Введение

Proof-of-Stake (PoS) - это криптовалютный механизм консенсуса для обработки транзакций и создания новых блоков в блокчейне. Участники делают ставки токенами, чтобы стать узлами. Узел имеет возможность стать валидатором, который проверяет транзакции и получает вознаграждение в зависимости от количества поставленных на кон токенов.
Все транзакции в блокчейне записываются в базу данных, известную как Распределенная книга (DLT), которая записывается и реплицируется несколькими узлами. Чтобы гарантировать, что все данные в бухгалтерской книге верны, необходим механизм консенсуса для предотвращения злонамеренной фальсификации данных.
Proof-of-stake предпочитают многие блокчейн-проекты в последние годы, он устраняет необходимость в аппаратном обеспечении и потреблении энергии, которые существуют в proof-of-work (PoW), одновременно обеспечивая безопасность блокчейна, обязывая валидаторов ставить на кон определенное количество токенов.

Что такое механизм консенсуса?

Механизм консенсуса - это метод достижения всеми участниками распределенной системы консенсуса по поводу одного источника информации. Централизованная система не требует механизма консенсуса, поскольку вопрос о том, являются ли данные достоверными или нет, решается исключительно ответственным лицом. Например, в централизованной базе данных только администратор имеет право добавлять, удалять и изменять данные, а пользователи, которые запрашивают базу данных, пассивно получают информацию от администратора.
Распределенная система полагается на сотрудничество большого количества автономных субъектов (узлов) для поддержания сети, а подлинность информации проверяется совместно всеми. В отличие от этого, любой узел может создавать новые записи блоков и проверять транзакции в сети блокчейн. Однако информация от разных узлов может быть противоречивой из-за сбоев устройств, задержки в сети, атак и так далее. Поэтому для обеспечения согласованности записей данных необходим механизм консенсуса.
В развитии блокчейна самым ранним принятым механизмом консенсуса является Proof-of-Work (PoW), где достоверность данных подтверждается наибольшей вычислительной мощностью процессора. В связи с энергозатратами, в качестве альтернативы была создана система Proof-of-Stake (PoS). При PoS достоверность данных подтверждается валидаторами, которые ставят на кон наибольшее количество токенов, что позволяет различным узлам сети достичь консенсуса.

Что такое PoS?

Идея proof-of-stake была впервые выдвинута в 2011 году на Bitcointalk участником под ником QuantumMechanic, и позже была концептуально разработана с помощью других участников, включая Скотта Надаля и Санни Кинга.
В блокчейне PoW транзакции проверяются узлами (также называемыми «майнерами»), которые обеспечивают вычислительную мощность для решения сложных математических задач, чтобы проверить транзакцию и получить вознаграждение за новые блоки. В сети PoS узлы сети (также называемые "валидаторами") предоставляют криптовалютные депозиты в качестве залога, и чем больше у узла залога, тем выше шанс получить права на учет и вознаграждение за блок.
Чтобы валидаторы с наибольшим количеством залогов не становились фиксированным узлом для создания новых блоков, для выбора валидаторов также учитываются другие параметры, такие как количество ставок токенов, возраст монет и случайный выбор блока. Возраст монет относится к тому, сколько времени прошло с момента размещения токенов (когда валидатор в последний раз создавал блок). Валидаторы со старшим возрастом монет с большей вероятностью будут выбраны для создания новых блоков. Параметр "возраст монеты" позволяет узлам с более низким залоговым капиталом создавать новые блоки и получать вознаграждение.
В целом, Proof-of-Stake (PoS) работает следующим образом:

1. Транзакции, которые еще предстоит проверить, будут обрабатываться узлами. Эти отложенные транзакции всегда хранятся в пуле, ожидая обработки валидаторами, сделавшими ставки на криптовалюты.
2. Алгоритм выбирает валидатор для создания нового блока на основе определенных параметров, таких как количество поставленных токенов, возраст монеты, случайный выбор блока и т.д.
3. После того, как выбранный валидатор проверит эти ожидающие транзакции, создается новый блок, и эти транзакции могут быть упакованы.
4. Другие невыбранные узлы подтверждают, что новый блок действителен.
5. Как только транзакции в новом блоке будут проверены другими узлами, новый блок будет добавлен в сеть блокчейн. И наоборот, новый блок не будет добавлен, если он содержит недействительную транзакцию.
6. Когда добавляется новый блок, валидатор может получить поставленные токены и получить вознаграждение за блок. Если алгоритм выбора валидатора учитывает возраст монет, то возраст монет этого валидатора будет сброшен на 0. Если новый блок отказался быть добавленным, жетоны, поставленные валидатором, могут быть срезаны в качестве штрафа.
   
