Prova de trabalho vs. Prova de participação

Proof-of-work (PoW) e proof-of-stake (PoS) são os dois mecanismos de consenso mais comumente usados nos sistemas de pagamento de blockchain públicas. Ambos os sistemas fornecem segurança e incentivos à cooperação entre um grupo descentralizado de participantes para o bem maior de toda a rede.

Qualquer pessoa no mundo pode participar de um sistema público baseado em blockchain. Nenhuma empresa, banco central ou governo pode gerenciar o modo de operação dessas redes. Isso quer dizer que ninguém possui controle direto sobre blockchains populares, como Bitcoin, Ethereum, Dogecoin e Monero.

Isso se deve a essas tecnologias serem todas descentralizadas. Como acontece com a Internet, que não é mantida ou administrada por uma pessoa ou grupo específico. Em vez disso, tal responsabilidade é dividida entre milhares de pessoas ao redor do mundo. A descentralização, no entanto, traz questões importantes:

1. Como é possível criar um sistema sem necessidade de confiança e robusto que tenha resiliência contra agentes mal intencionados?
2. Se qualquer pessoa puder se juntar a uma rede, como é possível promover honestidade de seus participantes e dissuadir os maus agentes?
3. Sem uma gestão dominante, como é possível escolher quem vai propor, verificar e registrar dados na blockchain?

É aqui que entram os proof-of-work (PoW) e proof-of-stake (PoS), mais comumente conhecidos como mecanismos de consenso da blockchain.

Consenso se refere a um acordo mútuo sobre uma determinada informação entre um sistema ou grupo de pessoas.

Na blockchain, o consenso é um estado de acordo entre uma rede distribuída de computadores sobre a ordem e a validade das informações armazenadas em um banco de dados compartilhado.

A blockchain do Bitcoin e outras posteriores à ela foram revolucionárias porque resolveram um problema de longa data chamado falha bizantina. 

A falha bizantina é um problema clássico da computação distribuída, relacionado à questão da confiança. É um problema de consenso que ilustra diferentes exércitos espalhados e vários generais tentando coordenar um ataque a uma cidade. No problema, os generais são incapazes de se comunicar diretamente uns com os outros, e alguns deles também podem ser traidores enviando mensagens falsas para outros generais.

No contexto das blockchains, a falha bizantina é um problema de consenso. Em uma rede de blockchain, existem vários nós que estão tentando alcançar o consenso sobre o estado do registro. No entanto, alguns desses nós podem ser mal intencionados, tentando enviar informações falsas para outros nós. O problema é que, para chegar a um consenso, os outros nós devem poder confiar nas informações recebidas.

As blockchains solucionam a falha bizantina por meio de um algoritmo de consenso que incentiva todos os participantes da rede a concordarem com uma única versão da verdade. Isso é feito fazendo com que cada nó da rede valide as transações e chegue a um acordo sobre a validade da transação. O sistema então registra esse consenso na blockchain, criando uma fonte de verdade imutável, segura e compartilhada de forma coletiva. O mecanismo de consenso garante que todos os participantes da rede tenham a mesma versão da verdade e que a transação seja válida.

Esse problema foi concebido por cientistas da computação ainda na década de 1980, mas seus conceitos subjacentes derivam de um campo mais antigo da economia, chamado teoria dos jogos. Os matemáticos John Von Neumann e Oskar Morgenstern foram os pioneiros da teoria dos jogos 30 anos antes do problema da falha bizantina. A pesquisa deles analisou os resultados de jogos com base nos comportamentos individuais dos jogadores, recompensas e punições.

Os mecanismos de consenso da blockchain incorporam esses princípios teóricos. Os jogadores participantes de uma rede de blockchain são incentivados a agir com honestidade, tanto para si próprios como para o bem maior da rede. Por outro lado, agentes mal intencionados são penalizados pelo comportamento desonesto.

