O que é Proof of Work (PoW) e como funciona?

No setor da tecnologia blockchain, onde a inovação se une com a descentralização, encontra-se um conceito que deve ser entendido para consolidar as bases do conhecimento. Estamos a falar de como se realizam as transações, se dá segurança à rede e se obtém um rendimento por realizar o trabalho.

Este conceito de Proof of Work (PoW), define-se em português como Prova de Trabalho. A sua execução baseada na lógica e na criptografia, representa a essência mesma da revolução financeira e tecnológica, que tem estado a germinar desde a introdução da Bitcoin em 2009. No entanto, para além da sua aparente simplicidade, encontram-se camadas de dificuldade e sofisticação que o tornam numa fórmula de estudo e reflexão.

Com o Proof of Work podemos interpretar dois pontos importantes:

• A necessidade de demonstrar potência computacional para validar transações, assegurando a integridade da cadeia de blocos.
• A criação de um ecossistema descentralizado onde a confiança não reside numa autoridade central, mas sim na colaboração e competição de uma rede distribuída de nós.

O que é o Proof of Work?

Depois de ter uma aproximação ao seu significado, é necessário definir corretamente o que é Proof of Work.

Sendo técnicos, Proof of Work (PoW) é um protocolo de consenso utilizado para validar e confirmar transações, e produzir novos blocos dentro da blockchain. Foi introduzido pela primeira vez pela Bitcoin em 2009 como parte integral do seu funcionamento.

Em termos mais coloquiais, Proof of Work é como um “jogo de mecanismos” que se utiliza para garantir que todas as transações numa blockchain são legítimas e precisas. É como resolver um quebra-cabeça matemático complicado. Quando alguém resolve o quebra-cabeça, é adicionado um novo “bloco” à cadeia de blocos, que é basicamente um registo de todas as transações, um bloco após o outro.

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Características do PoW

Entendendo um pouco mais a sua definição, passemos às características e qualidades que tem a Prova de Trabalho:

• História: Bitcoin foi a primeira criptomoeda a implementar PoW como seu mecanismo de consenso. Desde então, muitos projetos criptográficos adotaram esta abordagem, embora também tenham surgido alternativas como Proof of Stake (PoS) e outros protocolos de consenso diferentes.
• Validação de Transações: PoW é utilizado para validar e confirmar transações numa rede blockchain. Os blocos de transações são adicionados à cadeia de blocos depois de os dispositivos chamados “mineiros” resolverem problemas criptográficos.

Exemplo de cadeia de blocos

• Segurança: O mecanismo de Proof of Work proporciona um elevado nível de segurança à rede. Devido à natureza dos problemas criptográficos que devem ser resolvidos, é extremamente difícil para um atacante modificar uma transação passada sem ter que recalcular todos os blocos posteriores, o que torna os ataques pouco práticos e muito caros. Até agora, a Bitcoin não foi comprometida desde a sua criação em 2009.
• Incentivos Económicos: Os mineiros são recompensados com novas criptomoedas que são extraídas e taxas de transação pela sua força computacional na resolução de problemas matemáticos. Isto proporciona um forte incentivo económico para manter a integridade da rede e participar no processo de extração.

• Descentralização: Ao permitir que qualquer pessoa participe no processo de mineração com o equipamento adequado, a PoW promove uma maior descentralização da rede. Isso significa que não existe uma autoridade centralizada que controle a rede, o que a torna menos vulnerável a ataques ou manipulação.
• Consumo Energético: Uma das principais críticas à PoW é o seu elevado consumo de energia. O processo intensivo de cálculo necessário para resolver os problemas criptográficos consome uma quantidade significativa de eletricidade, o que gerou preocupações sobre o seu impacto ambiental. É verdade que, cada vez mais, a percentagem de energia consumida por esses nós provém de energias verdes renováveis.
• Escalabilidade Limitada: A PoW enfrenta desafios de escalabilidade e rapidez devido à sua natureza de construção. À medida que aumenta o número de transações e mineradores na rede, pode ocorrer congestionamento e maiores custos de transação. Além disso, não existe uma confirmação rápida de uma transação em segundos. Requer alguns minutos no caso da Bitcoin.

Como funciona a PoW?

