Proof of Work, ook wel afgekort als PoW, is een consensus mechanisme dat wordt gebruikt door verschillende blockchains. Bitcoin was de eerste blockchain die Proof of Work gebruikte, waarna het ook door blockchains als Litecoin en Ethereum 1.0 in gebruik werd genomen.
Het netwerk van een Proof of Work blockchain bestaat uit miners. Zij strijden met elkaar om als eerste alle transacties te valideren, om vervolgens een nieuw blok toe te voegen aan de blockchain. Dit proces heet ‘minen’. Hiervoor ontvangt de winnende miner een beloning, in de vorm van de cryptocurrency waarvoor ze aan het minen zijn. Miners in een PoW-netwerk strijden tegen elkaar om als eerste klaar te zijn. Om transacties te kunnen valideren hebben ze veel computerkracht nodig. De computerkracht valt op te voeren door betere hardware te gebruiken. Daarbij moet er ook genoeg stroom zijn wanneer er van meerdere computers gebruik wordt gemaakt. Er is namelijk veel energie nodig om als miner mee te kunnen doen in een PoW-netwerk.
Hoe werkt Proof of Work (PoW) consensus?
Bij Proof of Work moeten miners een complexe cryptografische puzzel oplossen om zo alle transacties te kunnen valideren. De miners dienen de oplossing te vinden. Het vinden van de juiste oplossing is een willekeurig proces en om tot de oplossing te komen moeten ze over voldoende computerkracht beschikken.
Moeilijkheidsfactor
De Proof of Work hash, is de correcte oplossing van de complexe cryptografische puzzel hierboven beschreven. De oplossing bestaat uit een 64-cijferig hexadecimaal getal. Dit getal, de block header, moet kleiner of gelijk zijn aan de nonce. De moeilijkheidsfactor kan gezien worden als een variabel getal dat bepaalt hoe moeilijk het is om een oplossing te vinden. Wanneer er veel miners actief zijn, zal de moeilijkheidsfactor stijgen.
Het is met meer rekenkracht (miners) ‘makkelijker’ om sneller een oplossing te vinden. Uit veiligheidsoverwegingen moet het altijd een X aantal minuten duren voordat er een oplossing wordt gevonden en de moeilijkheidsgraad garandeert dat er niet te snel een oplossing gevonden wordt. De moeilijkheidsgraad van Bitcoin past zich elke 14 dagen aan. Satoshi Nakamoto heeft er hiermee voor gezorgd dat niet alle Bitcoins in een relatief korte tijd gemined zouden kunnen worden door de miners. Nu hebben de miners een incentive om voor langere termijn door te gaan met minen.
Het vinden van de juiste hash-functie
Enkel de miner die als eerste een geldige Proof of Work hash-functie heeft gevonden, krijgt het recht om zijn blok toe te voegen aan de blockchain. Alle miners ter wereld zijn dus in concurrentie. Daarom is rekenkracht zo belangrijk, want alleen de eerste miner krijgt een beloning.
De benaming Proof of Work komt voort uit hoe het proces is opgebouwd. Het resultaat van de Proof of Work hash-functie is onvoorspelbaar. Een miner is niet in staat om de hash-functie op voorhand te voorspellen en moet alle mogelijke oplossingen één voor één uitproberen. Een geldig resultaat is daarmee ook een bewijs dat de miner tijd, elektriciteitskosten en onderhoudskosten in het vinden van de oplossing heeft gestoken.
Wat zijn de voor- en nadelen van Proof of Work?
Proof of Work wordt niet zonder reden door veel blockchains gebruikt. Het heeft namelijk een aantal belangrijke voordelen wat het een aantrekkelijk consensus algoritme maakt. Echter zijn er de afgelopen jaren ook nadelen van het PoW-algoritme aan het licht gekomen. Onderstaande voor- en nadelen zijn het belangrijkst.
Voordelen
- Veilig. Doordat het veel energie en geld kost om transacties te valideren, is het netwerk erg veilig. Het is vrijwel onmogelijk om zelfde transactie meerdere keren uit te voeren.
- Bewezen algoritme. Dit consensus algoritme heeft zich de afgelopen jaren al op grote schaal bewezen. Het wordt gebruikt door Bitcoin, wat een van de grootste blockchains is en het heeft laten zien hoe goed dit algoritme werkt.
- Gedecentraliseerd. Iedereen heeft de mogelijkheid om deel te nemen aan een PoW-netwerk en daarmee kan het snel en makkelijk groeien. Dit zorgt ervoor dat netwerken erg decentraal zijn.
Nadelen
- Het kost veel energie. Nieuwe blokken toevoegen kost ontzettend veel energie. Iedere miner verbruikt energie, terwijl het werk van maar één miner gebruikt zal worden. Mochten er 10.000 miners aan het werk zijn, dan zal het werk van 9.999 miners voor niks zijn geweest, terwijl ze wel energie hebben gebruikt. Proof of Work wordt daarom als een niet-duurzaam algoritme gezien.
