Алгоритм Proof of Work и Протокол Proof-of-stake

Алгоритм Proof-of-Work (PoW) и протокол Proof-of-stake (PoS) — два наиболее распространённых механизма консенсуса, используемых в публичных блокчейн-сетях. Эти системы обеспечивают безопасность сети и создают экономические стимулы для того, чтобы децентрализованная группа участников действовала в интересах всей сети.

В публичной блокчейн-системе может участвовать любой человек в любой точке мира. Ни одна компания, центральный банк или государственный орган не управляет работой таких сетей. Это означает, что никто не осуществляет прямой контроль над такими популярными блокчейнами, как Bitcoin, Ethereum, Dogecoin, или Monero.

Причина в том, что эти технологии являются децентрализованными. Как и в случае с интернетом, не существует единого лица или группы, ответственных за их поддержку и функционирование. Эта ответственность распределена между тысячами участников по всему миру. Однако децентрализация порождает ряд принципиально важных вопросов:

1. Как создать надёжную, не требующую доверия систему, устойчивую к действиям злоумышленников?
2. Если к сети может присоединиться любой желающий, каким образом поощрять добросовестное участие и сдерживать недобросовестных участников?
3. При отсутствии централизованного управляющего, как определить, кто имеет право предлагать, проверять и записывать данные в блокчейн?

Именно здесь на сцену выходят алгоритма Proof-of-Work(PoW) и протокола Proof-of-stake (PoS) — в совокупности известные как механизмы консенсуса блокчейна.

Консенсус — это согласие относительно определённой информации, достигнутое внутри системы или группы участников.

Консенсус в блокчейне — это состояние согласия в распределённой сети компьютеров относительно порядка и корректности данных, хранящихся в общей базе.

Блокчейн Bitcoin и последовавшие за ним блокчейны стали революционными, поскольку решили давнюю проблему, известную как задача византийских генералов. 

Задача византийских генералов — классическая задача распределённых вычислений, связанная с проблемой доверия. Она описывает задачу достижения консенсуса между разрозненными подразделениями, в которой несколько генералов пытаются согласовать атаку на город. При этом генералы не могут напрямую общаться друг с другом, а некоторые из них могут оказаться предателями, передающими ложные сообщения.

В контексте блокчейна задача византийских генералов сводится к задаче достижения консенсуса. В блокчейн-сети множество узлов стремятся прийти к согласию относительно текущего состояния реестра. При этом часть узлов может быть злонамеренной и пытаться распространять недостоверные данные. Проблема заключается в том, что для достижения консенсуса остальные узлы должны иметь возможность полагаться на получаемую информацию.

Блокчейны решают задачу византийских генералов за счёт алгоритмов консенсуса, которые экономически стимулируют всех участников сети соглашаться с единой версией данных. Для этого каждый узел проверяет транзакции и участвует в подтверждении их корректности. После этого достигнутый консенсус фиксируется в блокчейне, формируя неизменяемый, защищённый и коллективно разделяемый источник достоверных данных. Механизм консенсуса обеспечивает наличие у всех участников сети единой версии данных и подтверждает действительность транзакций.

Хотя сама задача была сформулирована специалистами по информатике в 1980-х годах, её базовые принципы восходят к более ранней области экономики — теории игр. Математики Джон фон Нейман и Оскар Моргенштерн заложили основы теории игр за 30 лет до формулировки задачи византийских генералов. В своих исследованиях они анализировали результаты игр, исходя из индивидуального поведения участников, системы вознаграждений и санкций.

Механизмы консенсуса в блокчейне опираются на эти теоретические принципы. Участники блокчейн-сети экономически мотивированы действовать добросовестно — как в собственных интересах, так и в интересах всей сети. Злонамеренные участники, напротив, несут издержки и наказания за недобросовестное поведение.

Примечательно, что системы PoW и PoS достигают бездоверительного консенсуса принципиально разными способами.

Алгоритм Proof-of-Work — это тип алгоритма консенсуса, при котором пользователи сети, называемые майнерами, задействуют вычислительные ресурсы для выполнения вычислительной задачи.

