Доказ ставки vs. доказ роботи: Пояснення переваг, недоліків та відмінностей

Хоча історія транзакцій біткоїна (BTC) надійно впорядкована за допомогою методу підтвердження роботи (PoW), він споживає багато електроенергії, а кількість транзакцій, які він може обробити одночасно, обмежена. В результаті з’явилися нові механізми консенсусу, орієнтовані на менш енергоємний метод, серед яких модель доказу частки (PoS) є однією з найвідоміших. Ці механізми консенсусу дозволяють комп’ютерним мережам співпрацювати, залишаючись при цьому безпечними.

Для того, щоб ефективно функціонувати, блокчейн-мережам необхідно вирішити кілька проблем. Наприклад, без центрального органу, такого як банки або фінтех-компанії (наприклад, PayPal), децентралізовані криптовалютні мережі повинні гарантувати, що жодна сторона в мережі не витрачає одні й ті ж гроші кілька разів. Крім того, механізм консенсусу запобігає виведенню мережі з ладу через хардфорк.

Однак у централізованих організаціях, таких як банк, таку діяльність контролює рада директорів або регуляторні органи. В той час як криптовалюта заснована на спільноті, блокчейн повинен досягти консенсусу для перевірки транзакцій і блоків.

Доказ роботи і доказ частки — це два основні механізми консенсусу, які зараз використовуються в проектах децентралізованого фінансування (DeFi) для криптографічного отримання консенсусу в криптовалютних мережах. Коли Сатоші Накамото створював біткойн (першу криптовалюту), йому потрібно було знайти спосіб перевірки транзакцій без залучення третьої сторони. Для цього вони застосували механізм консенсусу, який називається "підтвердженням роботи", щоб дозволити мережам домовитися про те, які транзакції є дійсними.

Натомість, proof-of-stake (PoS) — це сучасний метод консенсусу, який лежить в основі нових DeFi-проектів і криптовалют. Деякі проекти починають з PoS відразу або переходять на нього з PoW. Однак, створення мережі консенсусу PoS відразу є значною технологічною проблемою, і це не так просто, як використання PoW для досягнення мережевого консенсусу.

Що таке proof-of-work?

Вперше концепція підтвердження роботи була запропонована в 1993 році для боротьби зі спамом в мережі та атаками на відмову в обслуговуванні. Потім концепція PoW була популяризована Сатоші Накамото для перевірки нових блоків в мережі Біткоїн у 2008 році.

PoW базується на здатності користувачів мережі довести, що обчислювальне завдання виконано. Щоб відповісти на математичне рівняння, використовується певна обчислювальна потужність, відома як вузол, і як тільки рівняння розв’язано, новий блок у ланцюжку підтверджується. Вузол — це будь-який фізичний пристрій, наприклад, персональний комп’ютер, який може отримувати, надсилати або пересилати дані в мережі інших інструментів.

Розв’язувач, який найшвидше відповідає на математичну головоломку, створює криптографічний зв’язок між поточним і попереднім блоками і заробляє свіжовикарбувані криптомонети. Цей процес називається майнінгом, а розв’язувачі — майнерами. Саме завдяки їхнім спільним зусиллям блокчейн залишається безпечним для всіх учасників. А сама обчислювальна задача розв’язання цієї головоломки називається підтвердженням роботи (proof-of-work).

Як працює PoW?

Блокчейн — це система, яка складається з серії блоків, розташованих у хронологічному порядку на основі порядку транзакцій, який називається порядком блокування. Генезисний блок, або нульовий блок, є першим блоком у блокчейні PoW, який жорстко закодований у програмному забезпеченні. Цей блок, за визначенням, не посилається на попередній блок. Наступні блоки, що завантажуються в блокчейн, завжди посилаються на попередні блоки і містять повну та оновлену копію реєстру.

За допомогою конкурентної гонки, в якій деякі учасники або майнери заохочуються витрачати обчислювальні ресурси на подання легітимних блоків, що відповідають правилам мережі, алгоритми PoW обирають, хто отримає право вносити нові записи до реєстру. Реєстр відстежує всі транзакції та організовує їх у послідовні блоки, щоб жоден користувач не зміг витратити свої кошти двічі. Щоб уникнути фальсифікацій, реєстр розподілений, що дозволяє іншим користувачам швидко відхилити змінену версію.

