Алгоритм Proof-of-Stake в криптовалютах

Почему PoS, не имея проблем PoW, так и не стал его полноценной заменой?

Криптовалюта не может функционировать, если существует возможность бесконтрольно выпускать новые блоки (и, соответственно, новые токены)  — такая монета моментально обесценится.

Для защиты блокчейнов криптовалют от злоупотреблений используются различные защитные механизмы, называемые алгоритмами консенсуса. Доминирующим среди них является Proof-of-Work, требующий для подтверждения создания блока решить сложную математическую задачу. При этом проверка решения проста и не требует особых усилий. Таким образом, происходит подтверждение того, что при создании нового блока действительно были произведены необходимые вычисления.

Proof-of-Work служит в качестве основного защитного механизма блокчейнов уже два десятка лет (впервые этот алгоритм был использован ещё до появления биткоина) и пока что не собирается уступать позиции конкурентам, сильнейшим из которых является Proof-of-Stake. В нём создатель блока подтверждает не факт проведения вычислений, а факт владения некоторым количеством криптовалюты.

История создания Proof-of-Stake

Разработка концепции Proof-of-Stake, как и других альтернативных механизмов консенсуса, стала реакцией на существенные недостатки Proof-of-Work  — высокое энергопотребление и необходимость использования значительных вычислительных мощностей. Proof-of-Stake стала наиболее успешной из альтернатив PoW и впервые была воплощена в валюте PeerCoin (её блокчейн работает с 2012 года).

В дальнейшем над Proof-of-Stake работали как мелкие разработчики альткоинов, так и гранды криптоиндустрии, вроде разработчиков Ethereum. Однако пока PoS не удалось стать «убийцей PoW».

Что такое Proof-of-Stake простыми словами

При использовании Proof-of-Stake возможность узла произвести новый блок определяется исходя из того, какая доля токенов от общего числа токенов находится на его балансе.

Таким образом, наибольшие шансы сгенерировать новый блок и решить задачу для его доказательства не у того майнера, у которого стоит самое мощное оборудование, а у того, кто владеет наибольшим количеством данной валюты.

Как работает Proof-of-Stake

При работе по алгоритму PoS ноды (узлы) так же, как и в случае PoW, хэшируют данные, стараясь получить результат меньше определённого значения. Однако сложность распределяется пропорционально балансу узла. Больше баланс  — меньше сложность вычислений. В результате каждый узел может с приемлемой точностью прогнозировать, кто именно создаст новый блок.

Кроме того, по-другому работает и система вознаграждения. Непосредственно за создание нового блока награда не начисляется, его создатель получает только комиссию с транзакций. В связи с этим майнеров в PoS-блокчейнах обычно и майнерами-то не называют. Вместо этого, используется термин форджер.

Популярным решением в PoS-алгоритмах является использование так называемого «возраста монет»  — так называется произведение количества монет и продолжительности их пребывания на одном счету «без движения».

В процедуре распределения сложности учитываются только те монеты, которые находились на одном счету не меньше определённого времени.

Плюсы Proof-of-Stake

Главное достоинство PoS — это его значительно большая, по сравнению с PoW, энергетическая эффективность. В случае PoW майнеры вынуждены постоянно повышать мощность используемого оборудования (в сети биткоина, например, майнинг остался уделом крупных пулов).

В случае PoW есть проблема «потраченных впустую» ресурсов — вознаграждение получает только тот узел, который первым нашёл решение. Остальные узлы работали и расходовали электроэнергию впустую.

В случае PoS требования к вычислительным мощностям гораздо ниже, благодаря чему снижается потребление электроэнергии и пропадает необходимость в абсурдно мощных «фермах». Проблема потраченных впустую ресурсов также значительно уменьшается (поскольку самих ресурсов требуется меньше).

