Proof-of-Work и Proof-of-Stake

9 минут

Продвинутый

PoW и PoS

В основе каждой криптовалюты лежит сеть компьютеров, которая помогает защитить программное обеспечение от злоумышленников и регулирует выпуск новых блоков в блокчейн.

Эта система называется механизмом консенсуса.

Двумя наиболее широко используемыми механизмами консенсуса являются Proof-of-Work и Proof-of-Stake, они предлагают отличающиеся по своей структуре механизмы доказательства выполненной работы.

Механизм консенсуса

Механизм консенсуса - это алгоритм, с помощью которого блокчейн проверяет подлинность и честность транзакций. Его главная задача - убрать из сделки третью сторону, которая берет на себя функцию гаранта этой сделки. Например, при покупке недвижимости, честность сделки обеспечивает нотариус и государственные органы, при переводе денег - банк или иная платежная система. За свои услуги нотариус, государство и банк берут определенную плату, что увеличивает стоимость сделки.

Когда Сатоши Накамото придумал концепцию криптовалюты Биткоин, он решил убрать из транзакций сторону гаранта, переложив его функцию на саму систему. Поскольку ни банк, ни нотариус, ни государство не давали 100% гарантий, но при этом повышали стоимость и продолжительность транзакции.

Для реализации своей задумки Сатоши Накамото использовал концепцию, придуманную Синтии Дворк и Мони Наор, которую они представили в 1993 году в научной статье «On Memory-Bound Functions For Fighting Spam». В ней описан элегантный механизм борьбы со спамом электронной почты: отсылающий письмо должен заплатить за его пересылку временем работы процессора своего устройства.

Оплата должна быть небольшой, чтобы обычные пользователи ее не ощущали, но достаточно значимой, чтобы приносить проблемы спамерам. Например, если плата - 10 секунд работы процессора, то на 10 000 писем спамер должен потратить около 28 часов.

Тогда задумка Синтии Дворк и Мони Наор не прижилась, но идею подхватил Адам Блэк, запустивший в 1997 году систему Hashcash, которая использовала описанную концепцию для защиты от спама и DoS-атак. Hashcash популяризировал концепцию, и через 2 года она получила текущее название - Proof of Work.

Proof-Of-Work

Proof-of-Work (PoW – дословно: доказательство работы) - это алгоритм функционирования криптовалют, основанный на доказательстве выполненной работы - майнеры решают задачу по формированию блока и подтверждают сделки между всеми участниками сети. Основным критерием является показатель мощность используемого компьютерного устройства.

При этом сложность сети (хешрейт) зависит от общего количества мощностей, пользователей и нагрузки на неё. Безопасность обеспечивается за счет того, что в хеше каждого блока содержится хеш предыдущего, из-за чего становится невозможно нарушить порядок создания.

Для выполнения этой работы необходима огромная вычислительная мощность, которая обеспечивается за счет большого количества участников. Однако это приводит и к определенным проблемам, например, к высоким затратам электроэнергии.

Но есть и другие трудности, связанные с Proof-Of-Work. По факту развития сети, растут и требования к вычислительной мощности. Этого требуют алгоритмы криптовалют. Именно по этой причине майнинг биткоина на слабом оборудовании стал абсолютно нерентабельным.

Основная цель Proof-Of-Work – защитить распределенную систему от различных атак, таких как DDos, спам, двойное расходование и так далее. Суть алгоритма сводится к полной прозрачности сети с возможностью просто и быстро проверить результат.

Если говорить проще, то алгоритм Proof-Of-Work обеспечивает способность сети убедиться в том, что майнер, добавляющий новый блок в блокчейн, правильно выполнил расчеты.

Proof-Of-Stake

Proof-Of-Stake (PoS – дословно: доказательство доли). В отличие от Proof-Of-Work, он не нуждается в огромном количестве мощностей. В PoS формирование блокчейна зависит от доли криптовалюты, принадлежащей майнеру. То есть, вероятность решить задачу прямо пропорциональна количеству токенов юзера. Соответственно, чем больше криптовалюты находится на счету, тем выше вероятность получить награду.

При этом в блокчейнах некоторых криптовалют, основанных на Proof-Of-Stake, награда за решение задачи отсутствует, а награду майнер получает за комиссии от транзакций.

И если понятие Proof-Of-Work появился в далеком 1999 году, как защита электронной почты от спама, то PoS имеет более молодую историю. Идея Доказательства доли владения появилась в 2011 году именно для криптовалют, как решение главной проблемы Proof-Of-Work – огромного потребления электроэнергии.

Основным же отличием PoW от PoS являются энергозатраты. В Proof-Of-Work для майнинга понадобится оборудование, что также включается в себя затраты на его обслуживание и электроэнергию. Во-втором достаточно купить криптовалюту и держать её на кошельке.

