Протоколи Консенсусу - Proof of Work (PoW) vs Proof of Stake (PoS)
Під час створення Bitcoin у 2008 році, користувачі вперше дізналися про Proof-of-Work. Відтоді на ринку з'явилося безліч альтернатив, головною з яких є Proof-of-Stake.
Не буде перебільшенням сказати, що Proof-of-Work - це головна ідея біткоїна: саме вона лежить в основі розподіленого реєстру. Найвідомішими блокчейнами, що використовують Proof-of-Work сьогодні, є:Чи зможе PoS повністю замінити PoW? У цій статті ми розглянемо протистояння цих алгоритмів, і постараємося зрозуміти, який із них кращий.
Інформаційні записи, які називаються "блоками", пов'язані між собою за допомогою програми-протоколу, і жоден з існуючих блоків не може бути видалений або змінений. Додавання нового блоку - це єдиний спосіб оновити блокчейн, будь-який вузол може зробити це без будь-якої центральної команди.
Якщо вузол ігнорує попередньо визначені стандарти і створює блок, інші вузли ігнорують його. Однак, якщо несумісний вузол продовжує створювати блоки без дотримання стандартів, а інші вузли починають створювати блоки поверх неналежних блоків, то в спільноті виникає конфлікт. Механізм консенсусу необхідний, щоб запобігти появі несумісних вузлів, які створюють так звані форки.
Можуть існувати зловмисні вузли, які пригнічують інші вузли мережі за допомогою "розподіленої атаки на відмову в обслуговуванні" (DDoS). Такі вузли можуть викликати помилкові дії. Для запобігання цьому також потрібен механізм консенсусу.
Перед тим, як говорити про Proof-of-Work, пропонуємо визначити поняття "майнінг". Майнінг - це складні комп'ютерні обчислення, які необхідно провести для створення нового блоку і додавання його в блокчейн. Ті, хто проводять ці обчислення називаються "майнерами".
Доказ роботи (Proof-of-Work, PoW) використовується, коли технічне обладнання майнера вирішує складні математичні задачі. Майнер отримує винагороду у вигляді криптовалюти за внесення перевіреного блоку до блокчейну. Пошук рішень - це складний процес, який вимагає значних обчислювальних потужностей. Як тільки комп'ютер знаходить рішення, він надсилає повідомлення іншим комп'ютерам у спільноті для перевірки. Розв'язок легко перевірити, оскільки інші комп'ютери отримують відповідь.Ключовою особливістю цієї математичної задачі є асиметрія: вона повинна бути помірно складною для майнера, але досить простою для мережі в цілому. Це досягається за допомогою криптографії. Кожен майнер в мережі намагається знайти розв'язок задачі першим; в той же час, насправді він може бути знайдений тільки методом прямого перебору, тому успішне рішення вимагає багатьох спроб.
Приклад, можливо, трохи фантастичний, але показовий. Уявіть, що вам дали клавіатуру з кількома мільйонами пронумерованих клавіш. Ви шукаєте саме ту клавішу, яка вам потрібна для правильного виконання задачі, але не знаєте її номера, тому перебираєте все підряд. Натовп навколо вас також шукає потрібну клавішу. Раптом ви знаходите потрібний ключ і кажете всім: " Народ, я знайшов ключ, його номер 22 875". Всі навколо починають перевіряти номер ключа 22 875, і так, це він. Той, хто першим знайшов ключ, отримує приз. Потім кожному дають іншу клавіатуру з ще кількома мільйонами клавіш. І все починається знову.
Алгоритм складності Bitcoin запрограмований таким чином, щоб 1 блок у мережі добувався приблизно за 10 хвилин. Для цього існує автоматична система, яка регулює складність залежно від того, скільки часу зайняв видобуток 2016 блоків, а саме:
Складність майнінгу в мережі Bitcoin змінюється шляхом додавання або зменшення кількості нулів у передній частині цільового хешу.