O que é interessante é como os sistemas de PoW e de PoS alcançam consenso sem necessidade de confiança com abordagens totalmente distintas.

Proof-of-work é um tipo de mecanismo de consenso que exige que os usuários da rede, chamados de "mineradores", dediquem poder computacional para concluir uma tarefa.

O mecanismo de consenso de proof-of-work (PoW) fez sua primeira aparição no início dos anos 1990 como um sistema de prevenção de spam por e-mail. O método exigia que os usuários resolvessem um problema criptográfico antes de enviar um e-mail.

Para usuários legítimos que enviam apenas alguns e-mails, resolver essa única prova criptográfica foi uma tarefa fácil. Contudo, para atores desonestos com intenção de enviar e-mails de spam em massa, a quantidade de poder computacional necessária tornou a façanha muito mais dispendiosa.

Em janeiro de 2009, o pseudonimizado criador do white paper do Bitcoin, Satoshi Nakomoto, lançou o protocolo Bitcoin. Esse sistema peer-to-peer de dinheiro eletrônico apresentava uma versão adaptada do mecanismo de PoW para resolver o problema da falha bizantina mencionado acima.

O mecanismo de consenso de PoW usado no protocolo Bitcoin incorpora uma competição baseada em criptografia. Os usuários competem pelodireito de propor novas inserções no registro usando seus computadores.

Por meio do projeto de mineração de Bitcoin, os mineradores geram códigos aleatórios de tamanho fixo chamados de hashes. Essas hashes são criadas pela execução de inserções aleatórias por meio de um algoritmo criptográfico de hashes. Tal processo produz 64 códigos hexadecimais (contendo apenas números de 0-9 e letras de A-F) únicos.

Os mineradores geram hashes aleatoriamente até que uma delas tenha os mesmos ou mais zeros na frente em comparação com a hash alvo.

A hash alvo é um número determinado pelo algoritmo de ajuste de dificuldade do protocolo de blockchain.

Quando um minerador alcança a hash alvo, ele ganha o direito de propor um novo bloco de transações para a blockchain. Se a rede considerar válida a proposta do bloco, o minerador ganha pelo seus esforços uma recompensa em bloco. Se a rede determinar que o bloco proposto é inválido ou fraudulento, ele é rejeitado pelos nodes e os esforços do minerador foram em vão.

Se você tem interesse em aprender mais sobre a criptografia por trás das criptomoedas, confira nosso guia para iniciantes sobre como as criptomoedas usam criptografia.

Em troca de seus esforços, os mineradores bem-sucedidos ganham bitcoins recém-cunhados e quaisquer taxas pelas transações que adicionaram ao novo bloco. Essa recompensa é conhecida como recompensa de bloco.

É possível que mineradores individuais combinem seus recursos computacionais em pools de mineração, aumentando suas chances de vencer a competição de mineração. Quaisquer recompensas de bloco ganhas serão divididas de forma proporcional entre os participantes da pool.

Geralmente, as recompensas de bloco seguem uma política monetária rigorosa e predefinida, na qual as recompensas são sistematicamente reduzidas ao longo do tempo. O Bitcoin, por exemplo, corta o número de moedas recém-cunhadas concedidas por bloco pela metade a cada 210.000 blocos (aproximadamente uma vez a cada quatro anos). Essa redução, conhecida como halving do Bitcoin, reduz ao longo do tempo a emissão de novas moedas que entram em circulação.

Você pode ler mais sobre os halving do Bitcoin em nosso Relatório de inteligencia da Kraken, Halving: Tendências e implicações do mecanismo de inflação da oferta do Bitcoin.

Uma vez que um novo bloco de transações tenha sido proposto pelo minerador vencedor, os mineradores restantes na rede verificam de forma independente essas transações. Assim que chegarem a um consenso sobre a validade das informações armazenadas no bloco, o bloco se juntará permanentemente ao blockchain.