   Источник: coinsentinel.io

Плюсы PoS

Многие считают, что PoS является лучшим механизмом консенсуса, чем PoW, по следующим причинам:

1. Нет необходимости в дорогостоящем оборудовании
   Широкой публике легче участвовать в блокчейн PoS, чем в блокчейн PoW, поскольку в качестве узлов PoS могут использоваться даже обычные ПК, в то время как для PoW необходимы специализированные компьютеры с высокой вычислительной мощностью.

2. Энергоэффективность
   Блокчейн Proof-of-stake не требует большого количества энергии. В сети с доказательством работы майнеры должны соревноваться друг с другом, чтобы первыми открыть новые блоки, много энергии требуется во время соревнования, вызванного хэшированием.

3. Высокая масштабируемость
   Стоимость оборудования и энергии является основным ограничением для блокчейн PoW, когда речь идет о масштабируемости, а стоимость дополнительного оборудования и потребление энергии будут расти экспоненциально по мере масштабирования сети. Блокчейн с доказательством доли эффективно устраняет эту проблему.

4. Дружественный для людей, не разбирающихся в технике
   Mining требует значительных знаний. Поэтому proof-of-work предназначен больше для учреждений и профессионалов. Однако даже обычные персональные устройства могут функционировать как узлы PoS.

5. Более децентрализованная
   Proof-of-stake гарантирует, что все узлы, независимо от количества их колов, могут эффективно участвовать в сети блокчейн с помощью алгоритмов. Однако при PoW большая часть генерации блоков, проверки транзакций и распределения вознаграждений монополизирована майнинговыми пулами, и более мелкие узлы едва могут конкурировать с ними. Proof-of-Stake - лучший выбор на рынках с длинным хвостом.

6. Greener
   Блокчейн PoS более экологичен, чем блокчейн PoW, поскольку он не связан с огромным потреблением энергии или интенсивными вычислительными соревнованиями, что оказывает меньшее негативное воздействие на окружающую среду.

Безопасен ли PoS?

Независимо от того, какой механизм консенсуса используется, помимо эффективности узлов в достижении консенсуса, безопасность остается одним из наиболее важных аспектов в сети. В противном случае сеть может быть парализована злонамеренными атаками.
В сетях PoW консенсус достигается с помощью вычислительной мощности. Если вы можете контролировать более 51% вычислительной мощности в сети блокчейн, у вас есть доминирующий контроль над всей сетью. Злоумышленники могут получать прибыль за счет двойных расходов, отказываясь или изменяя записи транзакций или препятствуя другим в майнинге. Это известно как атака 51%.
Однако по мере расширения масштабов блокчейна proof-of-work вероятность атаки на 51% снижается. Для реализации атаки 51% требуется большое количество майнингового оборудования для обеспечения вычислительной мощности и возникнут высокие затраты на электроэнергию. Если награда за успешную атаку меньше, чем стоимость реализации атаки, атака 51% станет неосуществимой в этом отношении. Взяв Биткойн в качестве примера, никогда не было атаки 51% более чем за десять лет с момента создания блока генезиса. Именно узлы майнинга биткойнов по всему миру обеспечивают обширную вычислительную мощность процессора, которая обеспечивает безопасность сети Биткойн.
Следует отметить, что сети proof-of-stake также могут пострадать от атаки 51%. До тех пор, пока вредоносный узел получает более половины от общего количества токенов, он получает контроль над сетью блокчейн и может подделывать блоки и записи транзакций. То есть злоумышленник может начать атаку, приобретя большое количество токенов.
Однако такая атака нецелесообразна. Действие по приобретению большого количества токенов подтолкнет цену вверх из-за повышенного спроса. А атака окажет существенное влияние на блокчейн-сеть и вызовет панику среди пользователей, что приведет к падению цены. Поэтому стоимость приобретения токенов будет намного больше, чем прибыль, которую вы могли бы получить от атаки.
Более возможным методом атаки на механизм консенсуса proof-of-stake является сговор с другими узлами, чтобы контролировать более 51% от общего количества токенов. Этот метод является альтернативой для достижения цели управления сетью без непомерных затрат.
Чтобы предотвратить сговор узлов друг с другом, блокчейн proof-of-stake вводит штрафы. Если о ложных блоках и транзакциях сообщают другие валидаторы, атакующий узел может потерять часть или даже все свои токены. Это решает проблему «Ничего не поставлено на карту» предыдущих узлов PoS и затрудняет сговор между валидаторами, поскольку трудно определить, готовы ли другие узлы взять на себя риск потерь.
До тех пор, пока стоимость выставленных токенов выше, чем вознаграждения, то потери, вызванные обманом, будут больше, чем награды, принесенные честной операцией. Учитывая это, узлы предпочитают работать честно, что обеспечивает безопасность блокчейн-сетей PoS. Поэтому атака 51% практически невозможна, особенно в криптовалютах с более высокой рыночной капитализацией.

