Proof-of-Work vs. Proof of Stake

Proof-of-Work (PoW) ja Proof-of-Stake (PoS) ovat kaksi yleisintä konsensusmekanismia, joita julkiset lohkoketjuverkot käyttävät. Nämä järjestelmät edistävät verkon turvallisuutta ja kannustavat hajanaista osallistujaryhmää yhteistyöhön verkon yhteisen hyvän puolesta.

Kuka tahansa maailmassa voi osallistua julkiseen lohkoketjupohjaiseen järjestelmään. Yksikään yritys, keskuspankki tai hallitus ei hallinnoi näiden verkkojen toimintaa. Tämä tarkoittaa, että kukaan ei hallitse suoraan suosittuja lohkoketjuja, joita ovat esimerkiksi Bitcoin, Ethereum, Dogecoin tai Monero.

Se johtuu siitä, että nämä teknologiat ovat hajautettuja. Internetin tapaan ei ole olemassa yhtä henkilöä tai ryhmää, joka olisi vastuussa niiden ylläpidosta ja huollosta. Sen sijaan vastuu jakautuu tuhansille käyttäjille ympäri maailmaa. Hajauttamiseen liittyy kuitenkin joitakin tärkeitä kysymyksiä:

1. Miten luodaan kestävä, luottamukseton järjestelmä, joka on kestävä pahantahtoisia toimijoita vastaan?
2. Jos kuka tahansa voi liittyä verkkoon, miten edistetään rehellistä osallistumista ja estetään pahantahtoisia toimijoita?
3. Kun kokonaisuuden hallinnoijaa ei ole, miten valitaan, kuka saa ehdottaa, vahvistaa ja tallentaa dataa lohkoketjuun?

Tässä kohtaa tulevat kuvaan Proof-of-Work (PoW) ja Proof-of-Stake (PoS), jotka tunnetaan yleisemmin lohkoketjun konsensusmekanismeina.

Konsensus tarkoittaa sopimusta tietystä tiedosta järjestelmässä tai ihmisryhmässä.

Lohkoketjun konsensus tarkoittaa hajautetun tietokoneverkon yhteistä sopimusta jaettuun tietokantaan tallennettujen tietojen järjestyksestä ja pätevyydestä.

Bitcoin-lohkoketju ja muut sen jälkeen tulleet lohkoketjut olivat vallankumouksellisia, koska ne ratkaisivat pitkäaikaisen ongelman, jota kutsutaan Bysantin kenraalien ongelmaksi. 

Bysantin kenraalien ongelma on klassinen hajautetun laskennan ongelma, joka käsittelee luottamuksen kysymystä. Kyseessä on hajautettujen joukkojen välisen yhteisymmärryksen ongelma tilanteessa, jossa useat kenraalit yrittävät koordinoida hyökkäystä kaupunkiin. Ongelmassa kenraalit eivät pysty kommunikoimaan suoraan keskenään, ja jotkut kenraaleista saattavat olla pettureita, jotka lähettävät vääriä viestejä muille kenraaleille.

Lohkoketjujen yhteydessä Bysantin kenraalien ongelma on konsensusongelma. Lohkoketjuverkossa on useita solmuja, jotka yrittävät saavuttaa konsensuksen pääkirjan tilasta. Jotkut solmuista voivat kuitenkin olla pahantahtoisia ja yrittää lähettää väärää tietoa muille solmuille. Ongelma on, että muiden solmujen on voitava luottaa saamaansa tietoon voidakseen saavuttaa yhteisymmärryksen.

Lohkoketjut ratkaisevat Bysantin kenraalien ongelman käyttämällä konsensusalgoritmia kannustaakseen kaikkia verkon osallistujia sopimaan yhdestä totuuden versiosta. Tämä tapahtuu siten, että jokaisen verkon solmun on validoitava tapahtumat ja saavutettava sopimus tapahtuman pätevyydestä. Järjestelmä tallentaa konsensuksen lohkoketjuun luoden näin muuttumattoman, turvallisen ja yhteisesti jaetun totuuden lähteen. Konsensusmekanismi varmistaa, että kaikilla verkon osallistujilla on sama totuuden versio ja että tapahtuma on pätevä.

