O que é a Prova de Trabalho e como funciona?

O que é a Prova de Trabalho?

Proof of Work (PoW) é um algoritmo de consenso utilizado por várias cadeias de blocos para validar transacções e adicionar novos blocos à cadeia de blocos. O exemplo mais conhecido de uma blockchain que o utiliza é a Bitcoin. Esta é a primeira criptomoeda que utiliza o PoW. Mais tarde, foram lançadas novas cadeias de blocos que também utilizam este sistema, incluindo Litecoin, Dogecoin e Ethereum (antes de The Merge em 2022).

O Proof of Work é descentralizado, o que significa que vários participantes independentes ajudam a validar as transacções. Na PoW, isto é feito por mineiros que trabalham 24 horas por dia a resolver fórmulas criptográficas e matemáticas complexas. Chamamos a isto mineração. O primeiro mineiro a encontrar o número correto a partir da fórmula adiciona o bloco à cadeia de blocos e valida as transacções nesse bloco. Quanto mais mineiros estiverem activos na rede, mais descentralizada é a rede e, portanto, menos suscetível de ser manipulada. De facto, uma parte maliciosa teria de controlar mais de 50% do poder de computação da rede para causar qualquer dano.

Um mineiro é um computador que aproveita o seu poder de processamento para a rede. Isto requer muito poder de computação e energia. Por conseguinte, um mineiro recebe uma recompensa por utilizar o seu poder de computação. A recompensa consiste em novas criptomoedas que circulam durante a criação de um novo bloco. O mineiro recebe esta recompensa. O montante da recompensa depende da cadeia de blocos e é reduzido para metade por muitas cadeias de blocos, de vez em quando, para criar escassez. De acordo com os criadores, uma maior adoção e um menor número de novas moedas deverão conduzir a taxas mais elevadas.

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Pontos principais

• A prova de trabalho é um mecanismo de consenso fiável e bem testado que valida as transacções de forma descentralizada e segura através de puzzles criptográficos difíceis de resolver mas fáceis de verificar.

• Um dos principais inconvenientes é o elevado consumo de energia. Os mineiros utilizam hardware potente e especializado (ASICs), o que suscita preocupações quanto ao impacto ambiental e à sustentabilidade.

• Os mineiros resolvem puzzles matemáticos complexos. O primeiro a ter sucesso adiciona um bloco e recebe uma recompensa sob a forma de novas criptomoedas, proporcionando um incentivo financeiro para proteger a rede.

• O conceito de PoW remonta à década de 1990 e foi posteriormente aplicado ao Bitcoin por Satoshi Nakamoto.

• O PoW é menos escalável do que sistemas alternativos como o Proof of Stake, em parte devido aos longos tempos de bloqueio e ao consumo de energia. Além disso, a predominância de grandes pools de mineração leva a riscos de centralização.

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Como é que surgiu a Prova de Trabalho?

O Proof of Work (PoW) foi desenvolvido muito antes da existência do Bitcoin, nomeadamente na década de 1990. Nessa altura, os criptógrafos Cynthia Dwork e Moni Naor desenvolveram um sistema para combater o spam e os ataques de negação de serviço (DoS) na Internet. Eles tiveram a ideia de que um utilizador teria de fornecer uma pequena quantidade de poder de computação antes de poder enviar uma mensagem através da Internet. Isto tornaria o spam maciço mais difícil e dispendioso.

A ideia ganhou forma em 1997 com a introdução do sistema Hashcash por Adam Back. O livro branco de Back de 2002, "Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure ", descreve que um remetente de uma mensagem deve primeiro efetuar um cálculo que possa ser facilmente verificado pelo recetor.

A partir de 1999, o sistema ganhou realmente um nome, graças a Ari Juels e Markus Jakobsson, que introduziram a terminologia "Proof of Work".

Primeira utilização da prova de trabalho pela tecnologia de cadeia de blocos

Satoshi Nakamoto (o inventor anónimo do Bitcoin) abraçou a ideia de Back e, em 2008, integrou o conceito de Proof of Work na sua própria criação, nomeadamente o protocolo Bitcoin.

