Доказ виконання роботи й Доказ частки володіння

Доказ виконання роботи (PoW) і доказ частки володіння (PoS) є двома найпоширенішими механізмами консенсусу, які використовуються в загальнодоступних блокчейн-мережах. Ці системи забезпечують безпеку мережі й стимулюють децентралізовану групу учасників до співпраці заради її загального блага.

Взяти участь у публічній системі на основі блокчейну може будь-хто у світі. Роботою цих мереж не керують жодна окрема компанія, центральний банк чи уряд. Це означає, що ніхто не має безпосереднього контролю над такими популярними блокчейнами, як Bitcoin, Ethereum, Dogecoin або Monero.

Причина в децентралізованій природі цих технологій. Як і у випадку з Інтернетом, не існує жодної конкретної людини чи групи, яка відповідала б за їхнє адміністрування та обслуговування. Натомість ця відповідальність розподілена між тисячами людей по всьому світу. Однак із децентралізацією пов’язано кілька важливих питань.

1. Як створити надійну й безпечну систему, стійку до зловмисних втручань?
2. Якщо приєднатися до мережі може будь-хто, як заохотити чесну участь і відвадити недобросовісних учасників?
3. Як за відсутності єдиної точки керування вибирати, хто пропонуватиме, перевірятиме й записуватиме дані в блокчейн?

Саме тут до гри вступають принципи доказу виконання роботи (PoW) і доказу частки володіння (PoS), більш відомі як механізми консенсусу блокчейну.

Консенсус означає згоду щодо певної інформації в системі чи між групою людей.

Консенсус блокчейну – це стан згоди між розподіленою мережею комп’ютерів щодо послідовності й достовірності інформації, яка зберігається у спільній базі даних.

Блокчейн Bitcoin та інші блокчейни, що з’явилися після нього, були революційними, тому що вирішували давню проблему візантійських полководців. 

Проблема візантійських полководців – це класичне завдання розподілених обчислень, яке стосується питання довіри. Це проблема консенсусу між розподіленими підрозділами, коли кілька полководців намагаються скоординувати атаку на місто. За умовами цього завдання, полководці не можуть безпосередньо спілкуватися один з одним, а деякі з них можуть бути зрадниками, які надсилають іншим неправдиві повідомлення.

У контексті блокчейну проблема візантійських полководців – це проблема консенсусу. У блокчейн-мережі є кілька вузлів, які намагаються досягти консенсусу щодо стану леджера. Однак деякі з вузлів можуть бути зловмисними й намагатися надсилати іншим вузлам неправдиву інформацію. Проблема полягає в тому, що для досягнення консенсусу інші вузли повинні мати можливість довіряти інформації, яку вони отримують.

Блокчейн вирішує проблему візантійських полководців, використовуючи алгоритм консенсусу, який стимулює всіх учасників мережі погодитися щодо єдиної версії істини. Для цього кожен вузол мережі перевіряє транзакції і досягає згоди з іншими щодо їхньої дійсності. Потім система фіксує цей консенсус у блокчейні, створюючи таким чином незмінне, безпечне й колективно доступне джерело істини. Механізм консенсусу гарантує, що всі учасники мережі мають однакову версію істини, а транзакція є дійсною.

Комп’ютерні науковці замислилися над цією проблемою у 1980-х роках, але її базові концепції походять з більш давньої галузі економіки, яка називається теорією ігор. Математики Джон фон Нейман та Оскар Моргенштерн започаткували теорію ігор за 30 років до появи проблеми візантійських полководців. У своєму дослідженні вони аналізували результати ігор на основі індивідуальної поведінки гравців, виплат і покарань.

Механізми консенсусу в блокчейні включають ці теоретичні принципи. Гравці, які беруть участь у блокчейн-мережі, заохочуються діяти чесно як для власного блага, так і заради всієї мережі. Зловмисникам, з іншого боку, загрожує покарання за нечесну поведінку.

Цікаво те, як системи PoW і PoS досягають консенсусу без вимоги до довіри в абсолютно різні способи.