Tietojenkäsittelytieteilijät kehittivät tämän ongelman 1980-luvulla, mutta sen taustalla olevat käsitteet juontavat juurensa vanhempaan taloustieteen alaan, jota kutsutaan peliteoriaksi. Matemaatikot John Von Neumann ja Oskar Morgenstern kehittivät peliteoriaa 30 vuotta ennen Bysantin kenraalien ongelmaa. Heidän tutkimuksessaan analysoitiin pelien lopputuloksia pelaajien yksilöllisen käyttäytymisen, voittojen ja rangaistusten perusteella.

Nämä teoreettiset periaatteet sisältyvät lohkoketjun konsensusmekanismeihin. Lohkoketjuverkkoon osallistuvia pelaajia kannustetaan toimimaan rehellisesti sekä itsensä että verkon yhteisen hyvän puolesta. Pahantahtoiset toimijat puolestaan saavat rangaistuksia epärehellisestä toiminnasta.

Mielenkiintoista on, miten PoW- ja PoS-järjestelmät saavuttavat luottamuksettoman konsensuksen täysin eri tavoin.

Proof-of-Work on konsensusmekanismin tyyppi, joka vaatii verkon käyttäjiä eli ”louhijoita” käyttämään laskentatehoa tehtävän suorittamiseen.

Proof-of-Work (PoW) -konsensusmekanismia alettiin käyttää 1990-luvun alussa järjestelmänä roskapostin estämiseen. Menetelmä edellytti käyttäjien ratkaisevan kryptografisen ongelman ennen kuin he pystyivät lähettämään sähköpostia.

Vain muutamia sähköposteja lähettävien oikeutettujen käyttäjien oli helppo ratkaista tämä yksittäinen kryptografinen pulma. Epärehelliselle toimijalle, joka halusi lähettää suuria määriä roskapostia, tarvittava laskentateho teki hankkeesta kuitenkin paljon kalliimman.

Tammikuussa 2009 Satoshi Nakamoto -nimimerkkiä käyttänyt Bitcoinin valkoisen kirjan kirjoittaja lanseerasi Bitcoin-protokollan. Tämä vertaisten välinen sähköinen rahajärjestelmä sisälsi mukautetun version PoW-mekanismista edellä mainitun Bysantin kenraalien ongelman ratkaisemiseksi.

Bitcoin-protokollassa käytetty PoW-konsensusmekanismi sisältää kryptografiaan perustuvan kilpailun. Käyttäjät kilpailevat ​​oikeudesta ehdottaa uusia merkintöjä pääkirjaan käyttäen tietokoneitaan.

Bitcoinin louhintaprosessissa louhijat luovat satunnaisia, kiinteän pituisia koodeja, joita kutsutaan tiivisteiksi. He luovat näitä tiivisteitä syöttämällä satunnaisia syötteitä kryptografisen tiivistealgoritmin läpi. Tämä tuottaa ainutlaatuisia, 64-merkkisiä heksadesimaalisia koodeja (koodeja, jotka sisältävät vain numeroita 0–9 ja kirjaimia A–F).

Louhijat tuottavat tiivisteitä satunnaisesti, kunnes jonkin niistä alussa on yhtä paljon tai enemmän nollia kuin tavoitetiivisteessä.

Tavoitetiiviste on luku, jonka lohkoketjuprotokollan vaikeusasteen säätöalgoritmi määrittää.

Kun louhija onnistuu alittamaan tavoitetiivisteen, hän saa oikeuden ehdottaa uutta lohkoketjuun liitettävää tapahtumalohkoa. Jos verkko pitää ehdotettua lohkoa pätevänä, louhija saa lohkopalkkion ponnisteluistaan. Jos verkko toteaa, että lohko ei kelpaa tai on vilpillinen, solmut hylkäävät lohkon ja louhijan ponnistelut menevät hukkaan.

Jos olet kiinnostunut lukemaan lisää kryptovaluuttojen taustalla olevasta kryptografiasta, tutustu aloittelijoiden oppaaseemme, joka käsittelee sitä, kuinka kryptovaluutat käyttävät kryptografiaa.

Vastineeksi ponnisteluistaan onnistuneet louhijat ansaitsevat uuden bitcoinin ja mahdolliset maksut uuteen lohkoon lisäämistään tapahtumista. Tätä palkkiota kutsutaan lohkopalkkioksi.