Складність майнінгу в період з 2020 по 2023 рік. Джерело.
За останні 3 роки, складність майнінгу зросла у понад 5 разів. У 2020 році це значення становило 10 T, а сьогодні - 52 T. Це пов'язано з підвищенням інтересу до майнінгу та виникнення нових ферм з видобутку біткоїнів.
На жаль, поки майнінгова компанія знаходить рішення в реальному світі, вона також використовує велику кількість реальних ресурсів. Майнінг вимагає постійної закупівлі обладнання та величезної кількості електроенергії. Люди, які піклуються про планету і навколишнє середовище, починають піднімати питання про надмірне використання електроенергії для майнінгу. Для запуску комп'ютерів або кластерів, які займаються майнінгом, потрібно багато енергії. Постійна плинність обладнання, що виникає через те, що процес швидко зношує компоненти комп'ютерів, створює масивний склад застарілих деталей. З екологічної точки зору, це шкодить планеті.До того ж, той факт, що майнінг вимагає серйозного обчислювального обладнання, яке коштує більше, ніж може дозволити собі середньостатистична людина, означає, що майнінг-спільнота складається переважно з багатих та впливових людей. Це значною мірою суперечить ідеї децентралізації, оскільки створює ризик захоплення влади людиною, яка контролює понад 51% обчислювальних потужностей всієї майнінгової екосистеми. З огляду на величезні витрати на обладнання, яке дозволить заробляти гроші, навряд чи пересічна людина буде займатися цим бізнесом.
У 2024 році, майнінг є менш прибутковою діяльністю. За даними CoinGecko, лише 65 країн світу є прибутковими для майнінгу. З яких, всього лише 5 знаходяться в Європі.
Вартість видобутку 1 BTC у різних країнах світу. Джерело.
У звіті йдеться про те, що вартість видобутку 1 BTC становить $46 291. Такі витрати обмежують можливість звичайних користувачів брати участь у консенсусі та стимулюють розвиток таких альтернативних алгоритмів, як Proof-of-Stake.
Вперше ідея доказу ставки ("Proof-of-Stake") була запропонована на форумі bitcointalk ще в 2011 році, а вже через рік з'явилися перші криптовалюти, що використовують цей метод - Peercoin, ShadowCash, Nxt, BlackCoin, NuShares / NuBits, Qora і Nav Coin.
На відміну від Proof-of-Work, де алгоритм винагороджує майнерів, які виконують обчислення для підтвердження транзакцій і створення нових блоків, в Proof-of-Stake творець нового блоку обирається системою заздалегідь на основі його стану, тобто частки в загальному обсязі криптовалюти.
Ідея proof-of-stake полягає в тому, щоб вирішити проблему доказу роботи, пов'язану з великою кількістю електроенергії. Замість обчислювальних потужностей учасників, рахується кількість криптовалют на їхньому рахунку. Таким чином, замість того, щоб використовувати велику кількість електроенергії для вирішення проблеми PoW, учасник PoS має обмежений відсоток можливих перевірок транзакцій. Ліміт відповідає кількості криптовалюти на рахунку учасника.
Proof of Stake (PoS) використовується, коли майнер блокує заздалегідь визначену кількість монет для перевірки блоку транзакцій. Криптографічні обчислення в PoS набагато простіші для комп'ютерів. Вам потрібно лише довести, що ви володієте певним відсотком всіх монет, доступних в даній валюті. Наприклад, якщо хтось володіє 2% від загального обсягу Ethereum (ETH), він може отримати 2% від усіх транзакцій через Ethereum. Дехто вважає, що PoS буде справедливішою системою, ніж PoW, оскільки технічно будь-хто може стати майнером. PoS пропонує лінійну шкалу відносно відсотка блоків, які майнер може підтвердити, виходячи з частки токенів цієї людини в криптовалютній блокчейні. Це означає, що людина, яка має в десять разів більше монет (наприклад, один має $10 000, а інший - $1000), може створити лише в 10 разів більше блоків, ніж інший.
