Что Такое Алгоритм Консенсуса Proof of Stake (PoS) и Как Он Работает?

В отличие от стандартных баз данных с центральным органом управления, блокчейн представляет собой одноранговую децентрализованную сеть, в которой может участвовать любой желающий. Классическая система блокчейн построена на криптографии и представляет собой последовательную цепочку блоков данных, записанных один за другим. Она обладает определенными базовыми свойствами в зависимости от того, как они записаны в цепочку блокчейна.

Для того чтобы система работала, и учитывая, что узлы блокчейна независимы друг от друга, каждый узел должен иметь определенные (и при этом единые) правила, в соответствии с которыми он проверяет транзакции в блокчейне и записывает блоки в цепь. Этот набор правил называется алгоритмом консенсуса блокчейна.

В этой статье мы рассмотрим алгоритм консенсуса Proof of Stake (PoS), его преимущества и недостатки, а также отличия от другого не менее популярного алгоритма Proof-of-Work. В заключение вы узнаете о нескольких блокчейн-проектах, основанных на алгоритме PoS.

Что Такое Алгоритм Консенсуса Proof-of-Stake (PoS) и Как Он Работает?

Proof of Stake (PoS) — это алгоритм повышения доли собственности цифровых валют в общем пуле. Алгоритм консенсуса PoS является вторым по популярности при реализации криптовалют. Как идея, алгоритм Proof of Stake был предложен в 2011 году на форуме Bitcointalk, а криптомонета PeerCoin представила первую реализацию этого протокола в 2012 году. Алгоритм предполагает наличие в сети участников — владельцев криптовалюты. Они объединяются в группы и делегируют свои права на майнинг монет одному участнику, который формирует пул участников для всех своих доверенных лиц. Такой узел сети называется нодой.

Система Proof-of-Stake создавалась как альтернатива Proof-of-Work и была направлена на преодоление ее недостатков, таких как огромное потребление вычислительной мощности. Этот механизм позволяет сократить вычислительную работу, необходимую для проверки транзакций и блоков, обеспечивающих безопасность распределенной бухгалтерской книги. Подход PoS, по сути, заменяет стейкинг на вычислительную мощность, при этом возможности майнера определяются сетью. Владельцы предлагают свои монеты в качестве залога за возможность верификации новых блоков и становятся «валидаторами». Валидатор осуществляет процесс проверки транзакций и удостоверяется в правильности транзакций в блоке. Если все сделано правильно, он добавляет блок в блокчейн и получает вознаграждение за свой вклад. Однако если валидатор предлагает добавить заведомо неправильный блок, то в качестве наказания он теряет часть своих активов в стеке.

В алгоритмах PoS можно предварительно сгенерировать все количество монет, которые затем могут быть переданы между участниками сети. Существует множество реализаций механизма консенсуса PoS блокчейна, которые представлены в следующем списке PoS-систем:

Делегированное Доказательство Доли (DPoS)

Основное отличие алгоритма от классической системы консенсуса PoS с распределенными книгами заключается в попытке избавить алгоритм от его главного недостатка — риска централизации. В DPoS право валидаторов одобрять криптовалютные транзакции делегируется им держателями монет, причем держатели голосуют за конкретного валидатора. Валидатором может стать любой участник сети, обладающий определенным количеством криптовалюты. При этом в любой момент голоса за того или иного валидатора могут быть отозваны в пользу другого. DPoS, in turn, also has disadvantages. В частности, риском является низкая активность участников сети, тогда DPoS превращается в PoS, также не исключен сговор делегатов.

Арендованное Доказательство Доли (LPoS)

Данный тип PoS предполагает аренду доли с доказательством владения. Она представляет собой пул участников сети с некоторым количеством криптомонет, которые они сдают в аренду участникам с большим количеством криптомонет, образуя узел. Благодаря арендованным криптомонетам участники сети имеют возможность получить свою долю криптомонет от майнингового узла, в противном случае, поскольку доля участника сети в общем рынке данной криптовалюты минимальна, шанс получить вознаграждение минимален.

