Prova de trabalho vs. Prova de staking

A prova de trabalho (PoW) e a prova de staking (PoS) são os dois mecanismos de consenso mais comuns utilizados pelas redes blockchain públicas. Estes sistemas proporcionam segurança de rede e incentivam um grupo descentralizado de participantes a cooperar para o bem maior da rede.

Qualquer pessoa no mundo pode participar num sistema público baseado em blockchain. Nenhuma empresa, banco central ou governo controla isoladamente o funcionamento destas redes. Isto significa que ninguém tem controlo direto sobre blockchains populares como a Bitcoin, a Ethereum, a Dogecoin ou a Monero.

Isto porque estas tecnologias são descentralizadas. Tal como na Internet, não existe uma única pessoa ou grupo responsável pela sua manutenção e conservação. Em vez disso, esta responsabilidade é partilhada por milhares de pessoas em todo o mundo. No entanto, com a descentralização, surgem algumas questões importantes:

1. Como criar um sistema robusto e fiável, resiliente a agentes maliciosos?
2. Se qualquer pessoa pode entrar numa rede, como promover a participação honesta e dissuadir as pessoas mal intencionadas?
3. Sem um gestor geral, como escolher quem pode propor, validar e registar dados na blockchain?

É aqui que entram em jogo a prova de trabalho (PoW) e a prova de staking (PoS), mais conhecidas como mecanismo de consenso da blockchain.

Consenso refere-se a um acordo sobre determinadas informações entre um sistema ou grupo de pessoas.

O consenso na blockchain é um estado de acordo entre uma rede distribuída de computadores sobre a ordem e a validade das informações armazenadas numa base de dados partilhada.

A blockchain da Bitcoin e outras blockchains que se seguiram foram revolucionárias porque resolveram um problema antigo chamado Problema dos Generais Bizantinos. 

O Problema dos Generais Bizantinos é um problema clássico em computação distribuída que aborda a questão da confiança. Trata-se de um problema de consenso entre pelotões dispersos, onde vários generais tentam coordenar um ataque a uma cidade. No problema, os generais são incapazes de comunicar diretamente entre si, e alguns deles podem ser traidores, enviando mensagens falsas aos restantes.

No contexto das blockchains, o Problema dos Generais Bizantinos é um problema de consenso. Numa rede blockchain, existem vários nós que tentam chegar a um consenso sobre o estado do livro-razão. No entanto, alguns nós podem ser maliciosos e tentar enviar informações falsas para os outros nós. O problema é que os outros nós precisam de poder confiar na informação que recebem para que se chegue a um consenso.

As blockchains resolvem o Problema dos Generais Bizantinos utilizando um algoritmo de consenso para incentivar todos os participantes da rede a concordar com uma única versão da verdade. Isto é feito através da validação das transações por cada nó da rede, que chega a um consenso sobre a validade da transação. De seguida, o sistema regista esse consenso na blockchain, criando assim uma fonte de verdade imutável, segura e partilhada coletivamente. O mecanismo de consenso garante que todos os participantes da rede têm a mesma versão da verdade e que a transação é válida.

Os cientistas informáticos conceberam este problema na década de 1980, mas os seus conceitos subjacentes derivam de um campo mais antigo da economia chamado teoria dos jogos. Os matemáticos John Von Neumann e Oskar Morgenstern foram pioneiros na teoria dos jogos 30 anos antes do Problema dos Generais Bizantinos. A sua investigação analisou os resultados dos jogos com base nos comportamentos individuais dos jogadores, nas recompensas e nas punições.

Os mecanismos de consenso da blockchain integram estes princípios teóricos. Os participantes numa rede blockchain são encorajados a agir com honestidade, tanto para o seu próprio benefício como para o bem maior da rede. Por outro lado, os agentes maliciosos estão sujeitos a penalizações por comportamento desonesto.

O interessante é como os sistemas PoW e PoS conseguem consenso sem confiança de formas completamente diferentes.