A Proof of Work (PoW) é um mecanismo de consenso utilizado nas criptomoedas para validar transações e adicionar novos blocos à blockchain. Funciona da seguinte maneira:

• Transações:
  • Os utilizadores da rede criam transações, que correspondem a transferências de criptomoedas entre duas endereços.
  • As transações incluem informações básicas, como o endereço do remetente, o endereço do destinatário, a quantidade de criptomoedas transferida e uma taxa.
  • As transações são transmitidas para a rede e agrupadas em blocos.

• Criação do bloco: quando uma transação é realizada na rede, esta é agrupada com outras transações pendentes para formar um bloco.

• Seleção do problema criptográfico:
  • Após a formação de um bloco, é selecionado um problema criptográfico que os mineradores devem resolver para validar o bloco e adicioná-lo à cadeia de blocos. Este problema geralmente envolve encontrar um valor específico, conhecido como “nonce”, que, quando combinado com o conteúdo do bloco e passado por uma função hash, gere um resultado que cumpra certos critérios, como um determinado número de zeros no início do hash.
  • No caso específico do Bitcoin, essa função hash é o Sha-256.

• Resolução do problema:
  • Os mineradores competem entre si para resolver o problema criptográfico o mais rapidamente possível. Utilizam o seu poder de computação para realizar cálculos e testar diferentes valores de nonce até encontrarem um que produza o hash necessário.
  • Os mineradores utilizam software especializado e hardware potente para aumentar as suas probabilidades de encontrar uma solução.

• Verificação da Solução:
  • Quando um minerador encontra um nonce que cumpre os requisitos, ele anexa-o ao bloco e transmite-o para a rede.
  • Os outros nós da rede verificam a solução do problema criptográfico para garantir que o trabalho foi corretamente executado.

• Adicionar o bloco à cadeia:
  • Se a solução for válida, o bloco é adicionado à cadeia de blocos, e a recompensa é atribuída ao minerador que resolveu o problema.
  • Caso a solução não seja válida, o bloco é rejeitado.
  • A recompensa geralmente consiste em novas criptomoedas recém-criadas, além das taxas de transação incluídas no bloco.

Exemplo de Proof of Work com Bitcoin

Para aprofundarmos o conhecimento sobre o funcionamento da Proof of Work (PoW), tomemos como referência um exemplo inspirado no processo de mineração da Bitcoin, a criptomoeda mais conhecida do setor blockchain.

• Criação do bloco:
  • Transações: A Lucía quer enviar 1 BTC ao Juan. A transação é transmitida à rede.
  • Agrupamento: Todas as transações recentes, como a da Lucía, são agrupadas num bloco pendente que está pronto para ser adicionado à cadeia de blocos.
• Seleção do problema criptográfico:
  • Dificuldade: Seleciona-se um problema criptográfico para que os mineiros o resolvam, tendo em conta a dificuldade atual da rede. Neste exemplo, o problema consiste em encontrar um número (nonce) que, quando encadeado com o conteúdo do bloco e passado por uma função hash (bitcoin utiliza SHA-256), produz um resultado que cumpre com certos critérios, como começar com um número específico de zeros.
• Resolução do problema:
  • Mineração: Os mineiros na rede começam a competir entre si para resolver este problema. Utilizam o seu poder de computação para testar diferentes valores de nonce e calcular o hash do bloco até encontrarem um que cumpra com os requisitos estabelecidos pela dificuldade da rede.
• Verificação da solução:
  • Validação: Uma vez que um mineiro encontra um nonce que produz um hash válido, anexa-o ao bloco e transmite-o à rede. Os outros nós na rede verificam rapidamente se o hash do bloco cumpre com os requisitos de dificuldade. Se assim for, o bloco é considerado válido. Se não for válido, é rejeitado da cadeia.
• Adicionar o bloco à cadeia:
  • Recompensa: O novo bloco é adicionado à cadeia de blocos, e o mineiro que o resolveu recebe uma recompensa em forma de novos bitcoins e as taxas de transação incluídas no bloco. No caso do Bitcoin, a recompensa atual é de 6,25 BTC. A partir do próximo halving em Abril de 2024, será de 3,125 BTC durante os próximos 210.000 blocos minerados (cerca de 4 anos).
• Repetição do processo:
  • Continuidade: O processo repete-se continuamente na rede à medida que os mineiros competem para adicionar novos blocos à blockchain. A dificuldade do problema criptográfico ajusta-se automaticamente a cada 2016 blocos no Bitcoin para manter um tempo médio constante entre a criação de blocos (aproximadamente 10 minutos), o que garante a segurança e a estabilidade da rede.