Yksittäiset louhijat voivat yhdistää laskentatehoresurssinsa louhintapoolien avulla lisätäkseen mahdollisuuksiaan voittaa louhintakilpailu. Kaikki ansaitut lohkopalkkiot jaetaan suhteellisesti poolin osallistujien kesken.

Lohkopalkkiot noudattavat yleensä tiukkaa, ennalta määriteltyä rahapolitiikkaa, jossa palkkiot vähenevät järjestelmällisesti ajan myötä. Esimerkiksi Bitcoin puolittaa jokaista lohkoa kohti jaettavien uusien kolikoiden määrän 210  000 lohkon välein (noin kerran neljässä vuodessa). Tätä vähennystä, jota kutsutaan Bitcoinin puolittamiseksi, käytetään rajoittamaan ajan myötä liikkeeseen tulevien uusien kolikoiden määrää.

Voit lukea lisää Bitcoinin puolittamisesta Kraken Intelligence -raportista The Halving: Trends & Implications of Bitcoin's Supply Inflation Mechanism.

Kun voittava louhija on ehdottanut uutta tapahtumalohkoa, verkon muut louhijat vahvistavat nämä tapahtumat itsenäisesti. Kun he saavuttavat yksimielisyyden lohkoon tallennettujen tietojen pätevyydestä, lohko liitetään pysyvästi lohkoketjuun.

Kun kaikkia verkon käyttäjiä edellytetään vahvistamaan ehdotetut tapahtumat itsenäisesti ennen niiden viimeistelyä, on lähes mahdotonta käyttää saldoa kahteen kertaan. Mahdollisuus käyttää samoja kolikoita kahteen kertaan on uhkana vain, jos 51 prosenttia tai enemmän validoijista on epärehellisiä. Tällainen hyökkäys tulee kuitenkin eksponentiaalisesti vaikeammaksi toteuttaa lohkoketjuverkon kasvaessa.

Kun louhintakilpailu jokaisesta uudesta lohkosta päättyy, se alkaa alusta sen lohkoajan perusteella, jota kukin protokolla on ohjelmoitu noudattamaan. Bitcoinin osalta uusia lohkoja löydetään noin 10 minuutin välein, mutta lohkoajat vaihtelevat kryptovaluuttojen välillä. Muut kryptovaluutat, kuten Litecoin ja ZCash, luovat uusia lohkoja 2,5 minuutin ja 75 sekunnin välein.

Tämä ominaisuus ei ainoastaan pidä verkkoa turvallisena vaan myös varmistaa, että uusia kryptovaluuttayksiköitä lasketaan liikkeeseen kiinteällä, ennalta määrätyllä tahdilla.

PoW-järjestelmän käytön etu on turvallisuus. Petollisten tapahtumien toteuttaminen vakiintuneilla PoW-lohkoketjuilla vaatii valtavia määriä laskentatehoa.

Epärehelliset toimijat voivat tehdä petoksia vain, jos heidän hallinnassaan on enemmistö eli yli 50 prosenttia verkon laskentatehosta. Tällaista haavoittuvuutta kutsutaan 51 prosentin hyökkäykseksi. Jos joku voisi hallita yli 51:tä prosenttia verkosta, hän voisi järjestää tapahtumat uudelleen, käyttää saldot kahteen kertaan ja estää tiettyjä saapuvia maksuja. 

PoW-järjestelmiin on vaikea hyökätä, koska ne edellyttävät erikoislaitteita ja valtavan määrän energiaa verkon hyödyntämiseksi.

PoW-pohjaisten lohkoketjujen kuluttama energiamäärä on yleinen kritiikin aihe kryptojen vastustajien keskuudessa. On kuitenkin tärkeää huomata, että kulutus on tarkoituksellinen ominaisuus. Useimmissa tapauksissa suurempi tiivisteteho tarkoittaa parempaa verkon turvallisuutta.

Jotta osaat erottaa kryptolouhinnan faktat fiktiosta, tutustu oppaaseemme Busting Crypto Myths: ”Bitcoin is Destroying the Environment”.