На практиці користувачі виявляють фальсифікацію за допомогою хешів — довгих ланцюжків чисел, які слугують доказом роботи. Хеш-функція — це одностороння функція, тобто її можна використовувати лише для перевірки того, що дані, які згенерували хеш, збігаються з оригінальними даними.

Після цього вузли перевіряють транзакції, запобігають подвійним витратам і вирішують, чи варто додавати запропоновані блоки в ланцюжок. Двічі здійснювати платежі в одній і тій же валюті з метою обману одержувача коштів називається подвійною витратою. Подвійні витрати можуть спричинити хаос у мережі та усунути одну з її найцінніших характеристик: незмінність, децентралізованість та безвідповідальність.

Підтвердження роботи робить подвійні витрати неймовірно складними, оскільки зміна будь-якої частини блокчейну передбачає повторний майнінг усіх наступних блоків. Оскільки обладнання та потужності, необхідні для виконання хеш-функцій, є дорогими, це унеможливлює монополізацію користувачами обчислювальних потужностей мережі.

Крім того, для досягнення консенсусу і забезпечення легітимності транзакцій, записаних в блокчейні, протокол PoW поєднує обчислювальну потужність з криптографією.

Майнери змагаються, щоб знайти правильну відповідь на математичні задачі під час процесу хешування для створення нових блоків. Майнери досягають цього, вгадуючи хеш, який є рядком псевдовипадкових чисел. Криптографічний хеш (наприклад, SHA-256) — це тип підпису тексту або файлу даних. Для тексту SHA-256 забезпечує майже унікальний 256-бітний (32-байтовий) підпис.

У поєднанні з даними в блоці та обробці за допомогою хеш-функції, хеш повинен генерувати результат, який відповідає заявленим вимогам протоколу.

Майнер, який виграв хеш, потім транслює його в мережу, дозволяючи іншим майнерам перевірити правильність відповіді. Якщо відповідь правильна, блок додається до блокчейну, а майнер отримує винагороду за блок. Наприклад, поточна винагорода за блок при видобутку біткоїна становить 6,25 біткоїна.

Плюси і мінуси PoW

Плюси PoW

У PoW майнери повинні платити багато грошей за електроенергію, щоб вирішувати складні математичні головоломки і обробляти блок в мережі. Електроенергія використовується для живлення машин, які генерують цифрові активи в процесі перевірки транзакцій, що називається майнінгом. Крім того, витрати на електроенергію є критично важливими для безпеки мережі, оскільки дозволяють їй вести точний облік транзакцій і дотримуватися визначеної монетарної політики, що заслуговує на довіру.

Крім того, мережа залишається безпечною, оскільки для того, щоб обдурити ланцюжок, зловмиснику потрібно захопити 51% обчислювальних потужностей мережі. Якщо блокчейн розгалужується в системі підтвердження роботи, майнери повинні вибрати, чи переходити на нову мережу з розгалуженням, чи продовжувати підтримувати оригінальний блокчейн.

Майнер повинен був би розділити свої обчислювальні ресурси між двома сторонами розгалуження, щоб підтримувати обидва блокчейни. В результаті, завдяки економічному стимулу, системи підтвердження роботи природним чином запобігають постійним розгалуженням і спонукають майнерів обирати сторону, яка не бажає завдати шкоди мережі.

Ці характеристики піддаються теорії ігор, в якій майнери повинні діяти стратегічно, щоб оптимізувати свої інвестиційні прибутки. Люди, як і обмежені стани раціональності, завжди обиратимуть найпростіше рішення. Перехід до нового ланцюжка ускладнює ситуацію. Тому теорія ігор допомагає олігополіям уникати внутрішньої корупції та приймати логічні рішення.

Мінуси PoW

• Пояснюємо полігональний блокчейн: Посібник для початківців з MATIC

  Polygon — це стек протоколів, розроблений для вирішення проблем масштабування Ethereum. Мережа Polygon вирішує проблеми мережі, обробляючи транзакції на…

• Як блокчейн вирішує проблему візантійських полководців?

  Надійна комп’ютерна система повинна бути здатна функціонувати, навіть якщо один або кілька її компонентів вийдуть з ладу. Компонент, що вийшов з ладу,…

• Як NFT впливають на навколишнє середовище?

