Хотя история транзакций Биткойна (BTC) надежно упорядочена с использованием доказательства работы (PoW), он потребляет много электроэнергии, а количество транзакций, которые он может обрабатывать одновременно, ограничено. В результате появились новые механизмы консенсуса, ориентированные на менее энергоемкий метод, при этом модель Proof-of-Stake (PoS) является одной из самых известных. Эти механизмы консенсуса позволяют компьютерным сетям сотрудничать, оставаясь при этом безопасными.
Для эффективного функционирования блокчейн-сетей необходимо решить несколько проблем. Например, без центрального органа, такого как банки или FinTechs (например, PayPal) в середине, децентрализованные сети криптовалюты должны гарантировать, что ни одна сторона в сети не тратит одни и те же деньги несколько раз. Кроме того, механизм консенсуса предотвращает сбой сети из-за хард-форка.
Однако в централизованной организации, такой как банк, такие действия контролируются советом лиц, принимающих решения, или регулирующими органами. В то время как криптовалюта основана на сообществе, поэтому цепочка блоков должна достичь консенсуса для проверки транзакций и блоков.
Proof-of-work и Proof-of-Stake - два основных механизма консенсуса, которые в настоящее время используются проектами децентрализованного финансирования (DeFi) для криптографического достижения консенсуса по криптовалютным сетям. Когда Сатоши Накамото создавал Биткойн (первую криптовалюту), им нужно было найти средства для проверки транзакций без участия третьей стороны. Для этого они использовали механизм консенсуса, называемый доказательством работы, чтобы позволить сетям согласовывать, какие транзакции действительны.
Напротив, Proof-of-Stake (PoS) - это современный метод консенсуса, который поддерживает новые проекты DeFi и криптовалюты. Некоторые проекты сразу начинаются с PoS или переходят на PoS с PoW. Однако создание сети консенсуса PoS прямо сейчас является серьезной технологической проблемой, и это не так просто, как использование PoW для достижения консенсуса в сети.
Proof-of-work впервые был предложен в 1993 году для борьбы со спамом в сети и атаками типа «отказ в обслуживании». Затем Сатоши Накамото популяризировал концепцию PoW для проверки новых блоков в сети Биткойн в 2008 году.
PoW основан на способности пользователей сети доказать, что вычислительная задача выполнена. Чтобы ответить на математическое уравнение, используется некоторая вычислительная мощность, известная как узел, и после решения уравнения проверяется новый блок в цепочке. Узел - это любое физическое устройство, такое как персональный компьютер, которое может получать, отправлять или пересылать данные в сети других инструментов.
Решатель, который быстрее всех решает математическую задачу, создаст криптографическую связь между текущим и предыдущим блоками и заработает недавно отчеканенную криптовалюту. Этот процесс известен как майнинг, а решатели - майнерами. Именно благодаря их совместным усилиям блокчейн остается безопасным для всех вовлеченных сторон. Более того, вычислительная задача решения этой головоломки называется доказательством работы.
Блокчейн - это система, состоящая из серии блоков, упорядоченных в хронологическом порядке на основе порядка транзакций, называемого упорядочением цепочки блоков. Блок генезиса или нулевой блок - это первый блок в цепочке блоков PoW, который жестко запрограммирован в программном обеспечении. Этот блок по определению не относится к предыдущему блоку. Последующие блоки, загруженные в цепочку блоков, всегда ссылаются на предыдущие блоки и содержат полную и обновленную копию книги.
В ходе соревновательной гонки, в которой некоторым участникам или майнерам предлагается тратить вычислительные ресурсы на отправку законных блоков, которые соответствуют правилам сети, алгоритмы PoW выбирают, кто может внести в реестр новые записи. Реестр отслеживает все транзакции и организует их в последовательные блоки, чтобы ни один пользователь не мог потратить свои средства дважды. Чтобы избежать подделки, реестр распространяется, что позволяет другим пользователям быстро отклонять измененную версию.
На практике пользователи идентифицируют подделку с помощью хэшей, которые представляют собой длинные строки чисел, которые служат доказательством работы. Хеш-функция является односторонней, что означает, что ее можно использовать только для проверки того, что данные, которые сгенерировали хеш-код, соответствуют исходным данным.
После этого узлы проверяют транзакции, предотвращают двойное расходование и решают, следует ли добавлять предложенные блоки в цепочку. Акт двойного совершения платежей с использованием одной и той же валюты с целью обмана получателя этих средств известен как двойное расходование средств. Двойное расходование нанесет ущерб сети и устранит одну из ее самых ценных характеристик:неизменность, децентрализацию и отсутствие доверия.
Доказательство работы делает двойное расходование невероятно трудным, потому что изменение любой части блокчейна повлечет повторный майнинг всех последующих блоков. Поскольку оборудование и мощность, необходимые для выполнения хеш-функций, дороги, пользователи не могут монополизировать вычислительную мощность сети.
Кроме того, для достижения консенсуса и обеспечения законности транзакций, записанных в цепочке блоков, протокол PoW сочетает вычислительную мощность с криптографией.
Майнеры соревнуются, чтобы найти правильный ответ на математические задачи в процессе хеширования для создания новых блоков. Майнеры достигают этого, угадывая хэш, который представляет собой строку псевдослучайных чисел. Криптографический хеш (например, SHA-256) - это тип подписи текста или файла данных. Для текста SHA-256 обеспечивает почти уникальную 256-битную (32-байтовую) подпись.
При объединении с данными в блоке и обработке с помощью хэш-функции, хеш-код должен генерировать результат, который соответствует заявленным требованиям протокола.
Майнеры, выигравшие хэш, затем транслируют его в сеть, позволяя другим майнерам проверить правильность ответа. Если ответ точный, блок добавляется в цепочку блоков, и майнер получает вознаграждение за блок. Например, текущее вознаграждение за майнинг биткойнов составляет 6,25 биткойна.
В PoW майнеры должны платить большие деньги за электричество для решения сложных математических задач и обработки блока в сети. Электроэнергия используется для питания машин, которые генерируют цифровые активы в процессе проверки транзакций, который называется майнингом. Более того, расходы на энергию имеют решающее значение для безопасности сети, поскольку позволяют вести точный учет транзакций и придерживаться определенной надежной денежно-кредитной политики.
Кроме того, сеть защищена, поскольку для мошенничества в цепочке потребуется, чтобы злоумышленник взял на себя 51% вычислительной мощности сети. Если блокчейн разветвляется в системе доказательства работы, майнеры должны выбрать, переходить ли к более новой сети разветвленного блокчейна или продолжать поддерживать исходный блокчейн.
Майнеру придется разделить свои вычислительные ресурсы между двумя сторонами вилки, чтобы поддерживать оба блокчейна. В результате, благодаря экономическому стимулу, системы доказательства работы естественным образом предотвращают постоянное форкование и побуждают майнеров выбирать сторону, которая не желает нанести вред сети. С другой стороны, если вы уязвимы для атаки 51% или если вы не являетесь самым значимым держателем монеты для любого взаимозаменяемого алгоритма хеширования, люди, использующие более крупную монету, могут повернуть свое оборудование против вас и вывести вас из строя, а вы больше не может получать поощрение.
Эти характеристики соответствуют теории игр, согласно которой майнеры должны действовать стратегически, чтобы оптимизировать возврат своих инвестиций. Люди, подобно состояниям ограниченной рациональности, всегда будут выбирать самое простое решение. Переход на новую сеть усложняет задачу. Таким образом, теория игр помогает олигополиям избегать внутренней коррупции и принимать логичные решения.
Несмотря на вышеуказанные преимущества, PoW может быть довольно дорогостоящим и неэффективным с точки зрения использования ресурсов. Майнерам приходится справляться с самыми разными расходами, в том числе с новейшим оборудованием, которое быстро изнашивается. Майнинг, как правило, выделяет много тепла и может потреблять непомерную электроэнергию, в зависимости от местоположения майнера. Кроме того, комиссия за транзакции в системе резко возрастает, когда сеть становится перегруженной.
В 2011 году на форуме Bitcointalk был предложен новый подход для устранения неэффективности механизма консенсуса PoW и снижения количества вычислительных ресурсов, необходимых для работы сети блокчейн. Вместо выполнения ощутимой работы эта концепция основана на существовании поддающейся проверке доли в экосистеме.
Другими словами, для проверки транзакций в криптосети пользователю нужно только показать, что он владеет определенным количеством токенов криптовалюты, которые присущи блокчейну. Этот тип механизма консенсуса, используемый сетями блокчейнов для достижения распределенного консенсуса, называется механизмом консенсуса доказательства доли владения.
Например, майнер A ставит 30 монет, майнер B ставит 50 монет, майнер C ставит 75 монет, а майнер D ставит 15 монет. В этом случае майнеру C будет отдан приоритет на запись и проверку следующего блока. В отличие от вознаграждения за блок в Proof-of-Work, Miner C будет взимать комиссию за транзакцию, то есть комиссию сети.
Генезис-блок - это начальный блок в цепочке блоков PoS, который также жестко запрограммирован в программе. Последующие блоки, загруженные в цепочку блоков, всегда ссылаются на предыдущие блоки и содержат полную и обновленную копию книги.
В сети PoS майнеры не соревнуются за право добавлять блоки. Блоки часто называют не добытыми, а «отчеканенными» или «выкованными».
Блокчейны PoS, в отличие от блокчейнов PoW, не ограничивают круг лиц, которые могут предлагать блоки на основе использования энергии. Несмотря на высокие энергетические потребности блокчейнов PoW, новые механизмы консенсуса, такие как Proof-of-Stake, устраняют необходимость в майнинге.
Система Proof-of-Stake имеет несколько преимуществ по сравнению со схемой Proof-of-Work, в том числе более высокую энергоэффективность, поскольку блоки для майнинга не потребляют много энергии. Кроме того, вам не нужны новейшие технологии для создания новых блоков. Доказательство ставки приводит к тому, что в сети больше узлов.
Больше узлов в сети помогает разработать нормы управления, обеспечивающие более сильный иммунитет к централизации. В системах PoS это стало возможным благодаря более высокой степени независимости от оборудования. В результате доказательство ставки часто рассматривается как согласованный алгоритм, который с наименьшей вероятностью приведет к централизации сети.
Пользователи, которые хотят, чтобы их включили в процесс добавления блоков в цепочку блоков PoS, должны поставить или заблокировать определенное количество криптовалюты сети в уникальном контракте. Их шансы быть выбранными в качестве следующего производителя блоков зависят от количества криптоактивов, которые они поставили. Если пользователи действуют злонамеренно, они могут потерять свою долю в результате своих действий.
PoS может включать в себя другие определяющие элементы, которые не всегда приносят пользу самым богатым узлам, включая продолжительность времени, в течение которого узел ставит свои деньги, а также чистую рандомизацию. Вознаграждение за блок в PoS относится к сетевой комиссии, предоставляемой блокчейном лицу, отправившему действительный блок, аналогично механизму PoW.
В PoS выбор блока основан на владении монетой; Таким образом, биржи предлагают услуги по размещению ставок, которые позволяют пользователям делать ставки в криптовалюте от своего имени в обмен на более стабильные вознаграждения. Несколько заинтересованных сторон могут присоединиться к пулу ставок, чтобы объединить свои вычислительные ресурсы и максимизировать свои шансы на получение вознаграждения. Другими словами, они объединяют свои возможности по ставкам во время проверки и подтверждения новых блоков, чтобы максимизировать свои шансы на получение вознаграждения за блок.
Проблема большого количества потерь энергоресурсов решена в PoS. Кроме того, системы на основе PoS гораздо более масштабируемы, чем системы на основе PoW, и транзакции утверждаются намного быстрее. Масштабируемость означает, что система достигает более высоких транзакций в секунду (TPS), чем определенные текущие системы, путем изменения параметров системы или изменения ее механизма консенсуса.
Сеть PoS обеспечивает масштабируемость за счет достижения консенсуса перед построением блоков, что позволяет обрабатывать тысячи запросов в секунду с всплеском задержки менее миллисекунды.
Proof-of-Stake, с другой стороны, имеет свой набор трудностей. Например, в сети по-прежнему доминируют наиболее значимые держатели токенов. Это дает больше возможностей для первых пользователей и людей, у которых больше всего денег.
Поскольку эта концепция все еще относительно нова, у нее могут быть недостатки, которые еще не очевидны для криптосообщества. Эта парадигма, в отличие от Proof-of-Work, не имеет опыта работы. Кроме того, системы Proof-of-Take автоматически не препятствуют разветвлению. Валидатор получит дубликат своей доли на вновь созданном блокчейне, когда блокчейн разделится
Дилемма «ничего не поставлено на карту» возникает, когда валидатор подписывается на обеих сторонах вилки, что позволяет им потенциально дважды потратить свои монеты и получить вдвое больше комиссии за транзакцию в качестве возврата.
Из предыдущих объяснений очевидно, что оба механизма консенсуса имеют свои преимущества и недостатки. Все они преследуют ту же цель, что и перечисленные выше, но используют разные методы для ее достижения.
Важнейшее различие между различными механизмами консенсуса заключается в том, как они делегируют и вознаграждают проверку транзакций. Другие различия описаны в таблице ниже.
Механизм консенсуса имеет решающее значение для распределенного проектирования сети блокчейнов, поскольку он снижает централизацию субъектов, отвечающих за проверку транзакций. Чтобы сохранить неизменные, не требующие доверия и распределенные характеристики сети блокчейн, требуется полностью функционирующий механизм консенсуса.
Тип требуемого консенсуса зависит от потребностей сети. Например, доказательство работы требуется для предотвращения мошенничества, обеспечения безопасности и укрепления доверия в сети. Майнеры (или независимые обработчики данных) не могут быть введены в заблуждение относительно транзакции из-за защиты, обеспечиваемой PoW. Proof-of-work - это метод защиты истории транзакций криптоактивов, одновременно повышающий сложность изменения данных с течением времени.
Требование к участвующему узлу продемонстрировать, что работа завершена и отправлена, дает ему право добавлять новые транзакции в цепочку блоков, защищая любую злонамеренную активность.
Если в сети много копий блокчейна, PoW помогает определить наиболее легитимную копию. Наконец, проверка работоспособности необходима для создания распределенных часов, которые позволяют майнерам свободно входить и выходить из сети, сохраняя при этом постоянную скорость работы.
Аналогичным образом, производительность и безопасность сети являются важными последствиями использования механизма на основе PoS. PoS используется, когда требуется высокая скорость транзакции для транзакций в сети в секунду и фактического расчета по сети. Более того, валидаторы, вероятно, будут владеть значительными объемами сетевого токена, что финансово стимулирует их поддерживать безопасность цепочки.
Однако есть некоторые сомнения относительно устойчивости PoS и защиты PoW от угроз. Поэтому для безопасной проверки транзакций создается механизм проверки, называемый proof-of-space, или (проект Chia). Chia использует механизм консенсуса с доказательством наличия места и доказательством времени для решения некоторых проблем централизации, которые мешают блокчейнам PoW и PoS.