Механизм консенсуса алгоритма Proof-of-Work (PoW) впервые появился в начале 1990-х годов как средство борьбы с электронной почтовой рассылкой спама. Метод предусматривал необходимость решения криптографической задачи перед отправкой электронного письма.

Для добросовестных пользователей, отправляющих ограниченное число писем, решение такой задачи не представляло сложности. Однако для злоумышленников, стремящихся рассылать спам массово, объём требуемых вычислительных ресурсов делал такую деятельность экономически невыгодной.

В январе 2009 года псевдонимный автор белой книги Bitcoin Сатоши Накамото запустил протокол Bitcoin. В этой одноранговой системе электронных денег использовалась адаптированная версия механизма PoW для решения упомянутой ранее проблемы византийских генералов.

Механизм консенсуса PoW в протоколе Bitcoin основан на криптографическом соревновании. Пользователи соревнуются за ​право предлагать новые записи в реестр, используя вычислительные мощности своих компьютеров.

В процессе майнинга Bitcoin майнеры генерируют случайные коды фиксированной длины, называемые хешами. Хеши формируются путём пропускания входных данных через криптографический хеш-алгоритм в случайной последовательности. В результате создаются уникальные 64-символьные шестнадцатеричные коды (состоящие из цифр от 0 до 9 и букв от A до F).

Майнеры продолжают генерацию хэшей до тех пор, пока один из них не будет содержать в начале не меньшее количество нулей, чем у целевого хеша.

Целевой хеш — это значение, задаваемое алгоритмом регулировки сложности блокчейн-протокола.

Майнер, сумевший превзойти целевой хеш, получает право предложить новый блок транзакций для добавления в блокчейн. Если сеть признаёт предложенный блок корректным, майнер получает вознаграждение за блок. Если же блок признаётся недействительным или мошенническим, узлы сети отклоняют его, а затраченные майнером ресурсы не компенсируются.

Если вас интересуют криптографические основы криптовалют, рекомендуем ознакомиться с нашим руководством для начинающих о том, как криптовалюты используют криптографию.

В качестве вознаграждения за свои усилия успешные майнеры получают вновь выпущенные Bitcoin, а также комиссии за транзакции, включённые ими в новый блок. Такое вознаграждение называется вознаграждением за блок.

Отдельные майнеры могут объединять свои вычислительные ресурсы в майнинг-пулы, чтобы повысить вероятность победы в майнинговом соревновании. Полученные вознаграждения за блок распределяются между участниками пула пропорционально их вкладу.

Вознаграждения за блок, как правило, подчиняются строгой, заранее заданной денежной политике, в рамках которой их размер систематически сокращается со временем. В сети Bitcoin, например, количество вновь выпускаемых монет за блок сокращается вдвое каждые 210 000 блоков (примерно раз в четыре года). Это сокращение, известное как халвинг Bitcoin, постепенно снижает темпы выпуска новых монет в обращение.

Подробнее о халвингах Биткойна вы можете узнать в нашем отчёте Kraken Intelligence «Халвинг: тенденции и последствия механизма инфляции предложения Bitcoin».

После того как победивший майнер предлагает новый блок транзакций, остальные майнеры сети независимо проверяют содержащиеся в нём операции. После достижения консенсуса относительно корректности информации блок навсегда добавляется в блокчейн.

Требование независимого подтверждения транзакций всеми участниками сети до их окончательного включения делает двойное расходование средств практически невозможным. Угроза двойного расходования возникает лишь в том случае, если 51 % или более валидаторов действуют недобросовестно. Однако по мере роста блокчейн-сети реализация такой атаки становится экспоненциально сложнее.

После завершения майнингового соревнования за очередной блок процесс начинается заново в соответствии с заданным временем блока, установленным протоколом. В сети Bitcoin новые блоки находятся примерно каждые 10 минут, однако время блока различается у разных криптовалют. Другие криптовалюты, такие как Litecoin и ZCash, формируют новые блоки каждые 2,5 минуты и 75 секунд соответственно.