Voittojen maksimoimiseksi PoW-louhijoiden on pidettävä toimintakulut mahdollisimman alhaisina ja hankittava halpaa, luotettavaa energiaa. Monet louhijat käyttävät kestävää energialähteiden yhdistelmää pitääkseen kustannukset alhaalla ja lieventääkseen ympäristöön liittyviä huolia.

• Bitcoin (BTC)
• Litecoin (LTC)
• Monero (XMR)
• Bitcoin Cash (BCH)
• Dash (DASH)
• Ethereum Classic (ETC)
• Dogecoin (DOGE)
• Siacoin (SC)

Proof-of-Work-järjestelmän suoran kilpailun sijaan Proof-of-Stake (PoS) käyttää erilaista kannustinjoukkoa sen varmistamiseksi, että verkon osallistujat käyttäytyvät rehellisesti.

Kolme vuotta Bitcoinin lanseerauksen jälkeen kaksi kehittäjää, Scott Nadal ja Sunny King, loivat PoS-konsensusmekanismin. Heidän päämääränsä oli tuottaa energiatehokkaampi järjestelmä kuin Proof-of-Work.

Proof-of-Stake (PoS) -järjestelmässä verkon osallistujat ostavat ja lukitsevat protokollan natiiveja tokeneita uusien tapahtumalohkojen validoimiseksi. Vastineeksi he voivat ansaita steikkauspalkkioita (maksetaan yleensä korkona heidän steikkaamilleen varoille).

Monet johtavat PoS-lohkoketjut, kuten Ethereum, Cardano, Algorand ja Polkadot, valitsevat omien valinta-algoritmiensa perusteella steikkaajat, jotka ansaitsevat oikeuden ehdottaa uusia lohkoja.

Osallistujat, joilla on enemmän steikattuja tokeneita, validoivat uusia lohkoja todennäköisemmin, mutta näihin erityisiin algoritmeihin on ohjelmoitu tiettyä satunnaisuutta.

Satunnaisuus on suunniteltu parantamaan oikeudenmukaisuutta. Se tarkoittaa, että kaikilla steikkaajilla on mahdollisuus ansaita palkkioita.

Ignite (aiemmin Tendermint) on toinen suosittu PoS-tyylinen konsensusmekanismi, jossa validoijat antavat prevote-, precommit- ja commit‑ääniä lohkoketjuun lisättäville uusille lohkoille. Lohkot, jotka saavat kaksi kolmasosaa äänistä, liitetään lohkoketjuun.

PoS kannustaa rehelliseen käyttäytymiseen samankaltaisella lähestymistavalla kuin PoW edellyttämällä validoijilta oman rahan sijoittamista. Tämäkin kustannus vaihtelee suuresti protokollien välillä, mukaan lukien validoijasolmujen ylläpitokustannukset.

PoS-validoijasolmulaitteet ovat usein kokonaisuudessaan paljon edullisempia kuin laitteet, joita tarvitaan suosittujen PoW-kryptovaluuttojen, kuten bitcoinin (BTC), kannattavaan louhintaan.

Useimmissa PoS-lohkoketjuissa verkon validoijat nimetään vahvistamaan tapahtumalohkoja sen sijaan, että heidät asetettaisiin toisiaan vastaan ehdottamaan uusia lohkoja. Vastineeksi avustaan verkon suojaamisessa validoijat ansaitsevat palkkioita, jotka voivat olla joskus kiinteän vuosikoron muodossa.

Käyttäjät, joilla ei ole teknistä asiantuntemusta tai jotka eivät täytä itsenäistä PoS-validoijaa koskevia vähimmäisvarallisuuden vaatimuksia, voivat yhdistää varansa muiden sijoittajien kanssa.

Tässä tapauksessa useat pienemmät sijoittajat voivat yhdistää varansa yhdeksi steikkausyksiköksi. Valitut henkilöt tai ryhmät, joilla on asiantuntemusta, ylläpitävät ja operoivat näitä steikkauspooleja. Sijoittajat jakavat palkkiot suhteellisesti keskenään ja steikkauspoolien operaattoreille.