Сприятливий ґрунт для розвитку спільноти і лояльність зоозахисників стимулюють творців криптопроєктів використовувати PoS. Так, 15 вересня 2022 року, другий за популярністю блокчейн Ethereum перейшов з PoW на PoS. Це стало можливим завдяки злиттю Beacon Chain, запущеної 2020 року, та основною мережею Ethereum.
Схема модернізації Ethereum. Джерело.
Протягом минулого року на ринку з'явилося 2 великих L1 рішень, а саме:
Обидва блокчейни використовують Proof-of-Stake, як алгоритм консенсусу. Валідаторам необхідно застейкати якусь частину токенів APT і SUI для того, щоб підтримувати працездатність блокчейна.
Дехто вважає, що перехід на PoS може сприяти ширшій участі світової спільноти, а також більш повній децентралізації потужностей. Вирвавши майнінг з рук мульти-ASIC ферм, робота з майнінгу буде рівномірно розподілена по всій мережі, що призведе до більш демократичної системи.
Можливі варіанти алгоритму консенсусу Proof-of-Stake. Джерело.
Алгоритм консенсусу Proof-of-Stake має кілька різновидів. Найпопулярнішими з них є:
В архітектурі Delegated Proof-of-Stake (DPoS) учасники мережі мають право делегувати виробництво нових блоків фіксованому числу делегатів. У середньому, їхня кількість перебуває в межах 20-100 валідаторів.
Принцип роботи Delegated Proof-of-Stake. Джерело.
Користувачі визначають, хто з делегатів буде підтверджувати нові блоки, за допомогою механізму голосування. Цей процес є безперервним, і користувачі можуть у будь-який момент замінити неефективних делегатів.
Leased Proof of Stake (LPoS) - це механізм консенсусу, який використовується, зокрема, у блокчейні Waves, за якого користувачі здають токени в оренду вузлу, що має намір виступати валідатором.
LPoS проти PoS. Джерело.
Протоколи LPoS найкраще застосовувати в мережах, які мають високі технічні вимоги до запуску повноцінного вузла. Таким чином, дрібні власники токенів, можуть об'єднати активи і підвищити свої шанси на отримання частки від транзакційних зборів мережі.
Pure Proof of Stake (PPoS) - це високодемократизована форма PoS, що використовується в Algorand, блокчейн-проєкті, орієнтованому на розробку DApps.
Принцип роботи механізму консенсусу PPoS в Algorand. Джерело.
На відміну від інших форм PoS, механізм PPoS не має вбудованої системи контролю запобігання зловмисній діяльності вузлів або потенційним помилкам у системі безпеки. Натомість PPoS пропонує низькі мінімальні вимоги до ставок для участі в мережі.
Для того, щоб стати валідатором у мережі Algorand, вам знадобиться тільки один токен ALGO. У той час, як в Ethereum мінімальний розмір ставки становить 32 ETH. Такий підхід створює систему, в якій недобросовісним учасникам буде фінансово невигідно захоплювати або порушувати роботу мережі.
На ринку з'являються й інші алгоритми консенсусу. Наприклад, фактор пропорційності "Proof of Space", заснований на тому, скільки місця для зберігання даних має вузол. Існує також PoET (доказ часу, що минув) і ряд інших алгоритмів, більшість з яких ще не підтверджені. Заради справедливості варто сказати, що технології продовжують розвиватися в геометричній прогресії, і неможливо передбачити, що може статися або порушити баланс в світі майнінгу.
PoW надає учасникам та індустрії багато переваг, яких немає в PoS.