Каковы потенциальные проблемы PoS?

Несмотря на преимущества механизма консенсуса PoS, он также имеет некоторые потенциальные проблемы. PoS часто критикуют за то, что она делает богатых богаче, а бедных беднее. Узлы, сделавшие ставку на большее количество токенов, будут иметь больше шансов создать блоки для получения вознаграждения. Это заставляет валидаторов, владеющих большим количеством жетонов, получать богатство, следовательно, усугубляя неравенство в богатстве.
Однако сторонники PoS считают, что на всех рынках капитала богатые наделены более сильным конкурентным преимуществом. Даже при механизме консенсуса PoW существуют те же проблемы. По сравнению с сетью PoW, которая предъявляет более высокие требования для участия, PoS, которая приносит пользу всем, оказывается лучшим решением.
Другой распространенной проблемой является непредсказуемое предложение токенов, поскольку количество узлов, которые не могут делать ставки, может меняться Это приводит к дополнительным проблемам. Например, когда рыночная цена токенов продолжает падать, вознаграждение узлов, сделавших ставки, может не компенсировать потери от их хранения, в результате чего большое количество узлов снимут ставки и продадут токены, что поставит под угрозу безопасность сети блокчейн.
Кроме того, если количество узлов стейкинга значительно увеличится, это может вызвать дефицит предложения токенов и подтолкнуть цену вверх, что является тактикой манипулирования ценой, часто используемой злонамеренными командами разработчиков перед продажей своих пакетов акций. По сравнению с этим, механизм PoW обеспечивает более стабильную поставку токенов и с меньшей вероятностью может пострадать от подобных проблем.

Какие существуют другие механизмы консенсуса, кроме PoS и PoW?

Proof-of-work и proof-of-stake - два наиболее популярных механизма консенсуса в распределенных сетях, но не единственные. После более чем десяти лет развития технологии блокчейн было предложено множество новых механизмов консенсуса. Вот краткое введение:

1. Proof of Space
   Согласно алгоритму консенсуса Proof of Space, узлы сети должны обладать значительным объемом памяти на жестком диске, прежде чем они будут допущены к проверке транзакций и получению вознаграждений. Верификаторы будут оспаривать узлы, предоставляющие хранилище, чтобы убедиться, что узлы продолжают предоставлять хранилище. Сеть Chia является примером, который использует этот алгоритм.
   
   источник: Сеть Чиа

2. Доказательство авторитета (PoA)
   Согласно алгоритму консенсуса "Доказательство авторитета", узлы в сети не будут использовать токены, а вместо этого будут использовать собственную репутацию, чтобы быть квалифицированными для подтверждения транзакций. Валидаторам необходимо раскрыть информацию о своей личности перед участием. Это снижает риск выбора подозрительных валидаторов и поощряет долгосрочное участие. Примером алгоритма PoA является VeChain.

3. Delegated Proof of Stake (DPoS)
   DPoS - это усовершенствование фундаментальной концепции proof-of-stake, в которой держатели токенов доверяют свои токены в качестве голосов свидетелям. Эти свидетели имеют различные уровни репутации, основанные на количестве доверенных токенов. Выбранные свидетели считаются наиболее доверенными и имеют право создавать блоки, проверяя транзакции. Примером, в котором используется DPoS, является EOS.

Заключение

Алгоритм Proof-of-Stake обычно рассматривается как усовершенствование алгоритма Proof-of-Work. Пользователи PoS могут ставить свои токены на кон, чтобы стать валидаторами и создавать новые блоки для получения вознаграждения. Они также могут сотрудничать с другими узлами для совместной проверки транзакций и обеспечения безопасности блокчейна.
Proof-of-Stake исключает капиталоемкий и энергозатратный майнинг и является более доступным для обычных пользователей. Он рассматривается как механизм консенсуса, который является одновременно экологически чистым и децентрализованным. Proof-of-Stake также превосходит Proof-of-Work в плане масштабируемости. В настоящее время Proof-of-Stake принимается все большим количеством блокчейнов, таких как Cardano, Tezos, Avalanche и GateChain.
Ethereum, второй по величине блокчейн по рыночной капитализации, перейдет от PoW к PoS в ходе обновления ETH 2.0, которое планируется завершить в сентябре 2022 года. Хотя узлы, работающие на ETH 2.0, должны сделать ставку не менее 32 ETH, беспрецедентный переход механизма консенсуса демонстрирует, что Proof-of-Stake действительно является будущим технологии блокчейн.
Хотя PoS, кажется, решил многие проблемы, с которыми сталкивался PoW, это все еще новая технология. Требуется время, чтобы определить, есть ли другие неизвестные проблемы и дефекты.