Como é exigido que todos os usuários da rede confirmem de forma independente as transações propostas antes que elas sejam finalizadas, problemas de gasto duplo de seu saldo são quase impossíveis. A possível ameaça de que as mesmas moedas sejam gastas duas vezes só se torna real se 51% ou mais validadores forem desonestos. No entanto, ataques assim ficam exponencialmente mais difíceis de serem realizados à medida que a rede de blockchain cresce.

Após o fim de cada competição de mineração para um novo bloco, ela recomeça com base no tempo de bloco que cada protocolo está programado para seguir. No caso do Bitcoin, novos blocos são descobertos a aproximadamente cada 10 minutos, mas os tempos de bloqueio variam entre as criptomoedas. Outras criptomoedas, como Litecoin e ZCash, criam novos blocos a cada 2,5 minutos e 75 segundos, respectivamente.

Esse recurso não apenas mantém a rede segura, mas também garante que novas unidades de criptomoeda sejam colocadas em circulação a uma taxa fixa e predeterminada.

A uma das vantagens de um sistema de PoW é sua segurança. A execução de transações fraudulentas em blockchains de PoW consagradas exige enormes quantidades de poder computacional.

Atores desonestos só podem cometer fraudes se controlarem a maior parte, ou mais de 50%, do poder computacional da rede. Esse tipo de vulnerabilidade é conhecido como ataque dos 51%. Se alguém pudesse controlar mais de 51% da rede, poderia reordenar transações, fazer gastos duplos e bloquear o recebimento de determinados pagamentos. 

É difícil realizar ataques aos sistemas de PoW, pois eles necessitam de equipamentos especializados e de uma enorme quantidade de energia para praticar abusos na rede.

Contudo, a quantidade de energia consumida por blockchains baseadas em PoW é alvo constante de críticas entre os detratores das criptomoedas. Mas é importante notar que esse consumo elevado é uma característica intencional. Na maioria dos casos, quanto maior o hashpower, maior será a segurança da rede.

Para ajudar a desmistificar os fatos sobre a mineração de criptomoedas, veja nosso guia Desbancando mitos sobre criptomoedas: Guia "O Bitcoin está destruindo o meio ambiente".

Por fim, a fim de maximizar os lucros, os mineradores de PoW devem manter suas despesas operacionais o mais baixas possível e obter energia barata e confiável. Muitos mineradores utilizam um mix energético sustentável para manter seus custos baixos e mitigar as preocupações ambientais.

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

Diferentemente da competição direta de proof-of-work, o proof-of-stake (PoS) faz uso de um conjunto de incentivos diferente para garantir o comportamento honesto dos participantes da rede.

Três anos depois do lançamento do Bitcoin, os desenvolvedores Scott Nadal e Sunny King criaram o mecanismo de consenso PoS. O objetivo da dupla era a produção de um sistema com mais eficiência energética que o proof-of-work.

Com o proof-of-stake (PoS), os participantes da rede compram e bloqueiam tokens nativos do protocolo para a validação de novos blocos de transação. Em troca, eles podem ganhar recompensas de stake (geralmente pagos como juros sobre seus stakes de ativos).

Muitas das principais blockchains de PoS, como Etherium, Cardao, Algorand e Polkadot usam algoritmos de seleção proprietários para escolher quais stakers ganham o direito de propor novos blocos.

Embora participantes com mais tokens em stake tenham uma chance maior de validar novos blocos, também há um grau de aleatoriedade programada nestes algoritmos em particular.

Tal aleatoriedade foi implementada para tornar o processo mais justo e permitir que todos os participantes tenham uma chance de ganhar recompensas.

O Ignite (antigo Tendermint) é outro mecanismo de consenso no estilo PoS, no qual os validadores colocam votos pré-votados, pré-confirmados e confirmados, para novos blocos que ingressam na blockchain. Blocos que tenham uma maioria de votos de ⅔ são confirmados na blockchain.