- Langzaam en beperkte schaalbaarheid. Het kan veel tijd kosten om transacties te valideren. Ook zit er een limiet aan de schaalbaarheid van de blockchain. Hierdoor kan de blockchain niet meer transacties verwerken wanneer de vraag naar de blockchain toeneemt, gebruikers moeten dan langer wachten op de validatie van hun transactie.
- Kan gecentraliseerd werken door beperkte schaalbaarheid. Een miner moet over nieuwe en dure hardware beschikken. Hierdoor ontstaan er groepen van miners, zogeheten mining pools, die hun computerkracht bundelen en de block rewards met elkaar delen. Dit kan ervoor zorgen dat blokken alleen nog door dezelfde groepen worden toegevoegd, wat het netwerk meer gecentraliseerd maakt.
Welke blockchains gebruiken het Proof of Work algoritme?
Er zijn verschillende blockchains die gebruik maken van het Proof of Work consensus mechanisme, waarvan onderstaande de belangrijkste zijn.
Bitcoin
Bitcoin is de eerste blockchain die Proof of Work gebruikte als consensus algoritme. Ondertussen is het netwerk van Bitcoin zo groot dat het voor individuele miners bijna onbegonnen werk is om nog mee te doen. Daarom zijn er verschillende mining pools binnen het netwerk van Bitcoin. Zij bundelen hun krachten om zo samen meer computerkracht te leveren.
Hierdoor wordt ook wel eens gezegd dat het netwerk van Bitcoin niet meer zo decentraal is zoals het ooit was bedoeld. Het zijn namelijk meestal dezelfde mining pools die nieuwe blokken aan de blockchain toevoegen.
Ethereum
De eerste versie van Ethereum, ook wel Ethereum 1.0 genoemd, maakte gebruik van het Proof of Work algoritme. In 2021 begon Ethereum met de upgrade naar Ethereum 2.0, waarbij ze overstappen naar Proof of Stake. De upgrade duurt meer dan een jaar en is onderverdeeld in meerdere etappes.
De reden om over te gaan op Proof of Stakeduurzaamheid en schaalbaarheid, onderdelen die volgens de oprichters van Ethereum grote problemen geven voor de werking van de blockchain.
Bitcoin Cash
Bitcoin Cash is een hard fork die is ontstaan uit de blockchain van Bitcoin. Deze hard fork ontstond toen er onenigheid was tussen miners over de SegWit-update. De blockchain van Bitcoin Cash gebruikt nog steeds Proof of Work, al is de blocksize bij Bitcoin Cash veel groter dan bij Bitcoin. Dit zorgt voor een vergroting van de schaalbaarheid.
Litecoin
Kort na het ontstaan van Bitcoin ontstond Litecoin als hard fork van Bitcoin. Litecoin werd gelanceerd om als beter betaalmiddel te dienen. Doordat er aanpassingen op de blockchain zijn gemaakt, kunnen er meer transacties tegen goedkopere prijzen verwerkt worden.
Monero
Monero wordt ook wel de ‘privacy blockchain’ genoemd, omdat het de privacy van gebruikers hoog in het vaandel heeft. Zo is het mogelijk om geheel anoniem een transactie uit te voeren op deze blockchain. Monero maakt net als veel andere blockchains gebruik van Proof of Work.
Conclusie
Proof of Work is het eerste consensus algoritme voor blockchains en wordt veel gebruikt. Het is bedacht voor het ontstaan van Bitcoin, maar toegepast op grote schaal binnen het Bitcoin protocol. Miners zijn binnen een PoW-netwerk met elkaar aan het strijden om als eerste alle transacties te verwerken, waarna de winnaar een nieuw blok mag toevoegen aan de blockchain. Hiervoor ontvangt de winnaar een beloning, welke bestaat uit transactiekosten die door gebruikers zijn betaald en nieuwe munten. Dit wordt ‘mining’ genoemd.
Het belangrijkste voordeel van Proof of Work is dat het een veilig consensus algoritme is dat zichzelf op grote schaal heeft kunnen bewijzen. Er is namelijk veel energie en geld nodig om te kunnen minen, waardoor het lastig is om het netwerk te manipuleren. Dit is ook gelijk een nadeel van Proof of Work. Er is namelijk veel stroom nodig om het netwerk te kunnen onderhouden, waardoor Proof of Work allesbehalve duurzaam is.
Verschillende blockchains maken gebruik van Proof of Work. Dit zijn onder andere Bitcoin, Litecoin, Bitcoin Cash en Monero. Ethereum gebruikt momenteel nog Proof of Work, maar deze blockchain is bezig met een transitie naar Proof of Stake.