Neste exemplo:

• Lucía conseguiu enviar 1 BTC para Juan de forma segura e confiável graças ao processo de PoW.
• Os mineiros foram incentivados a participar na rede e garantir a sua segurança através da recompensa de BTC.
• A blockchain do Bitcoin expandiu-se com um novo bloco que contém a transação de Lucía.

Por que se originou o Proof of Work na blockchain?

Satoshi Nakamoto, o criador da Bitcoin, teve a visão de desenvolver um sistema de dinheiro digital peer-to-peer (P2P) que eliminasse a necessidade de confiar numa terceira parte. A introdução do PoW permitiu aos participantes na rede, chegar a um consenso sobre o estado da blockchain de maneira descentralizada e segura, sem necessidade de uma autoridade central, podendo enviar, receber e guardar valor entre todos os nós.

Proof of Work (PoW) originou-se na blockchain como uma solução para o problema do duplo gasto e a necessidade de estabelecer um mecanismo de consenso descentralizado e seguro.

Problemas encontrados

• Duplo gasto: Num sistema digital, é fácil copiar e duplicar informação. Isto poderia permitir a um utilizador gastar a mesma moeda digital duas vezes, o que destruiria a confiança na moeda e a integridade do sistema.
• Consenso sem confiança: As criptomoedas, a priori e de maneira generalizada, não têm uma autoridade central que gere as transações e valide a informação. Era necessário um mecanismo para que os participantes da rede pudessem chegar a um acordo sobre o estado da blockchain sem necessidade de uma terceira parte de confiança.

Solução esperada

É aqui que o consenso de PoW introduz um mecanismo de incentivos e dificuldade computacional para resolver estes problemas:

• Incentivos: Os mineiros competem para resolver um problema matemático complexo e são recompensados com criptomoedas por fazê-lo.
• Dificuldade computacional: O problema é suficientemente difícil para que seja improvável que um único ator possa controlar a rede.

Proof Of Work vs Proof of Stake: A evolução natural

Como em qualquer boa história de tecnologia, existe sempre espaço para a inovação. É aqui que entra em cena o Proof of Stake. Em vez de competir para resolver problemas matemáticos, no PoS os validadores são escolhidos para criar e validar novos blocos com base na quantidade de criptomoedas que já possuem e estão dispostos a “apostar” como garantia.

Então, por que razão deveríamos prestar atenção ao PoS? Bem, em primeiro lugar, é mais eficiente energeticamente do que o PoW. Isso significa que requer menos energia para operar, o que é excelente para o meio ambiente e no que diz respeito à conta de eletricidade.

Além disso, o PoS também promove uma maior participação na rede, já que aquelas pessoas que já possuem criptomoedas com este tipo de consenso, têm a oportunidade de poder gerar mais criptomoedas em forma de juros, seja com mais ou com menos quantidade. Tendo a opção quase qualquer pessoa, sem ter que fazer um grande esforço financeiro.

No entanto, nem tudo são rosas. Argumenta-se que o PoS pode levar a uma maior centralização do poder nas mãos daqueles que possuem grandes quantidades de criptomoedas, o que poderia minar a verdadeira descentralização.

Então, qual é o veredicto final? Bem, não existe uma resposta definitiva. Ambos os protocolos têm as suas vantagens e desvantagens, e é provável que vejamos uma convivência de ambos no mundo das criptomoedas no futuro.

Em suma, o poder do Proof of Work (PoW) vai além da sua aplicação prática na tecnologia blockchain. Representa uma filosofia de descentralização e empoderamento individual que desafia as estruturas de poder estabelecidas até hoje. Num mundo onde as instituições financeiras e governamentais têm dominado durante muito tempo o panorama económico, o PoW oferece uma alternativa radical: um sistema onde a confiança se baseia na matemática e na criptografia, em vez de numa autoridade centralizada.