O seu livro branco "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System " descreve a forma como a Prova de Trabalho pode ser utilizada para a criação de consensos de forma descentralizada, nomeadamente através da utilização de mineiros que fornecem poder de computação. Nakamoto acrescenta a isto, nomeadamente, a emissão de novas moedas digitais durante o processo de extração, que são transaccionáveis através da rede e podem ser utilizadas para efetuar pagamentos. Com isto, Nakamoto introduz um sistema de pagamento seguro e descentralizado, em que o controlo cabe aos utilizadores e não a entidades centralizadas como os bancos. Desde então, tornou-se uma parte fundamental de muitas cadeias de blocos.

Como é que a Prova de Trabalho funciona?

A Prova de Trabalho funciona através do emprego de mineiros (também conhecidos como nodes) em todo o mundo que tentam resolver puzzles criptográficos complexos para validar todas as transacções. O mineiro que encontrar uma solução é autorizado a adicionar um novo bloco à cadeia de blocos e recebe uma recompensa de mineração, paga em novas criptomoedas. Este sistema torna a rede justa, uma vez que todos têm a possibilidade de validar um bloco, desde que disponham de capacidade de computação suficiente.

Segurança do PoW

A Proof of Work (PoW) é segura graças a um princípio assimétrico: a realização de trabalho computacional (o processo de extração) requer muita potência informática, enquanto a verificação desse trabalho é relativamente fácil. Isto faz com que seja difícil para os mineiros maliciosos fazerem batota nos blocos, enquanto é fácil para os outros mineiros verificarem os blocos. Isto porque os outros mineiros apenas precisam de verificar se o mineiro encontrou o hash correto (a resposta correta).

Além disso, um atacante precisaria de mais de 50% do poder de computação total da rede (hashrate) para assumir o controlo da rede. Isto também é conhecido como um ataque de 51%%. Este tipo de ataque torna-se cada vez mais difícil à medida que mais mineiros participam. Além disso, requer hardware muito caro e os custos de energia são enormes. Isto torna-o praticamente impossível numa rede tão grande como a da Bitcoin.

Se uma pessoa mal-intencionada ainda conseguir fazer isso e quiser fazer modificações num bloco da cadeia de blocos, depara-se com o seguinte problema: cada bloco está criptograficamente ligado ao anterior. Se alguém quisesse modificar um bloco antigo, teria de voltar a minerar todos os blocos subsequentes com mais poder de computação do que o resto da rede.

Dificuldade de exploração mineira

A Prova de Trabalho funciona através da resolução de um puzzle criptográfico complexo. A solução é chamada de hash e é um tipo de assinatura digital que consiste num número hexadecimal de 64 dígitos (exemplo: 0000000000000000000a3b4c5d6e7f8a9b0c1d2e3f4a5b6c7d8e9f0a1b2c3d4e).

Como pode ver no exemplo, o hash é composto por números e letras. No sistema, utilize:

• os dígitos de 0 a 9

• e as letras a a f (que representam os números 10 a 15)

Este hash contém letras porque o sistema hexadecimal assim o exige. É uma forma eficiente de representar uma longa sequência de bits. Cada carácter hexadecimal representa 4 bits.

Um puzzle é resolvido quando um mineiro encontra um hash suficientemente pequeno de acordo com uma regra predefinida. Quanto mais pequeno for o hash, mais difícil se torna encontrá-lo. Isto é determinado pelo nível de dificuldade (difficulty). Quanto mais participantes, mais difícil é o hash. Desta forma, a rede mantém o controlo sobre o tempo que demora a extrair um novo bloco.

O nível de dificuldade determina quantos zeros devem estar na frente do hash. Por exemplo:

• Em dificuldade baixa, um hash pode começar com 00af...

• Na dificuldade mais elevada, um hash deve começar com 000000f1...

Na Bitcoin, o nível de dificuldade é ajustado aproximadamente a cada 14 dias. Satoshi Nakamoto concebeu isto para garantir que novos blocos e, por conseguinte, novos bitcoins, não possam ser extraídos demasiado depressa. O Bitcoin usa o hashing SHA-256, o que significa que cada hash consiste em 256 bits, representados por exatamente 64 caracteres hexadecimais.

Quanto maior for o poder de computação de um mineral, mais fácil será encontrar uma solução. Por conseguinte, é muito mais provável que encontre a solução com hardware sofisticado do que com o poder de computação de um telemóvel.