  Зростаюче усвідомлення глобальної екологічної шкоди та зміни клімату, спричиненої технологічним прогресом, змусило експертів галузі та митців поставити…

• Як майнери біткоїнів можуть вижити на ворожому ринку — і в умовах падіння вдвічі у 2024 році

  Майнінг біткоїнів стає дедалі складнішим, а це означає, що майнери будуть змушені витрачати більше, щоб отримати менше винагороди. Але все ще існують…

Незважаючи на перераховані вище переваги, PoW може бути досить дорогим і неефективним з точки зору використання ресурсів. Майнери повинні справлятися з різноманітними витратами, в тому числі на новітнє обладнання, яке швидко зношується. Видобуток корисних копалин, як правило, виробляє багато тепла і може призвести до надмірного споживання електроенергії, залежно від місця розташування майнера. Крім того, комісія за транзакції зростає, коли мережа перевантажена.

Крім того, якщо ви вразливі до атаки 51% або якщо ви не є власником найбільшої кількості монет для будь-якого взаємозамінного алгоритму хешування, власники більшої кількості монет можуть використати своє обладнання проти вас і вивести вас з гри, і ви більше не зможете заробити заохочення.

Що таке proof-of-stake?

У 2011 році на форумі Bitcointalk було запропоновано новий підхід, покликаний вирішити проблему неефективності механізму консенсусу PoW і зменшити кількість обчислювальних ресурсів, необхідних для роботи мережі блокчейн. Замість виконання реальної роботи, ця концепція базується на існуванні частки в екосистемі, яку можна перевірити.

Іншими словами, щоб підтвердити транзакції в криптовалютній мережі, користувачеві потрібно лише показати, що він володіє певною кількістю криптовалютних токенів, які є "рідними" для блокчейну. Цей тип механізму консенсусу, який використовується в мережах блокчейн для досягнення розподіленого консенсусу, називається механізмом консенсусу з доказом частки (proof-of-stake).

Наприклад, майнер A ставить 30 монет, майнер B — 50 монет, майнер C — 75 монет, а майнер D — 15 монет. У цьому випадку майнер C отримає пріоритет на запис і перевірку наступного блоку. На відміну від винагороди за блок при підтвердженні роботи, майнер C буде збирати комісію за транзакцію, тобто мережеву комісію.

Як працює PoS?

Генезисний блок — це початковий блок в блокчейні PoS, який також жорстко закодований в програмі. Наступні блоки, що завантажуються в блокчейн, завжди посилаються на попередні блоки і містять повну та оновлену копію реєстру.

У мережі PoS майнери не змагаються за право додавати блоки. Замість того, щоб бути видобутими, блоки часто називають "викарбуваними" або "підробленими".

Блокчейни PoS, на відміну від блокчейнів PoW, не обмежують, хто може пропонувати блоки на основі використання енергії. Незважаючи на високі енергетичні вимоги PoW-блоків, нові механізми консенсусу, такі як proof-of-stake, усувають необхідність майнінгу.

Система proof-of-stake має кілька переваг над схемою proof-of-work, в тому числі більшу енергоефективність, оскільки майнінг блоків не використовує багато енергії. Крім того, для створення нових блоків не потрібні надсучасні технології. Доказ частки призводить до того, що мережа має більше вузлів.

Більша кількість вузлів у мережі допомагає розробити норми управління, які забезпечують сильніший імунітет до централізації. У системах PoS це стає можливим завдяки більш високому ступеню апаратної незалежності. В результаті, підтвердження частки часто розглядається як алгоритм консенсусу, який найменш схильний до централізації мережі.

Користувачі, які хочуть бути включеними в процес додавання блоків до блокчейну PoS, повинні внести певну суму криптовалюти мережі в унікальному контракті, або заблокувати її. Їхні шанси бути обраними наступним виробником блоків визначаються кількістю криптоактивів, які вони зарезервували. Якщо користувачі діють зловмисно, вони можуть втратити свою частку в результаті своїх дій.

PoS може включати інші визначальні елементи, які не завжди вигідні найбагатшим вузлам, включаючи тривалість часу, протягом якого вузол вклав свої гроші, а також чисту рандомізацію. Винагорода за блок в PoS — це мережева винагорода, яку блокчейн виплачує особі, яка подає дійсний блок, подібно до механізму PoW.