Розповсюдження оферти. Proof of Work набагато краще, ніж його опонент, розподіляє продажі валюти. Хоча майнери отримують гроші за свою роботу, витрати, пов'язані з перевіркою знайдених рішень, змушують їх продавати свої запаси монет, а не зберігати їх. Це створює більш рівномірний розподіл і ліквідність на ринку. Накопичення активів не є вигідним для майнера, як в алгоритмі Proof of Stake, тому майнер отримає великий прибуток за купівлю і продаж, а не за утримання.
Консенсус SPV та клієнти. У Proof of Work, коли блокчейн розділений на два ланцюжки через соціальні або технічні проблеми, набагато простіше визначити, який з них має найкращу підтримку майнінгу. Майнери, як правило, слідують за ланцюжком, який має найбільшу кількість завершених робіт. Це створює більш надійний блокчейн з меншою ймовірністю подвійної оплати або перевірки.
Управління інфляцією. Алгоритм Proof of Work відмінно підходить для розвитку роздутих валют, він може в будь-який момент змінити складність рівняння, щоб скорегувати створення нових монет. В алгоритмі Proof of Stake відсутня взаємодія між технологіями і ринками для регулювання та підтримки дефляційної пропозиції. Майнінг визначається залишками в гаманцях власників монет. Блоки виробляються за встановленим графіком, розподіл нових монет визначається пропорційно, виходячи з того, скільки власників криптоактивів мають невитрачені монети. По суті, "Proof of Stake" не залишає ринковому механізму можливості регулювати інфляцію. Теоретично, розробка монет за алгоритмом PoS відбувається стабільно, незалежно від їх вартості і прибутковості, але це повністю знищує будь-які ринкові правила, які контролюють розробку. В результаті, навіть при загальному дефіциті пропозиції, помилки в постачанні завдадуть шкоди грошовій системі, заснованій на PoS, не залишаючи місця для стабільності і перешкоджаючи стійкому економічному зростанню.
Якість обладнання. Працюючи з протоколом PoW, майнінг-спільнота постійно вдосконалює обладнання, що використовується, і шукає менш енергоємні рішення. Використання найкращого обладнання часто експоненціально краще, ніж менш дорогі аналоги при роботі за алгоритмом PoS.
Зменшення ймовірності глобальної атаки. PoW заохочує екосистемні сили, які працюють над покращенням спільноти, заохочуючи інвестиції в систему - майнерів, які використовують більше обчислювального обладнання для блокчейну і заробляють більше криптовалюти. Перш за все, це сприяє чесності, адже забезпечення цілісності транзакцій також гарантує винагороду майнерам. Крім того, оскільки вводиться в експлуатацію все більше потужностей і впроваджується краще технологічне обладнання, в інтересах майнера інвестувати більше коштів у цю галузь, щоб конкурувати на ринку.
Хоча майнери все ще отримують комісію за кожну транзакцію, яку вони обробляють, їм все одно потрібно конкурувати за частину мережі, щоб отримати більше шансів на видобуток, наприклад, Bitcoins cryptocurrency. Набагато складніше отримати достатній хешрейт (51%) для здійснення атаки на систему - ця дія стає занадто дорогою для хакера, дає мізерну винагороду, особливо в порівнянні з майнінгом. Сьогодні, за оцінками експертів, така атака коштуватиме понад мільярд доларів.
Безпека. Алгоритм PoS створює більш високі загрози для безпеки системи, які не притаманні системі PoW. Консенсус PoS не фіксується у фізичному світі (за допомогою хешувального обладнання в PoW). Більшість валют, які покладаються на PoS, також використовують додаткові механізми для вирішення проблем безпеки, часто комбінуючи PoS і PoW.
Форкінг та подвійна оплата. Proof of Stake має серйозну проблему: якщо в блокчейні є плагін (випадковий або навмисний), раціональна поведінка користувачів цієї мережі полягає в тому, щоб розділити блоки на обох гілках. За допомогою алгоритму PoW така поведінка стає ірраціональною. Розділяючи ресурси на кілька гілок, майнер зменшує ймовірність знаходження блоку. Оптимальна стратегія в системі PoW завжди повинна виконуватися на одній гілці, оскільки раціональна поведінка в системі PoS полягає у виборі блоків на вершинах всіх гілок, про які користувач знає. Ця проблема полегшує здійснення подвійних платежів або інших видів атак, які притаманні розгалуженому блокчейну.