Этот механизм не только обеспечивает безопасность сети, но и гарантирует выпуск новых единиц криптовалюты с фиксированной, заранее определённой скоростью.

Одним из ключевых преимуществ системы PoW является высокий уровень безопасности. Совершение мошеннических транзакций в устоявшихся блокчейнах PoW требует колоссальных вычислительных ресурсов.

Недобросовестные участники могут осуществить атаку лишь в том случае, если они контролируют более 50 % вычислительной мощности сети. Такая уязвимость известна как атака 51 %. Получив контроль над более чем 51 % сети, злоумышленник смог бы переупорядочивать транзакции, осуществлять двойное расходование средств и блокировать отдельные входящие платежи. 

Системы PoW трудно поддаются атакам, поскольку для компрометации сети требуется специализированное оборудование и огромное количество энергии.

Хотя энергопотребление блокчейнов, основанных на PoW, часто становится объектом критики со стороны противников криптовалют, важно понимать, что такая нагрузка является осознанно заложенной особенностью системы. В большинстве случаев действует простая зависимость: чем выше совокупная хеш-мощность, тем выше уровень безопасности сети.

Чтобы отделить факты о криптомайнинге от распространённых заблуждений, ознакомьтесь с нашим руководством «Разоблачение криптомифов: „Bitcoin разрушает окружающую среду“».

В конечном счёте для максимизации прибыли майнерам PoW необходимо удерживать операционные издержки на минимальном уровне и обеспечивать доступ к дешёвой и надёжной электроэнергии. Многие майнеры используют устойчивый энергетический микс, что позволяет снизить затраты и одновременно уменьшить экологические риски.

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

В отличие от прямой конкурентной модели алгоритма Proof-of-Work, механизма протокола Proof-of-stake (PoS) использует иной набор стимулов, направленных на обеспечение честного поведения участников сети.

Спустя три года после запуска Bitcoin два разработчика — Скотт Надал и Санни Кинг — предложили механизм консенсуса PoS. Их основной целью было создание системы, более энергоэффективной по сравнению с алгоритмом proof-of-work.

В модели алгоритма proof-of-stake (PoS) участники сети приобретают и блокируют нативные токены протокола, чтобы участвовать в валидации новых блоков транзакций. Взамен они получают вознаграждение за стейкинг, как правило выплачиваемое в форме процентного дохода на застейканные активы.

Многие ведущие PoS-блокчейны, такие как Ethereum, Cardano, Algorand и Polkadot, используют собственные алгоритмы отбора, определяющие, какие стейкеры получают право предлагать новые блоки.

Как правило, участники с большим объёмом застейканных токенов имеют более высокую вероятность валидации блоков, однако в эти алгоритмы намеренно заложен элемент случайности.

Такая рандомизация повышает справедливость системы и обеспечивает всем участникам стейкинга шанс на получение вознаграждений.

Ignite (ранее Tendermint) — ещё один популярный механизм консенсуса, близкий по принципам к PoS, в рамках которого валидаторы последовательно подают голоса prevote, precommit и commit за включение новых блоков в блокчейн. Блоки, получившие поддержку не менее чем ⅔ валидаторов, окончательно фиксируются в цепочке.

PoS, как и PoW, стимулирует честное поведение участников за счёт необходимости вкладывать собственные средства. При этом уровень затрат существенно различается в зависимости от протокола и включает расходы на запуск и обслуживание валидаторских узлов.

В целом оборудование для PoS-валидаторов обходится значительно дешевле по сравнению с инфраструктурой, необходимой для прибыльного майнинга популярных PoW-криптовалют, таких как Bitcoin (BTC).

В большинстве блокчейнов с механизмом PoS сетевые валидаторы назначаются для проверки блоков транзакций, а не конкурируют между собой за право предлагать новые блоки. Взамен они получают вознаграждение за участие в обеспечении безопасности сети — иногда в форме фиксированного годового дохода.