Кроме того, PoS предоставляет интересные бонусы в сфере безопасности. В PoW-блокчейнах майнеры могут, вообще, не иметь на счету валюту, которую добывают. И могут спокойно переключаться между разными криптовалютами, руководствуясь исключительно сиюминутной выгодой. В PoS форджеры в любом случае имеют на балансе добываемую крипту. Соответственно, они заинтересованы в бесперебойной работе системы, развитии и повышении ценности этой валюты. И не «сбегут» так просто в более выгодную крипту.

Плюс, для проведения «атаки 51%» необходимо скупить более половины эмитированной валюты, что, в общем-то, лишает атаку экономического смысла.

Минусы Proof-of-Stake

Первая и, пожалуй, главная проблема напрямую вытекает из достоинств PoS — из-за сниженного потребления ресурсов форджерам становится выгодно одновременно работать над двумя и более ответвлениями блокчейна. Это препятствует достижению консенсуса и создаёт потенциал для двойной траты крипты. Из-за этого все серьёзные проекты вынуждены создавать дополнительные механизмы для защиты от такой атаки. Как правило, они основаны на «ставках» — форджер вносит некоторое количество криптовалюты в залог и, если система считает, что он нарушает правила и пытается работать сразу над двумя цепочками, то этот залог он теряет.

Кроме того, меньшие требования к вычислительным мощностям позволяют злоумышленникам пытаться создавать альтернативные версии блокчейна с нуля и новые пользователи могут присоединяться к нему вместо основной цепочки.

Отдельную опасность представляет централизация капитала в PoS-системах, так как в них действует дополнительный стимул к сосредоточению монет в одних руках. Более того, у пользователей, получивших криптовалюту на начальном этапе, нет резона тратить её.

В связи с этим большинство разработчиков крипты, даже будучи горячими сторонниками PoS, для первоначальной эмиссии обращаются к проверенному методу Proof-of-Work.

Особенно эта проблема актуальна для метода DPoS — «делегированного» варианта PoS, при котором каждый держатель валюты имеет право выбрать несколько доверенных узлов-«свидетелей», которые и подтверждают его транзакции. Все созданные к сегодняшнему дню на основе DPoS криптовалюты столкнулись с проблемой, что работу сети контролирует очень ограниченный круг лиц.

Сравнение PoS и PoW

Proof-of-Stake более энергетически эффективный алгоритм, который значительно проще имплементировать, чем Proof-of-Work. И, на практике, оба алгоритма примерно равны по обеспечиваемому уровню безопасности и устойчивости системы — допускаемые разработчиками ошибки сказываются на безопасности гораздо сильнее, чем особенности используемых алгоритмов. Однако теоретически возможных векторов атак на PoS-блокчейны больше.

Использование в криптовалютах

Поскольку с развитием рынка криптовалют и, особенно, сети биткоина, проблемы PoW проявляются всё ярче, интерес разработчиков криптовалют к PoS неуклонно растёт. Так, о внедрении этого алгоритма в ближайшее время уже заявили разработчики Ethereum.

Майнинг криптовалют, использующих Proof-of-Stake

Майнинг криптовалют, использующих исключительно PoS, в классическом его понимании (с выплатой вознаграждения за блоки) совершенно невозможен, поскольку, как уже упоминалось, никакого вознаграждения, кроме комиссионного сбора, не предусмотрено.

Однако, большинство валют, использующих PoS, вплоть до завершения эмиссии распределяют монеты с помощью «классического» PoW, так что майнинг большинства PoS-валют вполне доступен. Большинство пулов, впрочем, сосредотачиваются на «классических» PoW-валютах.

Популярные криптовалюты на алгоритме Proof-of-Stake

PeerCoin — первая PoS-валюта на рынке. Впрочем, распределяют новые токены в ней, применяя «старый добрый» PoW. Однако с ростом сложности награда уменьшается, делая создание PoS-блоков всё менее перспективным и подталкивая узлы к работе над PoS-блоками, отвечающими за проведение транзакций. За счёт этого разработчики рассчитывают сделать свою валюту энергоэффективной в долгосрочной перспективе.