Encontrar o haxixe certo

É necessário um grande poder de computação para resolver a fórmula e encontrar o hash correto. Como ajuda, os mineiros usam um número extra chamado "nonce". Os próprios mineiros ajustam o nonce de cada vez: de 0, para 1, para 2, e assim por diante. Dígito a dígito, procuram a combinação correta de dados do bloco. Se o hash devolver uma combinação de 64 dígitos que satisfaça os requisitos, o bloco é válido. O nonce é, portanto, uma espécie de número de adivinhação que os mineiros continuam a tentar até encontrarem o hash correto.

Para finalmente minerar um bloco, o minerador deve também calcular o hash do blockheader. Este é uma espécie de resumo dos dados mais importantes de um bloco. Os dados que contém incluem o hash do bloco anterior, o carimbo de data/hora e o nonce.

Além disso, o hash deve ser mais pequeno do que o "alvo". Este é o limite determinado pelo nível de dificuldade.

Um exemplo:

Suponha que o objetivo é: 00000000ffffffffffff...} Então isso significa: o hash do bloco deve ser numericamente inferior a este objetivo. Uma vez que os números hexadecimais começam com números e letras, pode ver isto visualmente como se o hash tivesse de começar com oito zeros ou mais. Quanto mais zeros no início, mais pequeno é o número.

Então:

• Um hash como 12bfa34d... **é demasiado grande

• Um hash como 0000a9f2... **ainda é demasiado grande

• Um hash como 0000000037c4... é suficientemente pequeno

O mineiro continua a tentar até encontrar a combinação correta.

Esta é imediatamente a razão pela qual é necessário tanto poder de computação: vários mineiros estão a trabalhar simultaneamente.

**Que blockchains usam o mecanismo de consenso Proof of Work?

No mundo das criptomoedas, a Prova de Trabalho é um mecanismo de consenso popular utilizado por várias das principais cadeias de blocos.

Bitcoin

O exemplo mais conhecido de uma blockchain de Prova de Trabalho é, obviamente, o Bitcoin. Esta é a primeira blockchain a utilizar esta tecnologia. Nos primeiros dias do Bitcoin, ainda era relativamente fácil minerar novos bitcoins, mas desde a sua grande adoção, tornou-se mais difícil participar na mineração de Bitcoin como um pequeno participante. Ainda é possível, mas as hipóteses de conseguir adicionar um bloco à cadeia de blocos de forma independente tornaram-se muito reduzidas. Isto deve-se ao facto de terem surgido quintas de mineração de Bitcoin em todo o mundo, onde milhares de computadores potentes estão ocupados a minerar bitcoin 24 horas por dia. Em parte devido a isto, surgiram vários pools de mineração dentro da rede: colaborações de mineiros mais pequenos que unem forças para fornecer mais poder de computação.

Graças a estas piscinas e explorações mineiras, há quem diga que a Bitcoin já não é tão descentralizada como inicialmente previsto.

Ethereum

Até 2022, o Ethereum também utilizava a Prova de Trabalho. Em 2021, a atualização para o Ethereum 2.0 exigiu uma mudança para a Prova de Participação, para obter mais escalabilidade e tornar-se mais eficiente em termos energéticos. Isto porque, com um mecanismo de aposta, não é necessário hardware pesado para validar transacções; em vez disso, os participantes apostam os seus tokens como segurança para a rede.

Litecoin

Pouco tempo depois do nascimento da Bitcoin, a Litecoin foi introduzida como uma chamada altcoin. Embora a Litecoin se baseie fortemente na Bitcoin, não é um hard fork direto da cadeia de blocos da Bitcoin, mas sim um fork da base de código da Bitcoin. A intenção era criar um método de pagamento melhor: mais rápido e mais barato do que o Bitcoin. Por exemplo, o tempo de bloqueio do Litecoin é de 2,5 minutos em vez de 10 minutos, o que permite um processamento mais rápido das transacções.

Além disso, a Litecoin utiliza um algoritmo diferente para a extração de novos blocos, nomeadamente o algoritmo Scrypt em vez do SHA-256 da Bitcoin. O Scrypt foi concebido para ser menos suscetível ao domínio dos ASIC e, nos seus primeiros anos, permitia que as pessoas minerassem com computadores normais. Inicialmente, isto tornou-o menos intensivo em termos energéticos, embora hoje em dia também se utilizem ASIC optimizados para o Scrypt.

Dogecoin

A Dogecoin também utiliza a Prova de Trabalho. Em 2013, a criptomoeda foi desenvolvida como uma piada, mas a Dogecoin tornou-se desde então (graças em parte a Elon Musk) uma das maiores criptomoedas. O Dogecoin é tecnicamente muito semelhante ao Litecoin e, portanto, usa o mesmo algoritmo de mineração: Scrypt em vez do algoritmo SHA-256 do Bitcoin. Isto facilita a mineração com hardware mais barato e mais eficiente em termos energéticos.