Процесс добычи криптовалюты на основе консенсуса PoS называется форжинг. Он заключается в создании мастер-узла, работающего на выделенном компьютере, который обычно всегда подключен к Интернету. На выделенном компьютере постоянно работает кошелек с минимальным количеством криптовалют. Работа мастер-узла может принести значительную прибыль только в том случае, если операции проводятся с малопопулярными криптомонетами, стоимость которых незначительна. Если же их стоимость возрастет, то можно стать владельцем большого количества и получать регулярные выплаты на свой мастер-узел.

Преимущества и Недостатки Алгоритма Proof of Stake

По мере развития криптовалютных технологий появляется все больше различных алгоритмов консенсуса, причем каждый новый алгоритм должен быть лучше предыдущего, чтобы обеспечить развитие блокчейн-сетей. Proof of Stake, как один из наиболее популярных на сегодняшний день механизмов консенсуса, имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества Алгоритма Proof of Stake

Алгоритм консенсуса такого типа имеет ряд впечатляющих преимуществ.

1. Eco-Friendliness

Проблема устойчивости в криптотехнологиях остро стоит в связи с высоким энергопотреблением как для добычи новых монет, так и для других важных процессов поддержания блокчейн-систем, включая различные алгоритмы консенсуса, одним из которых является PoS. В отличие от других типов алгоритмов, PoS является энергоэффективным алгоритмом и не требует высокого потребления за счет оптимизации математических моделей, на основе которых работает данный механизм консенсуса. Это позволяет снизить энергопотребление и во много раз уменьшить уровень вреда, наносимого окружающей среде в процессе майнинга. 

2. High Security Level

Атака 51% — это атака на сеть блокчейна. Она заключается в том, что один человек, группа или организация получает контроль над значительной частью хэшрейта (мощности хэширования). В этом случае хакеры получат возможность изменять порядок или удалять транзакции. Например, удаление транзакции позволяет хакерам использовать криптовалюту несколько раз (двойная транзакция). Хакеры могут препятствовать подтверждению транзакций или майнингу других майнеров, что может спровоцировать сбой в работе сети.

В случае алгоритма PoS для проведения «атаки 51%» необходимо было бы завладеть более чем половиной всей криптовалютной сети, а это большой объем денежных средств, и даже если злоумышленники соберут такую сумму, атака станет финансово необоснованной.

3. Low Commissions

Как правило, камнем преткновения для майнеров становится размер комиссионных. Майнинг с помощью PoS-систем в определенной степени является оптимальным выбором для многих специалистов, добывающих новые блоки в сети распределенных книг. Высокая скорость верификации транзакций, низкие комиссии и удобство работы с системой позволяют достигать высоких результатов при добыче новых блоков в сети блокчейн. По сравнению с системой консенсуса Proof of Work (PoW), PoS предлагает очень низкую комиссию за добычу новых блоков, которая по-прежнему зависит от сети блокчейн.

Недостатки Алгоритма Proof of Stake

Теперь давайте поговорим о недостатках этого алгоритма консенсуса.

1. High Level of Centralization

Денежные средства часто находятся в руках ограниченного числа людей. Например, на начальном этапе сложно подобрать такую цену для ICO, которая привлечет максимальное количество покупателей и при этом не даст большому объему оказаться в руках одного человека. При накоплении монет узлы получают большую вычислительную мощность в сети. Крупные владельцы могут голосовать за дальнейшие решения по эволюции сети (в NEO и т.д.) Это негативно сказывается на доверии к такому механизму консенсуса со стороны многих майнеров.