A prova de trabalho é um tipo de mecanismo de consenso que exige que os utilizadores da rede, denominados "mineradores", dediquem capacidade computacional para concluir uma tarefa.

O mecanismo de consenso de prova de trabalho (PoW) surgiu no início da década de 1990 como um sistema para prevenir o spam por e-mail. O método exigia que os utilizadores resolvessem um problema criptográfico antes de poderem enviar um e-mail.

Para os utilizadores legítimos que enviam apenas alguns e-mails, resolver este único puzzle criptográfico era uma tarefa fácil. No entanto, para um agente malicioso que procurava enviar e-mails de spam em massa, a quantidade de capacidade computacional necessária tornava a tarefa muito mais dispendiosa.

Em janeiro de 2009, o autor pseudónimo do white paper sobre a bitcoin, Satoshi Nakamoto, lançou o protocolo Bitcoin. Este sistema de dinheiro eletrónico peer-to-peer apresentava uma versão adaptada do mecanismo PoW para resolver o problema dos Generais Bizantinos anteriormente mencionado.

O mecanismo de consenso PoW utilizado no protocolo Bitcoin integra uma competição baseada em criptografia. Os utilizadores competem pelo ​​direito de propor novas entradas no livro-razão usando os seus computadores.

Através da mineração de bitcoin, os mineradores geram códigos aleatórios de comprimento fixo chamados hashes. Criam estes hashes executando entradas aleatórias através de um algoritmo de hash criptográfico. Ao fazê-lo, são gerados 64 códigos hexadecimais únicos (códigos que contêm apenas números de 0 a 9 e letras de A a F).

Os mineradores geram hashes aleatoriamente até que um deles tenha o mesmo número de zeros ou mais no início em comparação com o hash alvo.

O hash alvo é um número definido pelo algoritmo de ajuste de dificuldade do protocolo blockchain.

Quando um minerador consegue superar o hash alvo, ganha o direito de propor um novo bloco de transações para ser adicionado à blockchain. Se a rede considerar o bloco proposto válido, o minerador recebe uma recompensa de bloco pelo seu esforço. Se a rede determinar que o bloco é inválido ou fraudulento, os nós rejeitam o bloco e o esforço do minerador é desperdiçado.

Se tiver interesse em saber mais sobre a criptografia por detrás das criptomoedas, pode consultar o nosso guia para principiantes sobre como as criptomoedas utilizam a criptografia.

Em troca do seu esforço, os mineradores bem-sucedidos ganham bitcoins recém-criadas e quaisquer comissões pelas transações que adicionaram ao novo bloco. Esta recompensa é conhecida como recompensa de bloco.

É possível que os mineradores individuais combinem os seus recursos computacionais utilizando pools de mineração para aumentar as suas hipóteses de vencer a competição de mineração. Quaisquer recompensas obtidas através de blocos são divididas proporcionalmente entre os participantes no pool.

As recompensas de bloco seguem, geralmente, uma política monetária rigorosa e predefinida, na qual as recompensas são sistematicamente reduzidas ao longo do tempo. A Bitcoin, por exemplo, reduz para metade o número de novas moedas emitidas por bloco a cada 210 000 blocos (aproximadamente uma vez a cada quatro anos). Esta redução, conhecida como Bitcoin Halving, diminui gradualmente a emissão de novas moedas que entram em circulação ao longo do tempo.

Pode ler mais sobre o Bitcoin Halving no nosso relatório da Kraken Intelligence, The Halving: Trends & Implications of Bitcoin's Supply Inflation Mechanism.

Assim que um novo bloco de transações é proposto pelo minerador vencedor, os restantes mineradores da rede validam essas transações de forma independente. Assim que houver consenso sobre a validade da informação armazenada no bloco, o bloco passa a integrar-se permanentemente na blockchain.

Ao exigir que todos os utilizadores da rede confirmem de forma independente as transações propostas antes de estas serem finalizadas, torna-se praticamente impossível gastar o saldo duas vezes. A possibilidade de gastar as mesmas moedas duas vezes só se torna uma ameaça se 51% ou mais dos validadores forem desonestos. No entanto, este tipo de ataque torna-se exponencialmente mais difícil de ser concluído à medida que a rede blockchain cresce.