Пользователи, не обладающие необходимыми техническими знаниями или минимальным объёмом активов для самостоятельного участия в роли PoS-валидатора, могут объединять свои средства с другими инвесторами.

В этом случае несколько участников формируют единый стейкинг-пул, действующий как одна валидаторская единица. Управление и техническое обслуживание таких стейкинг-пулов осуществляют избранные лица или специализированные команды, обладающие необходимой экспертизой. Получаемые вознаграждения распределяются пропорционально между инвесторами и операторами стейкинг-пула.

Подобно тому как механизмы консенсуса PoS поощряют честное поведение валидаторов, они также предусматривают санкции за нарушение правил протокола. Если валидатор или делегированный оператор стейкинг-пула действует недобросовестно, некоторые протоколы могут частично или полностью изъять застейканные активы. Этот механизм, известный как «слешинг», дополнительно усиливает экономические стимулы к корректному и добросовестному участию в работе сети.

Для участия в процессе стейкинга большинство блокчейн-протоколов с механизмом PoS требуют от пользователей заблокировать минимальный объём токенов, необходимый для допуска к участию.

Так, в новой PoS-версии блокчейна Ethereum для получения статуса валидатора требуется 32 ether — нативной криптовалюты сети. В то же время появление протоколов ликвидного стейкинга позволило существенно снизить этот высокий порог входа.

В блокчейне Polkadot, работающем на основе PoS, минимальный объём стейка может составлять от 10 до 350 DOT. DOT является нативной криптовалютой сети Polkadot.

Как и в блокчейнах на основе PoW, в сетях PoS вновь предложенные блоки транзакций подлежат независимой проверке участниками сети до их окончательного включения в блокчейн.

Кроме того, PoS-сети придерживаются прозрачного графика эмиссии, позволяющего всем участникам отслеживать порядок и объём выпуска новых монет в обращение.

Ключевым преимуществом блокчейнов с механизмом доказательства доли является их значительно более высокая энергоэффективность по сравнению с протоколами PoW. Поскольку валидаторы PoS назначаются для подтверждения блоков, а не конкурируют между собой с использованием ресурсоемкого оборудования, общее энергопотребление сети существенно ниже.

Основным недостатком механизмов консенсуса PoS считаются риски централизации стейка.

В PoS-блокчейнах вероятность выбора участника для подтверждения блоков и получения вознаграждений в первую очередь зависит от объёма застейканных токенов. В результате системы PoS могут отдавать преимущество участникам с крупными долями по сравнению с теми, кто располагает меньшим объёмом активов, что, по мнению ряда экспертов, способствует централизации сети.

Из-за этого некоторые считают, что ограниченное число крупных стейкинг-пулов и инвесторов-«китов» способно сосредоточить контроль над валидацией блоков в своих руках. Подобная ситуация противоречит базовым принципам криптовалют и может снижать общий уровень безопасности сети.

Ещё одной проблемой для ряда PoS-блокчейнов является ограниченная ликвидность. В отдельных случаях пользователи не могут получить доступ к своим застейканным активам до завершения установленного периода блокировки. Это снижает рыночную ликвидность базовой криптовалюты и лишает инвесторов возможности оперативно распоряжаться своими средствами в периоды резких рыночных колебаний.

Оба механизма консенсуса — PoW и PoS — решают проблему византийских генералов, однако принципиально разными способами. Механизм PoW представляет собой проверенную временем модель, способную обеспечивать исключительно высокий уровень безопасности. В то же время PoS-консенсус всё чаще рассматривается как более энергоэффективная и масштабируемая альтернатива, что способствует росту его популярности.

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

Теперь, когда вы разобрались в различиях между механизмами алгоритма Proof-of-Work и протокола Proof-of-stake, готовы ли вы сделать следующий шаг в освоении криптовалют? Нажмите кнопку ниже, чтобы уже сегодня купить криптовалюту на Kraken.

Хотите получить более подробную информацию о конкретных криптовалютах и блокчейн-проектах? В таком случае посетите наш Учебный центр, где вы сможете углубить свои знания в этой динамично развивающейся сфере.