O PoS usa uma abordagem similar ao PoW para incentivar o comportamento honesto, exigindo que seus validadores invistam o próprio dinheiro. Dessa forma, esse custo varia muito entre protocolos, incluindo custos para executar nós validadores.

O custo do equipamento do nó validador PoS é geralmente muito inferior ao do equipamento necessário para a mineração lucrativa de criptomoedas PoW populares, como o Bitcoin (BTC).

Na maioria das blockchains de PoS, os validadores da rede são nomeados para verificar blocos de transações, em vez de colocados uns contra os outros na proposição de novos blocos. Em troca por sua ajuda na segurança da rede, os validadores ganham recompensas, alguma vezes na forma de juros anuais fixos.

Pessoas sem conhecimento técnico ou requerimentos mínimos de ativos para se tornarem validadores PoS standalone podem combinar seus fundos com outros investidores.

Nesses casos, vários investidores menores podem reunir seus fundos para criar uma única unidade de stake. Pessoas ou grupos eleitos com conhecimento especializado mantêm e operam essas unidades de stake. Por sua vez, os investidores dividem as recompensas de forma proporcionais entre eles e os operadores da unidade de stake.

Assim como os mecanismos de consenso de PoS incentivam o comportamento honesto, eles também podem punir aqueles que agem em desacordo com as regras do protocolo. Caso um validador ou operador de unidade de stake aja de forma fraudulenta, alguns protocolos podem confiscar seus ativos em stake, em parte ou na sua totalidade. Conhecido como "slashing", esse sistema incentiva ainda mais o bom comportamento na rede.

Para participar do processo de stake, a maioria dos protocolos de blockchain de PoS exige primeiro dos usuários o bloqueio de uma quantidade mínima de tokens para que se qualifiquem.

Para a nova blockchain de PoS do Ethereum, para se tornar um validador é necessário a 32 Ether, a criptomoeda nativa da blockchain. No entanto, protocolos de stake líquidos têm surgido para reduzir consideravelmente essa grande barreira de entrada.

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

Assim como ocorre nas blockchains baseadas em PoW, a rede precisa fazer uma verificação de forma independente dos novos blocos de transação propostos nas blockchains de PoS antes que eles possam se juntar à ela.

Chains de PoS também seguem um cronograma de emissões transparente que permite que toda a rede veja como novas moedas entram em circulação.

O principal benefício das blockchains de proof-of-stake é que elas são significativamente mais eficientes no consumo de energia do que os protocolos de PoW. Como os validadores de PoS são indicados para validar blocos em vez de competir por eles usando equipamentos caros, eles usam menos energia.

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

Nas blockchains de PoS, a quantidade de tokens em stake de uma pessoa é o que mais determina sua probabilidade de ser selecionada para validar blocos de transações e ganhar recompensas. Em razão disso, os sistemas de PoS poderiam acabar favorecendo quem tivesse mais tokens, em detrimento dos com menos ativos em stake, o que alguns consideram que leva à centralização da rede.

Muitos acham que, por conta dessa falha, um pequeno número de grandes pools de staking e investidores baleia poderiam adquirir um controle centralizado sobre a validação de blocos. Tal possibilidade vai contra os princípios centrais das criptomoedas e reduz o nível de segurança da rede de maneira geral.

Outro problema para algumas blockchains de PoS é a falta de liquidez. Algumas vezes, não é possível que os usuários acessem seus ativos em stake até que se encerre um período de bloqueio. Tal problema reduz a liquidez de mercado da criptomoeda subjacente e impede que os investidores acessem seus recursos em stake durante movimentos críticos do mercado.

Ambos os mecanismos de consenso resolveram esse problema de falha bizantina, mas valendo-se de diferentes métodos. O mecanismo de consenso de PoW é um sistema muito testado que pode fornecer níveis de segurança incrivelmente elevados. Por outro lado, os mecanismos de consenso de PoS estão se tornando cada vez mais populares como uma alternativa escalonável e com maior economia de energia.

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

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