A probléma, amelyet a munkabizonyíték megold
Egy digitális főkönyvet könnyű másolni és könnyű szerkeszteni. Ha bárki szabadon hozzáadhatna tranzakciókat, akkor ugyanazokat az érméket kétszer is elkölthetné — ez a klasszikus „kettős költés" probléma. Egy központi üzemeltető nélküli rendszerben szükség van egy módra, amellyel a független résztvevők megegyeznek abban, hogy mely tranzakciók történtek meg és milyen sorrendben, még akkor is, ha közülük néhányan tisztességtelenek vagy offline vannak.
A digitális készpénz korábbi kísérletei egy megbízható félre támaszkodtak a könyvelés vezetésében. A Bitcoin kialakítása, amelyet a 2008-as fehér könyv (whitepaper) ír le, ezt a megbízható felet nyilvános versennyel váltotta fel: a résztvevők valós erőforrásokat költenek a blokkok hozzáfűzésére, a hálózat pedig egy közös szabályt követ a nyertes lánc kiválasztásához. A konszenzus a költségből és a matematikából fakad, nem pedig a tekintélyből.
Mit számolnak ki valójában a bányászok
Minden jelölt blokk tartalmaz egy köteg tranzakciót, egy hivatkozást az előző blokkra, és egy kis, változtatható számot, amelyet nonce-nak neveznek. A bányászok ezeket az adatokat átfuttatják az SHA-256 hash függvényen, amely bármely bemenetet rögzített hosszúságú, kiszámíthatatlan kinézetű kimenetté alakít. A cél olyan bemenet megtalálása, amely egy bizonyos célérték alatti hasht állít elő — a gyakorlatban egy meghatározott számú nullával kezdődő hasht.
Mivel a hash kimenetei nem jósolhatók meg és nem fejthetők vissza, az egyetlen mód egy megfelelő hash megtalálására a próbálgatás: változtasd meg a nonce-t, hashelj újra, ismételd, másodpercenként milliárdszor. Ez a nyers erő keresése a „munka". Szándékosan nehéz elvégezni, de bárki más számára triviálisan könnyű ellenőrizni — egyetlen hash számítás megerősíti, hogy a válasz érvényes. Ez az aszimmetria (nehéz előállítani, könnyű ellenőrizni) a munkabizonyíték lényege.
A nehézség és a nagyjából tízperces ritmus
A Bitcoin átlagosan körülbelül tízpercenként célozza meg egy új blokk létrehozását. Ahogy több számítási teljesítmény (hash ráta) csatlakozik a hálózathoz, a blokkok gyorsabban érkeznének, ezért a protokoll időnként igazítja a nehézséget — hogy milyen alacsonynak kell lennie a cél hashnek —, hogy fenntartsa az egyenletes átlagos tempót. Nagyjából kéthetente (2 016 blokkonként) minden csomópont újraszámolja a nehézséget a közelmúlt blokkidőiből.
Ez az önszabályozás az oka annak, hogy több bányászati teljesítmény idővel nem jelent gyorsabb blokktermelést; főként azt jelenti, hogy több munkát fordítanak ugyanazon egyenletes blokkfolyam biztosítására. Bármely egyes blokk pontos időzítése véletlenszerű, így a tíz perc egy hosszú távú átlag, nem menetrend.
A blokkoktól a konszenzusig: a leghosszabb érvényes lánc
Egy érvényes blokk megtalálása csak a történet fele. A csomópontoknak továbbra is meg kell egyezniük egyetlen történeten, amikor két bányász szinte ugyanabban a pillanatban talál blokkot. A szabály az, hogy a csomópontok a legnagyobb összesen felhalmozott munkabizonyítékkal rendelkező érvényes láncot követik — amit gyakran „leghosszabb láncként" foglalnak össze, bár valójában a kumulatív munka szerinti legnehezebbről van szó.
Minden teljes csomópont önállóan ellenőrzi az egyes blokkokat a Bitcoin szabályai szerint: érvényes aláírások, nincs kettős költés, helyes blokkjutalom, és a célnak megfelelő hash. A szabályokat megszegő blokkokat egyszerűen elutasítják, függetlenül attól, mennyi munka került beléjük. Az átmeneti nézeteltérések (elágazások) feloldódnak, ahogy a következő blokk meghosszabbítja az egyik ágat, és a tisztességes bányászok köréje gyűlnek, mert az elfogadott láncra való építkezésben van a jutalom.
Miért teszi ez biztonságossá a hálózatot
Egy múltbeli tranzakció átírásához a támadónak újra el kellene végeznie a munkabizonyítékot arra a blokkra és minden utána következő blokkra, majd le kellene előznie az egész tisztességes hálózatot, hogy hosszabb láncot építsen. Minél mélyebbre van temetve egy tranzakció, annál több munkát kellene újra elvégezni — ezért várnak a kereskedők gyakran több megerősítésre. A költség a hálózat teljes hash rátájával együtt skálázódik.
Ez a megérzés áll az „51%-os támadás" mögött: a hash-teljesítmény többségének irányítása lehetővé tehetné valakinek a közelmúltbeli tranzakciók átrendezését vagy cenzúrázását. De drága beszerezni és üzemeltetni azt a hardvert, nem tud aláírásokat hamisítani vagy érméket egyenesen ellopni, és egy látható támadás alááshatná éppen annak az eszköznek az értékét, amelynek bányászatára a támadó erőforrásokat költ. Az ösztönzők úgy vannak összehangolva, hogy a tisztességes részvétel általában jövedelmezőbb, mint a támadás. A biztonság itt gazdasági és valószínűségi, nem abszolút garancia.
Kompromisszumok és a tágabb vita
A munkabizonyíték erőssége — a valós, külső költség — egyben a legáltalánosabb kritikájának forrása is: az energiafogyasztás. A Bitcoin áramfelhasználásáról szóló becslések nagyon eltérnek és idővel változnak, a képet pedig bonyolítja a néhány bányász által használt megrekedt, felesleges vagy megújuló energia növekvő aránya. Az ésszerű emberek nem értenek egyet, és a részletek változnak; érdemes aktuális, hiteles forrásokat ellenőrizni bármely egyetlen szám helyett.
Az alternatív konszenzus-kialakítások, például a letéti bizonyíték (proof of stake), néhány más hálózatot sokkal kevesebb energiával biztosítanak azáltal, hogy számítás helyett gazdasági fedezetet használnak. Ezek eltérő feltételezésekkel és kompromisszumokkal járnak, tisztességes összehasonlításuk pedig önálló téma. Kifejezetten a Bitcoin esetében a munkabizonyíték marad a mechanizmus, és biztonsága, valamint kibocsátási ütemterve ehhez kötődik.