Após o término da competição de mineração para cada novo bloco, todo o processo recomeça com base no tempo de bloco programado para cada protocolo. No caso da Bitcoin, são descobertos novos blocos aproximadamente a cada 10 minutos, mas o tempo decorrido entre blocos varia entre criptomoedas. Outras criptomoedas, como a Litecoin e a ZCash, criam novos blocos a cada 2,5 minutos e 75 segundos, respetivamente.

Esta funcionalidade não só mantém a rede segura, como também garante que as novas unidades de criptomoedas são libertadas para circulação a um ritmo fixo e pré-determinado.

Uma vantagem da utilização de um sistema PoW é a segurança. As transações fraudulentas em blockchains PoW estabelecidas requerem quantidades massivas de capacidade computacional para serem executadas.

Os agentes desonestos só podem cometer fraude se controlarem a maioria, ou mais de 50%, da capacidade computacional da rede. Este tipo de vulnerabilidade é conhecido como ataque dos 51%. Se alguém conseguir controlar mais de 51% da rede, pode reordenar as transações, gastar os saldos duas vezes e bloquear determinados pagamentos recebidos. 

Os sistemas PoW são difíceis de atacar porque requerem equipamento especializado e uma enorme quantidade de energia para explorar a rede.

No entanto, a quantidade de energia consumida pelas blockchains baseadas em PoW é uma crítica comum entre os detratores das criptomoedas. Mas é importante realçar que este consumo é uma caraterística intencional. Na maioria dos casos, quanto maior for o poder de hash, maior será a segurança da rede.

Para ajudar a separar os factos da ficção no mundo da mineração de criptomoedas, consulte o nosso guia Desmistificar os mitos das criptomoedas: "A Bitcoin está a destruir o ambiente".

Em última análise, para maximizar os lucros, os mineradores PoW devem manter as suas despesas operacionais o mais baixas possível e obter energia barata e fiável. Muitos mineradores usam uma combinação de energia sustentável para manter os seus custos baixos e mitigar preocupações ambientais.

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

Ao contrário da competição direta da prova de trabalho, a prova de staking (PoS) utiliza um conjunto diferente de incentivos para garantir que os participantes da rede se comportam honestamente.

Três anos após o lançamento da Bitcoin, dois programadores chamados Scott Nadal e Sunny King criaram o mecanismo de consenso PoS. O seu principal objetivo era produzir um sistema mais eficiente em termos energéticos do que o sistema de prova de trabalho.

Com o mecanismo de prova de staking (PoS), os participantes na rede compram e bloqueiam os tokens nativos de um protocolo para validar novos blocos de transações. Em troca, podem ganhar recompensas de staking (geralmente pagas como juros sobre os seus ativos em staking).

Muitas blockchains PoS líderes, como a Ethereum, a Cardano, a Algorand e a Polkadot, utilizam os seus próprios algoritmos de seleção para escolher quais os stakers que têm o direito de propor novos blocos.

Os participantes com mais tokens em staking têm geralmente maior probabilidade de validar novos blocos, mas há um grau de aleatoriedade programado nestes algoritmos específicos.

Esta aleatorização visa melhorar a equidade e significa que todos os participantes que fazem staking têm a possibilidade de ganhar recompensas.

O Ignite (anteriormente Tendermint) é outro mecanismo popular de consenso ao estilo PoS, no qual os validadores votam previamente, pré-comprometem e comprometem votos para novos blocos que entram na blockchain. Os blocos com uma maioria de ⅔ dos votos são registados na blockchain.

O PoS utiliza uma abordagem semelhante à do PoW para incentivar o comportamento honesto, exigindo que os validadores invistam o seu próprio dinheiro. Da mesma forma, este custo varia muito entre protocolos, incluindo os custos para executar nós validadores.