Багаті отримують більше. На відміну від PoW, де майнер отримує гроші за виконання роботи, в світі PoS, чим більше активів ви володієте, тим більше ви заробляєте. Крім того, відповідно до цього алгоритму, зміни в коді протоколу визначаються не угодою майнерів, а голосуванням гаманців. Протокол зважує голоси на основі запасу гаманців. Тому той, хто має найбільше грошей, має найбільший вплив на голосування. Це означає, що невелика група заможних майнерів може контролювати всю мережу, голосуючи за зміни, які їм вигідні. В рамках такої системи велика організація або багата група людей, наприклад, центральний банк, може використовувати гроші для купівлі величезної кількості монет в алгоритмі PoS, утримуючи їх до тих пір, поки їх гаманці не отримають право голосу.
Захопивши владу в системі, власники частки в мережі PoS можуть проголосувати за зняття обмежень на пропозицію. А оскільки у них найбільші запаси монет, вони отримують найбільший прибуток у всій системі - вони контролюють всю грошову масу. Таке голосування, по суті, створило б центральний банк, що дозволяє контролерам використовувати і розподіляти нові випущені монети на власний розсуд. Іншими словами, вони можуть проводити монетарну політику центрального банку. Отже, економічні цикли, політика і корупція увійдуть в систему, перетворивши економіку, засновану на PoS, на повний хаос.
Апатія учасників. У делегованому виборчому праві однією з головних проблем є апатія виборців. Багато людей голосують один раз, забувають змінити свій голос або проголосувати за довірену особу, забувають стежити за результатами. Апатія виборців є ознакою того, що в системі не створено належних стимулів. Коли влада знаходиться в руках користувачів, які мають довгострокові зобов'язання щодо вкладення капіталу в проект, вони мають більше стимулів голосувати, оскільки не можуть продавати місяцями або роками. Згідно з існуючою системою делегованих доказів, більшість користувачів вважають за краще пасивно приймати рішення, прийняті іншими, а потім голосувати за продаж токена. Коли у користувачів з'являється можливість "голосувати без зобов'язань", баланс сил повністю змінюється.
Накопичення активів. POS заохочує накопичення активів, що чудово підходить для спекуляцій, але не для розвитку криптовалют або екс-ліквідності. Оскільки PoS винагороджує людей за кількість монет, які вони мають, було б природно зберігати монети, а не розповсюджувати їх. Це означає, що ліквідність зменшиться, а майнери, які мають найбільше токенів, будуть контролювати процес валідації. Це суперечить всій основі децентралізованих додатків і видаляє найважливішу частину блокчейну - фактор довіри.
Реальність така, що хоча алгоритм Proof of Stake справляється з деякими проблемами, які існують при роботі механізму Proof of Work, він створює кілька абсолютно нових і різних проблем. У світі криптовалют алгоритм Proof of Work є найпоширенішим протоколом. У світі біткоїнів Proof of Work є єдиним протоколом. У світі PoS більшість криптоактивів використовують комбінацію двох алгоритмів. Розуміння причин цього пояснює, чому PoW все ще залишається рушійною силою для блокчейн-спільноти.
Зрештою, деякі з найбільш активно видобутих валют (наприклад, біткоїн) досягнуть ліміту токенів. У цей момент вони будуть змушені перейти на Proof-of-Stake. Оскільки вона значно знижує енергоспоживання і не вимагає таких високих обчислювальних потужностей, поступово всі криптовалюти перейдуть на невидобувну модель.
Merehead займається професійним розвитком Work vs Stake Proof. Якщо у вас є питання, зв'яжіться з нами для отримання безкоштовної консультації.