Кроме того, PeerCoin использует концепцию «возраста монет» — алгоритм PoS учитывает только те монеты, которые никуда не переводились в последние 30 суток. Возраст также используется для вычисления единственно правильной ветви блокчейна: при совершении транзакции возраст токенов в ней обнуляется. Верной считается цепочка, в которой уничтоженных монет больше, чем в любой другой.

Первое время разработчики PeerCoin рассылали «точки синхронизации» для защиты от форков, и форджеры не могли создавать блоки, предшествующие последней точке. Однако сейчас, когда сеть стала достаточно разветвлённой, «точки синхронизации» стали необязательными.

Разработчики Ethereum с самого начала своего проекта заявляли о намерении внедрить PoS-алгоритм, однако, только после того, как ими будет разработан полностью удовлетворяющий их требованиям протокол. Так что в настоящий момент Ethereum использует PoW-алгоритм Ethash.

Основной особенностью как протокола Slasher, активно разрабатывавшегося, но так и не внедрённого, так и более нового протокола Casper (который разработчики эфира обещают внедрить «вот-вот») является механизм «наказания» узла, который пытается работать одновременно на двух и более ветках блокчейна.

BitShares использует алгоритм DPoS, основанный на понятии «свидетелей». Каждый держатель BTS может выбрать произвольное количество узлов-свидетелей, которые и подтверждают блоки транзакций. При этом держатель распределяет между свидетелями «голоса», число которых соответствует количеству BTS на руках держателя.

«Победители голосования» (их число должно удовлетворять голосам хотя бы половины держателей) поочерёдно выпускают новые блоки. Когда свой блок создал каждый из них, список случайным образом перемешивается, изменяя порядок создания блоков.

Аналогичным образом держатели выбирают «делегатов», которые управляют параметрами сети: от размера комиссии за транзакции до размера блоков.

Несмотря на красивую идею, на практике сеть BitShares довольно быстро оказалась под контролем очень ограниченного круга лиц, тесно связанных с разработчиками и, несмотря на относительную успешность, монета быстро получила в криптосообществе репутацию скам-токена.

NXT — едва ли не единственный популярный токен, использующий чистый алгоритм Proof-of-Stake. Никакого майнинга NXT нет — весь миллиард токенов находился в обращении с самого начала работы блокчейна, так что единственное вознаграждение форджера - это комиссия за проведение транзакций.

Кроме того, NXT позволяет с разумной точностью предсказывать создателя следующего блока. Особенно в сочетании с тем, что вместо открывающих и закрывающих транзакции скриптов используются профили пользователей.

Механизм защиты от разветвления, впрочем, довольно спорный: протокол позволяет реорганизацию только новейших 720 блоков. Однако остаётся угроза того, что новый участник присоединится к цепочке из 721 блока, так что этот метод не решает проблему полностью.

Какое будущее ждёт алгоритм Proof-of-Stake

Несмотря на меньшую требовательность к ресурсам, простоту внедрения и энергоэффективность, из-за существующих проблем алгоритма PoS распространение валют, использующих исключительно этот алгоритм, маловероятно.

С другой стороны, необходимость альтернативных традиционному PoW решений уже более чем назрела - расход электроэнергии на майнинг биткоина уже вполне соответствует энергопотреблению небольшой развитой страны.

Если судить по существующим сегодня тенденциям, нас ожидает все более активное внедрение гибридных криптовалют, использующих сочетание PoS и PoW или другие, более экзотические решения, вроде гибрида Proof-of-Stake и алгоритма Proof-of-Burn (при котором держатель криптовалюты соглашается уничтожить часть своих токенов в обмен на право с некоторой вероятностью генерировать новые блоки).

Символы: 11653

Подписывайтесь на наш канал в телеграм: @Finfreelance / tele.click/finfreelance
Наш сайт: contentmaker.studio