У PoS вибір блоків ґрунтується на володінні монетами, тому біржі пропонують послуги стейкінгу, які дозволяють користувачам вкладати криптовалюту від свого імені в обмін на більш стабільну винагороду. Кілька зацікавлених сторін можуть приєднатися до стейкінг-пулу, щоб об’єднати свої обчислювальні ресурси і максимізувати свої шанси на отримання винагороди. Іншими словами, вони об’єднують свої стейкінгові потужності під час перевірки і валідації нових блоків, щоб максимізувати свої шанси на отримання винагороди за блок.

Плюси і мінуси PoS

Плюси PoS

PoS вирішує проблему великих втрат енергоресурсів. Крім того, системи на основі PoS набагато більш масштабовані, ніж системи на основі PoW, і транзакції затверджуються набагато швидше. Масштабованість означає, що система досягає більшої кількості транзакцій в секунду (TPS), ніж конкретні поточні системи, шляхом зміни параметрів системи або зміни її механізму консенсусу.

Мережа PoS досягає масштабованості шляхом встановлення консенсусу перед створенням блоків, що дозволяє обробляти тисячі запитів в секунду з менш ніж мілісекундним сплеском затримки.

Мінуси PoS

З іншого боку, Proof-of-stake має свій власний набір труднощів. Наприклад, мережа все ще піддається домінуванню найбільш значущих власників токенів. Це дає більше влади раннім послідовникам і людям з найбільшими грошима.

Оскільки концепція все ще відносно нова, вона може мати недоліки, які ще не є очевидними для криптоспільноти. Ця парадигма, на відміну від доказу роботи, не має послужного списку продуктивності. Крім того, форкінг автоматично не забороняється системами з підтвердженням виконання. Валідатор отримає дублікат свого стейка в новому розгалуженому блокчейні, коли блокчейн розділиться

Дилема "нічого не поставлено на карту" виникає, коли валідатор підписується по обидва боки розгалуження, що дозволяє йому потенційно подвійно витратити свої монети і отримати подвійну кількість комісій за транзакції в якості винагороди.

Доказ роботи проти доказу частки

З попередніх пояснень очевидно, що обидва механізми консенсусу мають переваги і недоліки. Всі вони мають ту ж саму основну мету, що і перераховані вище, але використовують різні методи для її досягнення.

Основна відмінність між різними механізмами консенсусу полягає в тому, як вони делегують і винагороджують перевірку транзакцій. Інші відмінності пояснюються в таблиці нижче.

Коли слід використовувати PoW або PoS?

Механізм консенсусу має вирішальне значення для розподіленої структури мережі блокчейн, оскільки він зменшує централізацію суб’єктів, відповідальних за перевірку транзакцій. Для збереження незмінних, надійних і розподілених характеристик мережі блокчейн потрібен повноцінно функціонуючий механізм консенсусу.

Тип необхідного консенсусу залежить від потреб мережі. Наприклад, для запобігання шахрайству, безпеки та побудови довіри в мережі потрібен доказ виконання роботи. Майнери (або незалежні обробники даних) не можуть бути введені в оману щодо транзакції завдяки захисту, який забезпечує PoW. Підтвердження роботи — це метод захисту історії транзакцій криптоактиву, який одночасно ускладнює зміну даних у часі.

Вимога до вузла-учасника продемонструвати, що робота завершена і відправлена, дає йому право додавати нові транзакції в блокчейн, захищаючи будь-яку зловмисну діяльність.

Якщо в мережі існує багато копій блокчейну, PoW допомагає визначити найбільш легітимну копію. Нарешті, підтвердження роботи має важливе значення для побудови розподіленого годинника, який дозволяє майнерам вільно входити і виходити з мережі, підтримуючи при цьому стабільну швидкість роботи.

Аналогічно, продуктивність і безпека мережі є важливими наслідками використання механізму на основі PoS. PoS використовується, коли необхідна висока швидкість транзакцій в секунду для внутрішньоланцюгових транзакцій і фактичних розрахунків за мережевими переказами. Крім того, валідатори, ймовірно, володіють значною кількістю мережевих токенів, що фінансово стимулює їх підтримувати безпеку ланцюжка.

Однак існують певні сумніви щодо надійності захисту PoS і PoW від загроз. Тому для безпечного підтвердження транзакцій був створений механізм валідації, який отримав назву proof-of-space, або (проект Chia). Chia використовує механізм консенсусу доказу місця і доказу часу, щоб вирішити деякі проблеми централізації, з якими стикаються блокчейни PoW і PoS.