O equipamento para nós validadores de PoS é muitas vezes muito menos dispendioso em comparação com o equipamento necessário para minerar de forma rentável criptomoedas PoW populares como a bitcoin (BTC).

Na maioria das blockchains PoS, os validadores de rede são nomeados para validar blocos de transações, em vez de competirem entre si para propor novos blocos. Em contrapartida, os validadores recebem recompensas, por vezes sob a forma de juros anuais fixos, por ajudarem a proteger a rede.

As pessoas sem o conhecimento técnico ou os requisitos mínimos de ativos para se tornarem validadores de PoS independentes podem combinar os seus fundos com os de outros investidores.

Neste caso, vários investidores mais pequenos podem reunir fundos para formar uma única unidade de staking. Pessoas ou grupos de pessoas eleitas com conhecimentos especializados mantêm e operam estes pools de staking. De seguida, os investidores dividem os lucros proporcionalmente entre si e os operadores do pool de staking.

Tal como os mecanismos de consenso PoS incentivam os validadores a comportarem-se honestamente, também podem puni-los por agirem fora das regras do protocolo. Se um validador ou operador delegado de um pool de staking agir de forma fraudulenta, alguns protocolos podem confiscar parcial ou totalmente os seus ativos em staking. Conhecido como "slashing", este mecanismo incentiva ainda mais o bom comportamento na rede.

Para participar no processo de staking, a maioria dos protocolos de blockchain PoS exige que os utilizadores bloqueiem primeiro uma quantidade mínima de tokens para se qualificarem.

Para a nova blockchain PoS da Ethereum, são necessários 32 ether, a criptomoeda nativa da blockchain, para se tornar um validador. No entanto, surgiram protocolos de staking líquido que reduzem drasticamente esta elevada barreira à entrada.

Na blockchain PoS da Polkadot, o requisito mínimo de staking pode ser tão baixo como 10 DOT ou tão alto como 350 DOT. DOT é a criptomoeda nativa da Polkadot.

Tal como acontece com as blockchains baseadas em PoW, a rede precisa de validar de forma independente os novos blocos de transações propostos nas blockchains PoS antes de poderem ser incorporados na blockchain.

As blockchains PoS também seguem um calendário de emissões transparente que permite a toda a rede ver como as novas moedas entram em circulação.

A principal vantagem das blockchains de prova de staking é que são significativamente mais eficientes em termos energéticos do que os protocolos PoW. Como os validadores PoS são selecionados para validar blocos em vez de competir utilizando equipamentos dispendiosos, consomem menos energia.

A principal desvantagem dos mecanismos de consenso PoS são os problemas de centralização do staking.

Nas blockchains PoS, a quantidade de tokens que uma pessoa deposita é o principal determinante na probabilidade de ser selecionada para validar blocos de transações e ganhar recompensas. Devido a isso, os sistemas PoS podem favorecer aqueles com mais tokens em detrimento daqueles com menos ativos em staking, o que, na opinião de alguns, leva à centralização da rede.

Devido a esta falha, muitos acreditam que um pequeno número de grandes pools de staking e investidores de grande dimensão podem obter um controlo centralizado sobre a validação de blocos. Este fator contraria os princípios fundamentais das criptomoedas e reduz a segurança geral da rede.

Outro problema para algumas blockchains PoS é a iliquidez. Por vezes, os utilizadores não conseguem aceder aos seus ativos em staking até que termine o período de bloqueio. Este problema reduz a liquidez de mercado da criptomoeda subjacente e impede os investidores de aceder aos seus fundos em staking durante movimentos críticos do mercado.

Ambos os mecanismos de consenso resolvem o Problema dos Generais Bizantinos, mas de formas muito diferentes. O mecanismo de consenso PoW é um sistema testado no terreno que pode proporcionar níveis de segurança incrivelmente elevados. Por outro lado, os mecanismos de consenso PoS estão a tornar-se cada vez mais populares como uma alternativa mais eficiente em termos energéticos e escalável.

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

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