Bitcoin Cash

A Bitcoin Cash também utiliza a Prova de Trabalho. A Bitcoin Cash foi criada a partir de um hard fork da Bitcoin após desacordos sobre a atualização SegWit. A Bitcoin Cash é muito semelhante à Bitcoin, mas tem um tamanho de bloco maior, o que a torna mais escalável e capaz de processar mais transacções: nomeadamente entre 100 e 200 transacções por segundo (TPS), em comparação com os cerca de 7 TPS da Bitcoin.

Crítica da utilização de energia do Proof of Work

O consumo de energia da Prova de Trabalho tem sido criticado. Isto deve-se ao facto de exigir hardware pesado e especializado, conhecido como ASICs (Application-Specific Integrated Circuits). Estes sistemas consomem enormes quantidades de energia. Em particular, os críticos expressam preocupações sobre o impacto ambiental a longo prazo da PoW e consideram o sistema inadequado em termos de sustentabilidade. Esta é uma das razões pelas quais foram desenvolvidos outros mecanismos de consenso, como o Proof of Stake, o Proof of History e formas híbridas.

Vantagens e desvantagens da Prova de Trabalho

O Proof of Work, especialmente nos primeiros tempos das criptomoedas, foi um dos mecanismos de consenso mais populares e não sem razão. Provou ser revolucionário e tem muitas vantagens. Ao mesmo tempo, existem também desvantagens e questões sobre o futuro do mecanismo. Veja abaixo as principais vantagens e desvantagens:

Vantagens da prova de trabalho	Desvantagens da prova de trabalho
Segurança: O PoW é uma forma altamente segura de validação descentralizada de transacções, uma vez que fórmulas matemáticas complexas têm de ser resolvidas por computadores de todo o mundo. Isto exige uma dificuldade possível que é praticamente impossível de manipular. Consumo de energia: A validação de transacções e a extração de blocos consomem muita energia e são muito dispendiosas. Este facto leva a muitas críticas sobre a sustentabilidade a longo prazo do mecanismo.
Algoritmo comprovado: Em particular com a Bitcoin, provou nos últimos anos ser uma rede fiável, sem interrupções e um sistema transparente e seguro.	Escalabilidade limitada: As blockchains PoW são frequentemente menos escaláveis, uma vez que têm de lidar com um tempo de bloqueio relativamente longo em comparação com os algoritmos Proof of Stake, por exemplo. Isto não é alterável, o que pode levar a custos elevados durante os períodos de maior atividade.
Descentralizada: Quanto mais mineiros participarem, mais descentralizada se torna a rede, melhorando a fiabilidade. Além disso, qualquer pessoa pode participar, desde que tenha capacidade de computação.	Perigo de centralização: Graças ao aparecimento de múltiplos pools de mineração e fazendas de mineração, a descentralização está sob pressão, pois são principalmente as mesmas partes que adicionam novos blocos ao blockchain e, portanto, minam novas moedas.

Considerações finais

A Prova de Trabalho (PoW) é uma das inovações mais importantes no mundo do blockchain e das criptomoedas. O mecanismo do Bitcoin, entre outros, provou na prática ser uma forma altamente segura e transparente de validar transacções sem a intervenção de partes centrais. A força do PoW reside na simplicidade da ideia: puzzles complexos que são difíceis de resolver, mas fáceis de verificar.

No entanto, o PoW também tem desvantagens óbvias. O seu elevado consumo de energia, a dependência de hardware dispendioso e especializado e o domínio crescente de grandes pools de mineração colocam pressão sobre a visão original de descentralização total. Além disso, a sua escalabilidade limitada provoca atrasos e custos elevados em caso de utilização elevada, tornando-a menos adequada para algumas aplicações.

Apesar destas limitações, o PoW continua a ser relevante. Continua a ser a base de algumas das blockchains mais valiosas e influentes do mundo. Ao mesmo tempo, as críticas ao consumo de energia e à centralização estão a impulsionar o desenvolvimento de sistemas alternativos, como o Proof of Stake. É provável que o futuro seja uma mistura de diferentes mecanismos de consenso adaptados às necessidades de redes e aplicações específicas.