Aivan kuten PoS-konsensusmekanismit kannustavat validoijia käyttäytymään rehellisesti, ne voivat myös rangaista heitä protokollan sääntöjen vastaisesta käytöksestä. Jos validoija tai valtuutettu steikkauspoolin operaattori toimii vilpillisesti, jotkin protokollat voivat pidättää hänen steikkaamansa varat osittain tai kokonaan. Myös tämä slashingiksi kutsuttu mekanismi kannustaa käyttäytymään hyvin verkossa.

Useimmat PoS-lohkoketjuprotokollat edellyttävät, että voidakseen osallistua steikkaukseen käyttäjät lukitsevat ensin vähimmäismäärän tokeneita ehtojen täyttämiseksi.

Ethereumin uuden PoS-lohkoketjun osalta validoijaksi ryhtyminen edellyttää 32:ta etheriä (lohkoketjun natiivi kryptovaluutta). Likvidejä steikkausprotokollia on kuitenkin syntynyt madaltamaan merkittävästi tätä korkeaa aloituskynnystä.

Polkadotin PoS-lohkoketjussa vähimmäissteikkausvaatimus voi olla vain 10 DOT tai jopa 350 DOT. DOT on Polkadotin natiivi kryptovaluutta.

Kuten PoW-pohjaisissa lohkoketjuissa, verkon on itsenäisesti vahvistettava PoS-lohkoketjujen uudet ehdotetut tapahtumalohkot ennen kuin ne voidaan liittää lohkoketjuun.

PoS-ketjut noudattavat myös avointa liikkeeseenlaskuaikataulua, jonka ansiosta koko verkko näkee, miten uudet kolikot lasketaan liikkeeseen.

Proof-of-Stake-lohkoketjujen suurin etu on, että ne ovat merkittävästi energiatehokkaampia kuin PoW-protokollat. Koska PoS-validoijat on nimetty validoimaan lohkoja sen sijaan, että he kilpailevat kalliilla laitteistolla, ne käyttävät vähemmän energiaa.

PoS-konsensusmekanismien suurin heikkous on steikkauksen keskittymiseen liittyvät ongelmat.

PoS-lohkoketjuissa se määrä tokeneita, jonka henkilö steikkaa, määrittää pääasiassa hänen mahdollisuutensa tulla valituksi validoimaan tapahtumalohkoja ja ansaitsemaan palkkioita. Tämän vuoksi PoS-järjestelmät voivat suosia niitä, joilla on enemmän tokeneita, verrattuna niihin, joilla on vähemmän steikattuja varoja, mikä joidenkin mielestä johtaa verkon keskittymiseen.

Epäkohdan vuoksi monet uskovat, että pieni määrä suuria steikkauspooleja ja suursijoittajia voi hallita lohkojen vahvistamista keskitetysti. Se on ristiriidassa kryptovaluuttojen ydinarvojen kanssa ja vähentää koko verkon turvallisuutta.

Toinen ongelma joidenkin PoS-lohkoketjujen kohdalla on likviditeetti. Joskus käyttäjät voivat päästä steikattuihin varoihin vasta kun lukitusjakso päättyy. Ongelma vähentää taustalla olevan kryptovaluutan markkinan likviditeettiä ja estää sijoittajia pääsemästä steikkaamiinsa varoihin kriittisten markkinaliikkeiden aikana.

Kumpikin konsensusmekanismi ratkaisee Bysantin kenraalien ongelman mutta hyvin eri tavoin. PoW-konsensusmekanismi on testattu järjestelmä, joka voi tarjota uskomattoman korkean turvallisuustason. Toisaalta PoS-konsensusmekanismien suosio kasvaa energiatehokkaampana, skaalautuvana vaihtoehtona.

• Ethereum (ETH)
• Polkadot (DOT)
• Algorand (ALGO)
• Avalanche (AVAX)
• Cardano (ADA)
• Cosmos (ATOM)
• Solana (SOL)
• The Graph (GRT)

Nyt kun olet oppinut kaiken Proof-of-Work- ja Proof-of-Stake-mekanismien erosta, oletko valmis ottamaan seuraavan askeleen kryptomatkallasi? Napsauta alla olevaa painiketta ja osta kryptovaluuttoja Krakenilta tänään!

Haluatko tarkempaa tietoa tietyistä kryptovaluutoista ja lohkoketjuprojekteista? Jos haluat, Learn Centerissä voit syventää osaamistasi tällä jatkuvasti kasvavalla alalla.