Что такое Proof-of-Work и Proof-of-Stake?

Майнеры работают 24/7 не только для того чтобы добывать монеты. Основная их задача — записывать текущие транзакции между кошельками в новые блоки. Именно для этого и служат «Proof of work» и «Proof of stake» — два наиболее известных алгоритма консенсуса в криптовалютах. Они предлагают отличающиеся по своей структуре механизмы доказательства проделанной работы. Наверняка в различных статьях вы сталкивались с этими названиями, но далеко не все знают, что это и как работает. Мы попробуем разложить все "по полочкам".

Proof-of-work

(PoW) Самый известный алгоритм в криптосообществе, использующийся для валидации транзакций майнерами. Proof-of-Work (PoW – докозательство работы) — алгоритм защиты распределенных систем от злоупотреблений (DoS-атак, спам-рассылок и т.д.), суть которого сводится к двум основным пунктам:

1. необходимости выполнения определенной достаточно сложной и длительной задачи;
2. возможности быстро и легко проверить результат.

PoW-задачи изначально не предназначены для человека, их решение компьютером всегда достижимо в конечные сроки, однако требует больших вычислительных мощностей. При этом проверка полученного решения требуется гораздо меньше ресурсов и времени.

Концепция Proof-of-Work (PoW) существовала задолго до биткоина. Впервые концепция была описана в 1993 году в работе «Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology» (авторы – Синтия Дворк и Мони Наор). И хотя сам термин в статье еще не использовался, авторы предложили следующую идею:

«Чтобы получить доступ к общему ресурсу, пользователь должен вычислить некоторую функцию: достаточно сложную, но посильную; так можно защитить ресурс от злоупотребления».

После в 1997 году Адам Бэк запустил проект Hashcash, посвященный той же защите от спама.

Принцип работы PoW

И вот принцип работы Hashcash и взял Сатоши Накамото. В сети Bitcoin механизм PoW был использован как средство достижения консенсуса (единого мнения о том, какую версию блокчейна считать верной). Если говорить простыми словами, механизм PoW обеспечивает способность узла сети (ноды) проверить, что майнер фактически выполнил расчеты. Данный процесс включает в себя попытку найти хеш заголовка блока (часть блокчейна, которая содержит ссылку на предыдущий блок и суммированное значение транзакций, в него включенных), который будет по своему значению соответствовать текущему уровню сложности.

Эти вычисления могут производиться только в интерактивном режиме, и сложность устанавливается на таком уровне, что она действительно оказывается сложной. В то же время проверка результатов вычислений остается простой. Узлы всегда могут удостовериться, что майнер нашел корректное значение. Для того, чтобы система признала блок валидным, необходимо, чтобы значение его хеша было меньшим по сравнению с текущей целью. Таким образом, каждый блок показывает, что была проделана определенная работа по его нахождению.

Каждый блок содержит хеш предыдущего блока, образуя цепь. Изменить блок невозможно – возможно лишь создать блок на той же высоте, который будет содержать в себе хеш предыдущего блока. Для проведения такого процесса необходимо проделать работу по нахождению всех предыдущих блоков. Высокая сложность этого процесса защищает блокчейн от несанкционированного доступа и двойных трат.

Proof of Work породил целую индустрию майнинга и к 2012 году общая мощность сети биткоин превысила мощность самого мощного суперкомпьютера в мире. Энергопотребление оборудования для майнинга многократно растет с каждым днем и отчасти поэтому в 2012 году была предложена альтернатива Proof of Work – принцип Proof-of-Stake.

Proof-of-Stake

PoS - альтернативный механизм консенсуса, впервые реализованный в 2012 году в криптовалюте PPCoin (сейчас PeerCoin). Идея состоит в использовании «доли» в качестве ресурса, который определяет, какая именно нода получает право добычи следующего блока.

В подходе Proof-of-Stake ноды также пытаются хешировать данные в поисках результата меньше определенного значения, но сложность в данном случае распределяется пропорционально и в соответствии с балансом данного узла. Иными словами — в соответствии с количеством монет на счету пользователя.

Таким образом, больше шансов сгенерировать следующий блок имеет узел с большим балансом.

Отличия

Очевидное преимущество Proof-of-Stake перед Proof-of-Work заключается в том, что его выполнение не требует от майнеров гигантского расхода электроэнергии, что делает его намного более эффективным. PoS также позволяет реализовать системы управления нового поколения, например, предоставив участникам сети возможность принять участие в выборе между хард- и софтфорками.

Как правило, за использования PoS приводятся следующие аргументы:

• Для проведения атаки требуются значительные средства, что делает ее нецелесообразной с финансовой точки зрения.
• Одновременно с этим, если в распоряжении атакующего имеется большое количество токенов, он сам пострадает от атаки, поскольку это нарушит устойчивость криптовалюты.

Аргументы, против PoS:

• PoS дает дополнительную мотивацию к накоплению средств в одних руках, что может негативно сказаться на децентрализации сети.
• Если образуется небольшая группа, которая соберет у себя достаточно большие средства, она сможет навязывать свои правила работы сети остальным участникам.

Что же лучше?

Споры между сторонниками Pow и PoS длятся уже долгое время, но природа этих споров больше теоретическая. Практика показывает, что роль разработчика в вопросах обеспечения безопасности по-прежнему очень высока.

В то же время многие считают наиболее безопасным решением гибридный вариант PoS- и PoW-систем. Такой подход уже активно практикуется — у многих криптовалют существует этап PoW, когда валюта выпускается через классический майнинг, и этап PoS, наступающий после завершения эмиссии.

Тем не менее, несмотря на то, что PoS-системы всегда будут более легкими для имплементации и в целом такими же надежными с точки зрения безопасности, большинство серьезных криптовалют, скорее всего, не станут отказываться от PoW.

Отметим также, что Proof-of-Work и Proof-of-Stake можно считать двумя наиболее популярными алгоритмами консенсуса в мире криптовалют, однако помимо них, существует еще целый ряд механизмов, имеющих собственные тонкости и особенности:

• Proof of Activity (доказательство активности) — стандартная гибридная схема, совмещающая PoW и PoS;
• Delegated Proof of Stake (делегированное подтверждение доли) — общий термин, описывающий эволюцию базовых консенсус-протоколов на основе подтверждения доли. DPoS используется в BitShares, а также в предложенных алгоритмах, таких как Slasher и Tendermint;
• Proof of Burn (доказательство сжигания) — «сжигание» происходит путем отправки монет на такой адрес, с которого гарантированно нельзя их потратить. Избавляясь таким образом от своих монет, пользователь получает право на пожизненный майнинг, который также устроен как лотерея среди всех владельцев сожженных монет;
• Proof of Capacity (доказательство ресурсов) — реализация популярной идеи «мегабайты как ресурсы». Необходимо выделить существенный объем дискового пространства, чтобы включиться в майнинг;
• Proof of Storage (доказательство хранения) – похожая на предыдущую концепция, при которой выделенное место используется всеми участниками как совместное облачное хранилище.