2. The «Nothing at Stake» Problem

Подтверждение добросовестности участников гарантируется законами физики. Они не могут «разобрать» устройство и вернуть себе электричество, если их обвинят. Это материальное наказание — они потратили электроэнергию впустую, а прибыли не получили. В Proof of Stake наказание существует только внутри системы: недобросовестный игрок теряет заблокированные депозиты. Как только пользователи снимают свои депозиты, они становятся неуязвимыми. Принцип «Ничего на кону» — угроза того, что злоумышленник создаст форк монеты, удалив свои средства.

3. Limitation

Чтобы участвовать в сети в качестве валидатора, необходимо купить криптовалюту, а для этого нужно потратить фиатные деньги — то есть так или иначе вложиться в этот бизнес. Порой требования сети могут быть достаточно высокими, что не каждому по карману. С другой стороны, чем выше показатель валидатора, тем больше шансов, что именно он будет выбран для валидации блока транзакций. Но шанс есть в любом случае: некоторые блоки проверяются не одним человеком, а сразу, например, группой. Лучшие валидаторы специально покупают монеты и объединяют их в пулы, чтобы заработать как можно больше денег.

Чем Proof-of-Stake Отличается от Proof-of-Work?

Proof-of-Work — это консенсус, требующий решения сложных математических задач. Поэтому майнеры вынуждены использовать очень мощное оборудование с высоким энергопотреблением. Proof-of-Stake работает по-другому. Майнинг происходит за счет блокировки части монет в кошельке в качестве залога. Чем их больше, тем больше шансов стать валидатором транзакций, присоединить блок к сети и получить вознаграждение. Но есть и другие различия между двумя механизмами консенсуса.

Особенности Консенсуса PoW

Основной задачей майнера является решение сложных математических задач, в результате чего генерируются новые хэши для присоединяемых блоков. Они формируются на основе хэша предыдущего блока, тем самым подтверждая подлинность всей цепочки. Тот, кто быстрее решит задачу, получает вознаграждение в виде криптовалюты.

Блокчейны на таком консенсусе имеют серьезную уязвимость. Если в распределенной книге появляется майнер с хэшрейтом, превышающим 50% от общей мощности сети, то он может взять блокчейн под свой контроль. Это и есть атака 51%, о которой говорилось выше.

При использовании алгоритма консенсуса «Proof-of-Work» майнеры получают доход от присоединения к новым блокам. Им также выплачивается часть комиссии, взимаемой с пользователей при совершении транзакции на платформе.

Особенности Консенсуса PoS

При использовании системы «доказательства владения» узлы сети выступают в роли валидаторов. Деньги на их счету являются залогом и гарантом присутствия валидатора в сети и корректности его узла.

Сначала узел, имеющий большее количество монет, может присоединить блок и подтвердить транзакцию. Монеты на кошельке пользователя блокируются до тех пор, пока не будет достигнут консенсус между блоками. Весь процесс происходит автоматически. За эту деятельность валидатор получает вознаграждение.

Во-вторых, при консенсусе PoS риск «атаки 51%» сохраняется. Но для этого «мошеннический» узел должен иметь в обращении не менее 51% всех монет. То есть смысла в этом нет. Курс увеличится, если кто-то захочет скупить такое количество токенов. И если сумма будет сброшена, она рухнет.

В-третьих, внутрисистемное вознаграждение при консенсусе PoS выплачивается за подтвержденные сделки в сети. Валидация происходит быстрее, и сеть работает эффективнее, чем ее аналоги с консенсусом «proof-of-work».

Переход Ethereum на алгоритм консенсуса Proof-of-Stake с алгоритма Proof-of-Work стал одним из самых значимых событий в криптомире за последние годы.

Известные Блокчейны, Использующие Механизм Консенсуса Proof of Stake

В большинстве блокчейнов, созданных после Ethereum, используются механизмы консенсуса Proof of Stake. Как правило, каждый механизм модифицируется в зависимости от потребностей сети. Ниже мы рассмотрим их более подробно. Сам блокчейн Ethereum перешел на механизм консенсуса Proof of Stake в обновлении Ethereum 2.0.

