale input van de hash functie bestaat immers uit de informatie die het blok bevat, inclusief de nonce.

Een kleine twee jaar na de introductie van Bitcoin ontstond de eerste miningpool. Dit is een groep miners die hun rekenkracht (hashrate) combineren om zo de kans te verhogen dat zij het volgende blok als eerste vinden. Iedereen in de miningpool zoekt zijn eigen blok, net als normale miners dat doen. De organisator van de miningpool zorgt er in de meeste gevallen voor dat elk deelnemende miner consistent een bepaald bedrag krijgt. In ruil daarvoor zal de organisatie een flinke commissie van de verkregen block rewards pakken. Op die manier proberen miners het risico van hun investering te spreiden en een meer constante inkomensstroom te creëren.

Wat zijn de voordelen van proof of work?

Naast dat proof of work de voordelen van ieder consensus mechanisme met zich meedraagt, zoals bescherming tegen frauduleuze aanvallen, voorziet het van een anker in de echte wereld. Hiermee wordt de crypto-munt in kwestie tastbaarder voor mensen. Proof of work vereist arbeid vanuit de echte wereld om een virtuele munt te creëren en het netwerk veilig te houden. Men dient dus een tastbare investering te maken.

Ook is het minder gemakkelijk om macht over het netwerk te vergaren naarmate je meer vermogen hebt. Dit gevaar bestaat bijvoorbeeld wel bij proof of stake. Ondanks dat kun je wel degelijk veel macht vergaren. Je kunt natuurlijk simpelweg veel geld in mining apparatuur en energie investeren. Echter, dit zal in absolute zin niet de mining-kracht van andere miners doen afnemen. De totale mining-kracht wordt namelijk groter.

Verder is er een sterke stimulans om te minen. Miners verdienen namelijk block rewards, oftewel vers gecreëerde crypto-munten. Bij sommige munten, zoals bitcoin, zal de block reward rond 2140 niet meer bestaan. Zelfs dan is er nog een stimulans om te minen aangezien de transactie fees van mensen die bitcoin-transacties uitvoeren ten goede zal blijven komen aan de miners.

Ten slotte verwerken veel op PoW-gebaseerde protocollen een zichzelf-aanpassende moeilijkheidsgraad in het mechanisme. Hoe meer rekenkracht er in het netwerk zal zijn, hoe eerder blokken gevonden zullen worden, hoe vaker block rewards uitgekeerd worden en hoe minder zeldzaam de munt zal zijn. Om deze inflatie te voorkomen, passen veel PoW-protocollen de moeilijkheidsgraad van het minen (mining difficulty) eens in de zoveel tijd aan naar het mining-aanbod binnen een netwerk.

Wat zijn de nadelen van proof of work?

Veruit het belangrijkste nadeel van proof of work is het feit dat het gigantisch veel energie kost om de nieuwe crypto-munten te minen en het netwerk veilig te houden. De energie wordt voor niets anders gebruikt dan het raden van een bepaald getal. Verder gebeurt er niets met de energie. In een tijd waarin veel landen ernaar streven om groener te worden, kan dit op veel kritiek stuiten. Een bekend consensus mechanisme dat dit nadeel aanpakt is proof of stake. Een veelgehoord tegenargument met betrekking tot dit nadeel is dat er verontwaardiging heerst over het energieverbruik voor de veiligheid van een netwerk dat voor veel mensen belangrijk is, terwijl die verontwaardiging amper te zien is als er energie wordt besteed aan bijvoorbeeld het uitzenden van de Kardashians.

Daarnaast is een 51%-aanval een veel genoemd risico. De aanvaller die zo een aanval succesvol uitvoert, heeft de meerderheid van het netwerk in handen. Hiermee kan de aanvaller heeft de aanvaller dus geen andere nodes nodig om consensus te bereiken. Eén mogelijk gevaar bij een 51%-aanval is dat de aanvaller zijn/haar crypto meer dan één keer kan uitgeven. Op die manier kan het vertrouwen in het netwerk flink beschadigd raken. De aanvaller heeft dan dus macht, maar wel over een gewantrouwd netwerk. De prijs van de munt zal, als gevolg van de 51%-aanval, sterk dalen. Daarmee uiteraard ook de buit van de aanvaller.

Conclusie

Controle vanuit een centrale autoriteit wordt bij het proof-of-work consensus mechanisme dus vervangen door rekenkracht. Door als miner aan de rest van het netwerk te bewijzen dat je een bepaalde investering hebt gedaan in apparatuur en energie, laat je zien dat de inhoud van het nieuw samengestelde blok valide is. Niemand zal immers deze investering maken zonder daarbij ook maar enig voordeel uit te halen. Een voordeel van een frauduleuze aanval is een 51%-aanval. Bij extreem grote netwerken, zoals Bitcoin, is een poging tot dit soort fraude een vrijwel 100% kans op het weggooien van geld. Om deze reden wordt PoW voor kleinere netwerken als onverstandige keuze gezien.

Hoewel het PoW consensus mechanisme tegen de kritiek van “energieverspilling” aan zou kunnen lopen, is het juist ook een voordeel dat er een tastbare investering gemaakt moet worden voor het beveiligen van het netwerk. Er staat dan waarde uit de echte wereld tegenover de munten. Verder is het moeilijker om macht te vergaren door middel van vermogen dan bij andere consensus mechanismen en zal er een sterke stimulans om te minen blijven bestaan zolang de prijs van de betreffende crypto-munt niet instort.

Al met al is het proof-of-work consensus mechanisme een zeer goed mechanisme om een blockchain te beveiligen. Echter, kleinere blockchains doen er beter aan om een ander consensus mechanisme te kiezen.

Deze video van Binance Academy vat het allemaal nog eens kort samen: