Proof of Stake (PoS): объяснение

Валидация транзакций с использованием вычислительной мощности уже не единственный способ достижения консенсуса в блокчейне. Proof of Stake (PoS) стал популярной альтернативой. PoS требует от валидаторов стейкать свои монеты вместо выполнения сложных вычислений. Это существенно снижает энергопотребление, а также улучшает децентрализацию, безопасность и масштабируемость.

Несмотря на эти преимущества, PoS имеет и свои сложности. Доступ к криптовалюте может затруднить участие в стейкинге для некоторых пользователей. Кроме того, блокчейны с небольшой рыночной капитализацией могут быть более уязвимы к атаке 51%, когда один пользователь контролирует более половины застейканных монет сети. Тем не менее PoS остаётся очень гибким механизмом консенсуса, который можно адаптировать под разные блокчейны и сценарии использования.

Основы

Сегодня Proof of Stake широко используется в сетях блокчейнов, но многочисленные вариации могут затруднить понимание его фундаментальных принципов. Хотя PoS эволюционировал, у всех его вариантов есть общие ключевые концепции. Чёткое понимание этих концепций важно для принятия обоснованных решений о том, какие блокчейны использовать и как они работают.

Что такое Proof of Stake

В 2011 году пользователь форума Bitcointalk описал алгоритм консенсуса Proof of Stake как альтернативу Proof of Work. PoS был разработан для устранения ограничений PoW при достижении консенсуса в блокчейне. В отличие от PoW, где пользователи должны предоставлять вычислительное доказательство, участникам PoS нужно лишь доказать, что они застейкали монеты.

Как работает Proof of Stake?

В алгоритмах PoS валидаторы выбираются через псевдослучайный процесс голосования, который учитывает такие факторы, как возраст стейка, состояние узла и элемент случайности. В отличие от систем PoW, в PoS блоки «ковываются» вместо их майнинга, хотя термин «майнинг» иногда всё ещё используют. Чтобы обеспечить возможность немедленного участия, большинство PoS-криптовалют стартуют с запасом предварительно сформированных монет.

Чтобы участвовать в процессе ковки блока, пользователи должны заблокировать определённое количество монет в сети как свой стейк. Размер стейка определяет шансы узла быть выбранным следующим валидатором: чем больше стейк, тем выше шансы. Чтобы предотвратить доминирование самых богатых узлов в процессе отбора, применяются уникальные методы, такие как случайный отбор блоков и отбор по возрасту монет.

Случайный отбор блоков

В системах Proof of Stake узлы выбираются для валидации блоков различными методами, включая случайный отбор блоков. Этот метод выбирает валидаторов по минимальному значению хэша и по величине стейка. Размер стейка является публичной информацией, что позволяет другим узлам предсказывать следующего валидатора.

Отбор по возрасту монет

В методе отбора по возрасту монет узлы выбираются на основе того, как долго их токены находятся в стейке, что вычисляется умножением числа дней стейкинга на количество застейканных монет. После ковки блока возраст монет узла сбрасывается до нуля, и ему приходится ждать определённый период, прежде чем он сможет снова ковaть блок. Этот период ожидания обеспечивает, что узлы с большими стейками не будут доминировать в блокчейне.

Валидация транзакций

Алгоритм Proof of Stake уникален для каждой криптовалюты и разрабатывается как наилучшая комбинация параметров для сети и её пользователей. Когда узел выбран для ковки следующего блока, он проверяет транзакции блока на предмет действительности, подписывает блок и добавляет его в блокчейн. Узел затем получает вознаграждение в виде комиссий за транзакции блока и, в некоторых сетях, дополнительную награду монетами. Если узел решает прекратить ковку, его стейк и накопленные вознаграждения будут освобождены после определённого периода, что позволяет сети проверить, не были ли добавлены мошеннические блоки.

Блокчейны на Proof of Stake

Механизм консенсуса Proof of Stake распространён во многих блокчейнах, появившихся после Ethereum. Каждая сеть модифицирует механизм под свои специфические нужды. Ethereum уже перешёл на Proof of Stake через Ethereum 2.0. Несколько блокчейн-сетей, таких как BNB Smart Chain, Solana, Avalanche и Polkadot, используют свою версию механизма Proof of Stake.

Плюсы Proof of Stake

Proof of Stake часто предпочитают Proof of Work из-за его многочисленных преимуществ. К ним относятся адаптируемость, децентрализация, энергоэффективность, масштабируемость и безопасность.

Адаптируемость

Одно из важнейших преимуществ Proof of Stake — его адаптируемость. Его можно модифицировать для удовлетворения изменяющихся потребностей пользователей и блокчейнов, что делает его универсальным механизмом консенсуса. В результате появилось множество адаптаций PoS, предназначенных для разных сценариев использования блокчейнов.

Децентрализация

Ещё одно преимущество — децентрализация, которую обеспечивает Proof of Stake. Поскольку запуск узла обходится дешевле, больше людей мотивированы это делать. Процесс рандомизации также способствует децентрализации, уменьшая необходимость в пулах стейкинга. Несмотря на существование пулов, у индивидуального участника существенно выше шанс успешно ковaть блок в PoS.