1. Ethereum

Ethereum — это универсальная платформа смарт-контрактов, которая может быть использована для запуска децентрализованных приложений. Главной ценностью этой платформы является не ее родная монета Ether (ETH), а возможности, предоставляемые виртуальной машиной EVM.

Алгоритм PoW, на котором работал Эфир, требовал постоянного решения сложных математических задач. Для этого майнеры создавали огромные фермы с мощным компьютерным оборудованием, потреблявшим гигаватты электроэнергии. После перехода на PoS для подтверждения транзакций достаточно иметь деньги в кошельке Ethereum, подключенном к Интернету. Нет необходимости использовать майнинговые фермы, что позволило сэкономить энергию в объеме, потребляемом целой страной.

2. Polkadot

Polkadot — это сетевой протокол, основанный на алгоритме консенсуса PoS, который позволяет передавать любые данные (не только токены) между блокчейнами. Это означает, что сеть представляет собой настоящую полицепочечную прикладную среду, в которой возможны такие вещи, как межцепочечные реестры и межцепочечные вычисления. Упростим ситуацию: в сети Ethereum распределение реестров происходит только между пользователями внутри данной сети (цепочки). В Polkadot, напротив, информация хранится на устройствах, работающих во всех сетях, интегрированных в данный протокол.

3. Avalanche

Avalanche (AVAX) — инновационная платформа смарт-контрактов уровня Tier 1, созданная компанией Ava Labs. Это универсальный блокчейн, в котором приоритетными являются децентрализация, безопасность и масштабируемость, а также снижение затрат и обеспечение высокой скорости транзакций.

Сеть Avalanche состоит из трех отдельных блокчейнов: X-Chain, C-Chain и P-Chain. Каждая цепь имеет отдельную цель, что радикально отличается от подхода, используемого в Bitcoin (BTC) и Ethereum (ETH), где все узлы проверяют все транзакции. Такое разделение вычислительных задач обеспечивает более высокую пропускную способность Avalanche без ущерба для децентрализации.

4. Solana

Solana — это инновационная криптосистема, предназначенная для поддержки масштабируемых децентрализованных приложений (DApps). Одной из ключевых отличительных особенностей Solana является система консенсуса Proof of Stake (PoS), которая опирается на Tower Consensus. Она представляет собой вариант системы Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) и позволяет распределенным сетям достигать консенсуса, несмотря на атаки со стороны вредоносных узлов.

Tower Consensus использует эти синхронизированные часы для снижения вычислительной мощности, необходимой для проверки транзакций, поскольку больше не требуется вычислять временные метки предыдущих транзакций. Это помогает Solana достичь пропускной способности, превосходящей большинство конкурентов.

5. Cardano

Cardano — это децентрализованная и масштабируемая платформа распределенной электронной книги с открытым исходным кодом, основанная на принципе Proof-of-Stake. Одна из самых стабильных, надежных и математически выверенных блокчейн современности — более пяти лет работы без сбоев. Cardano была создана для выполнения схожих задач — запуска смарт-контрактов и создания DApps. В частности, разработка и использование протокола Proof-of-Stake (PoS) выводит смарт-контракты Cardano на новый уровень, обеспечивая высокую пропускную способность и скорость транзакций, делая DApps доступными для всех желающих, а также решая проблему совместимости с остальными частями блокчейна.

Заключение

Эволюция технологий распределенных книг создала целую экосистему взаимосвязанных криптовалютных трендов, каждый из которых развивается с невероятной скоростью. Алгоритмы консенсуса PoS и PoW, являясь одними из самых популярных на сегодняшний день, способствуют планомерному развитию процесса майнинга и, безусловно, в будущем внесут значительный вклад в создание и развитие новых, более совершенных систем консенсуса, которые выведут цифровые технологии на качественно новый уровень.