При майнинге на Proof-Of-Work вероятность генерации блока зависит от мощностей вашего оборудования или общих мощностей пула, к которому вы присоединитесь. В PoS доход зависит от количества криптовалюты. При этом, чем дольше вы ей владеете и не выводите, тем с каждым разом растет и шанс генерации блока.

В Proof-Of-Work для увеличения заработка понадобится нарастить мощности оборудования, вместе с которыми затраты тоже вырастут.

Но и в PoS не все так просто. Если количество монет, отправленных на майнинг, будет оставаться неизменным, прибыль может и упасть.

Предположим, в заморозке находится 1% токенов от общего числа монет в майнинге, значит и награда будет равняться 1%. Но как только в игру зайдет крупный держатель («‎кит»), процент ваших монет от общего числа уменьшится и соответственно заработок тоже упадет.

Но вот при падении курса убытки понесут как PoW, так и PoS-майнеры, но с некоторой разницей. Майнеры Proof-Of-Work продолжат получать счета за электричество, при этом получая меньшее вознаграждение при пересчете на фитную валюту, а PoS-майнеры лишь потеряют стоимость стейка.

Допустим, вы приобрели криптовалюту Tezos по $1 и заморозили ее. Но уже завтра ее цена опустилась до $0,50. В этом случае майнер потеряет 50% от ликвидности своего актива, но не понесет никаких издержек, токены все также будут лежать на счету и приносить доход.

Конечно, можно подумать, что PoS значительно превосходит Proof-Of-Work из-за меньших издержек. Но и у него есть свои недостатки, в основном связанные с децентрализацией.

К примеру, криптовалюты на этом алгоритме защищены от атаки 51%, но вместо этого контроль над сетью могут захватить крупные держатели монет, на счету которых находится 51% всех токенов.

Альтернативные варианты

Помимо этих наиболее распространенных алгоритмов достижения соглашения, существуют и другие подходы к поиску консенсуса в криптовалютах.

Их список может оказаться достаточно большим, поэтому перечислим несколько наиболее известных:

• 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, EOS и Tezos;
  
  
• 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.

Алгоритмы хеширования, работающих с PoW

Первой криптовалютой, работающей на Proof-Of-Work (да и вообще первой), стал Bitcoin. В нем применен алгоритм хеширования SHA-256. Однако уже после первого форка и создания криптовалюты Litecoin в 2013 году, появился новый алгоритм - Scrypt.

В того момента прогресс не останавливался ни на минуту, а разработчики искали более эффективное решение для криптовалют, что породило довольно много решений, основанных на Proof-Of-Work.

Интересным оказался Six-Hash, представляющий собой комбинацию из шести видов хеширования блоков.

Суть этого алгоритма заключалась в том, что для начала минимальной добычи майнеру необходимо сразу шесть чипов ASIC. Таким образом, количество пользователей уменьшается, но в тоже время суммарные мощности не падают. Six-Hash был реализован в криптовалюте Quark.

Позже этот алгоритм породил такие модернизации, как X11 (DASH), X13 (Bitcoin Diamond, Stratis, Navcoin), X14 (BERNcash), X15 (Kobocoin), и X17 (Verge). Исходя из названия понятно, что в них сочеталось ещё большее количество алгоритмов. Но изначально серьёзного требования к оборудованию не было – имелась возможность майнить даже на CPU. Одной из самых популярных монет на таких алгоритмах является DASH, но к сегодняшнему дню их насчитываются сотни.

Далее идут различные варианты алгоритма Scrypt - Scrypt-N (Vertcoin), Scrypt-jane, CryptoNote (Monero) и так далее. В них разработчики попытались уменьшить вероятность «атаки 51%», увеличить производительность GPU, а также добавили другие полезные функции.

Насколько трудоемки вычисления?

Сложность описываемых операций на самом деле достаточно высока, а сам вычислительный процесс может производиться при участии пользователей. Процедура проверки результатов, напротив, является весьма простой и нетребовательной к ресурсам системы. Любой узел может получить доказательство генерации майнером нового блока. Однако ввиду сложности вычислительных процессов, производимых майнерами, весьма трудно определить, который из них справится быстрее остальных.

Для проверки достоверности нового блока производится сравнение значения его хеша с текущей целью. Если оно оказалось меньшим - блок валидный. Так наглядно демонстрируется факт проведения определенной работы для генерации блока.

Структура блокчейна такова, что каждый созданный узел, добавляемый в цепочку, хранит информацию о предыдущем. Модификация «ячеек» невозможна. Можно лишь «присоединить» новую на том же уровне, которая станет хранить хеш прошлого блока. Для этого потребуется выполнение работы по генерации всех предыдущих узлов. Подобная задача является достаточно нетривиальной и ресурсоемкой. Этим обеспечивается надежная защита сети от вмешательства третьих сторон и двойной траты токенов.

PoW и PoS

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.