Энергоэффективность

Proof of Stake значительно энергоэффективнее по сравнению с Proof of Work. Стоимость участия основана на экономическом значении застейканных монет, а не на вычислительных затратах решения задач. Это делает механизм менее ресурсоёмким и менее затратным в эксплуатации.

Масштабируемость

Proof of Stake также более масштабируем, поскольку не полагается на физические машины для достижения консенсуса. Добавление дополнительных валидаторов в сеть проще, дешевле и доступнее. Нет необходимости в гигантских майнинговых фермах или большом энергоснабжении.

Безопасность

Proof of Stake обеспечивает высокий уровень безопасности сети. Стейкинг действует как финансовый стимул для валидаторов не обрабатывать мошеннические транзакции. Валидаторы теряют часть своего стейка и право участвовать в будущем, если сеть выявит мошенническую транзакцию. Чтобы контролировать сеть и подтверждать мошеннические транзакции, узлу пришлось бы владеть большинством стейка сети — так называемой атакой 51%. Однако это практически невозможно для криптовалюты с высокой стоимостью, так как приобретение 51% обращающегося объёма было бы дорого.

Минусы Proof of Stake

Несмотря на преимущества перед Proof of Work, Proof of Stake имеет и слабые стороны.

Форки

Одним из недостатков PoS является проблема форков. В то время как майнинг на обеих ветвях форка в сети Proof of Work ведёт к потере энергии, в сети Proof of Stake стоимость такого действия значительно ниже, что делает возможным «ставить» на обе стороны форка.

Доступность

Ещё одна проблема PoS — доступность. Для участия в стейкинге необходимо иметь нативные токены сети. Это может требовать значительных вложений в зависимости от требуемой суммы, так как токены придётся покупать на бирже или иным способом. В Proof of Work можно быстрее начать зарабатывать, купив или арендовав недорогое майнинговое оборудование и присоединившись к пулу.

Риск атаки 51%

Атака 51% представляет угрозу как для PoW, так и для PoS сетей, но её может быть проще осуществить в PoS. Если цена токена падает или у сети низкая рыночная капитализация, относительно недорого можно купить более 50% токенов и получить контроль над сетью.

PoW против PoS

Сравнение двух механизмов консенсуса, Proof of Work и Proof of Stake, показывает фундаментальные различия.

Proof of Work требует майнингового оборудования, тогда как Proof of Stake требует минимального оборудования или вовсе обходится без него. Энергопотребление высоко в PoW и низко в PoS. PoW склоняется к централизации, в то время как PoS больше ориентирован на децентрализацию.

Метод валидации в PoW — это вычислительное доказательство, тогда как PoS опирается на стейкинг монет. Несмотря на эти различия, существует множество вариаций PoS-алгоритмов в разных блокчейнах, и именно конкретный механизм определяет многие отличия.

Гибридные механизмы консенсуса на основе PoS

Механизм Proof of Stake легко настраивается под конкретные потребности блокчейна. Часто встречаются различные адаптации, некоторые из которых перечислены ниже:

Delegated Proof of Stake или DPoS

Пользователи могут участвовать в стейкинге в Delegated Proof of Stake, не становясь валидаторами. Они могут делегировать свои монеты валидатору и разделять награды за блок. Шанс выбора валидатора увеличивается с количеством делегаторов, поставивших стейк за ним. Валидаторы могут регулировать долю, которую они отдают делегаторам в качестве стимула, и их репутация также важна для привлечения делегаторов.

Nominated Proof of Stake или NPoS

Nominated Proof of Stake от Polkadot — это механизм консенсуса, похожий на Delegated Proof of Stake, но с одним ключевым отличием. В NPoS, если номинатор ставит стейк за злонамеренного валидатора, он рискует потерять свой стейк. Номинатор может выбрать до 16 валидаторов для стейкинга за ними. Сеть затем распределит их стейк поровну между выбранными валидаторами. Polkadot использует теории игр и выборов для определения того, кто ковaет новый блок.

Proof of Staked Authority или PoSA

BNB Smart Chain реализует механизм Proof of Staked Authority для достижения консенсуса в сети. Эта модель объединяет Proof of Authority и Proof of Stake, где валидаторы поочерёдно ковaют блоки. 21 активный валидатор, который застейкал или получил делегирование значительного количества BNB, имеет право участвовать в процессе консенсуса. Набор валидаторов выбирается ежедневно и хранится в BNB Chain.

Заключение

Процесс добавления транзакционных блоков в сеть претерпел изменения со времён появления Биткоина. Система Proof of Stake устранила необходимость в вычислительной мощности для установления криптоконсенсуса, предоставив множество преимуществ. История показала успех Proof of Stake, что указывает на то, что сети Proof of Work, включая Биткоин, могут со временем стать редкими. Будущее, по-видимому, за Proof of Stake, который, кажется, занял прочное место на рынке.