Доказ виконання роботи – це різновид механізму консенсусу, який вимагає від користувачів мережі (вони називаються майнерами) виділити обчислювальну потужність, щоб взяти участь у виконанні завдання.

Механізм консенсусу доказу виконання роботи (Proof of Work, PoW) з’явився на початку 1990-х років як засіб боротьби зі спамом в електронній пошті. Цей метод вимагав від користувачів виконання криптографічної задачі, перед надсиланням електронного листа.

Для користувачів, які не порушують закон і надсилають не дуже багато електронних листів, вирішення такого єдиного криптографічного завдання не було проблемою. При цьому для зловмисників, які намагаються розсилати спам масово, потреба у відповідних обчислювальних потужностях робить цю справу набагато дорожчою.

У січні 2009 року автор технічного документа Bitcoin під псевдонімом Сатоші Накомото (Satoshi Nakomoto) запустив протокол Bitcoin. Ця пірінгова система електронних платежів використовувала адаптовану версію механізму PoW для вирішення згаданої вище проблеми візантійських полководців.

Механізм консенсусу PoW, що використовується в протоколі Bitcoin, передбачає криптографічне змагання. Користувачі за допомогою своїх комп’ютерів змагаються за право пропонувати нові записи в леджері.

В процесі майнінгу Bitcoin майнери генерують випадкові коди фіксованої довжини, які називаються хешами. Вони створюють ці хеші, застосовуючи до випадкових вхідних даних алгоритм криптографічного хешування. Таким чином генеруються унікальні 64-розрядні шістнадцяткові коди (це лише можуть бути цифри від 0 до 9 й літери від A до F).

Майнери генерують хеші випадковим чином, поки один із них не матиме стільки ж або більше нулів спереду, як цільовий хеш.

Цільовий хеш – це число, яке встановлюється алгоритмом регулювання складності блокчейн-протоколу.

Коли комусь із майнерів вдається знайти збіг із цільовим хешем, він отримує право запропонувати новий блок транзакцій для приєднання до блокчейну. Якщо мережа визнає запропонований блок дійсним, майнер отримує нагороду за свій блок. Якщо мережа визначає, що блок недійсний або шахрайський, вузли відкидають його, і зусилля майнера стають даремними.

Якщо вам цікаво дізнатися більше про криптографічні принципи в основі криптовалют, ви можете ознайомитися з нашим посібником для початківців про використання криптографії в криптовалютній галузі.

За свою роботу успішні майнери отримують нові біткоїни та комісійні за транзакції, які вони додали до нового блоку. Цей називається нагородою за блок.

Окремі майнери можуть об’єднувати свої обчислювальні ресурси у майнінг-пули, щоб збільшити шанси на перемогу у майнінговому змаганні. Будь-яка зароблена нагорода за блок ділиться пропорційно між учасниками пулу.

Нагороди за блоки зазвичай відповідають суворій, заздалегідь визначеній грошовій політиці, згідно з якою ці нагороди систематично зменшуються з часом. Bitcoin, наприклад, вдвічі скорочує кількість нових монет, що генеруються і присуджуються за блок, кожні 210 000 блоків (приблизно раз на чотири роки). Таке скорочення, відоме як халвінг Bitcoin, із часом зменшує обсяг випуску нових монет, які надходять в обіг.

Ви можете прочитати більше про халвінг Bitcoin у нашому аналітичному звіті Kraken «Халвінг: Тенденції й наслідки механізму інфляції пропозиції Bitcoin.

Після того як майнер-переможець запропонував новий блок транзакцій, решта майнерів у мережі незалежно перевіряють ці транзакції. Коли вони досягають консенсусу щодо достовірності інформації, що зберігається у блоці, блок назавжди приєднується до блокчейну.

Оскільки від усіх учасників мережі вимагається незалежне підтвердження запропонованих транзакцій перед їх остаточним затвердженням, подвійна витрата балансу майже неможлива. Можливість витратити ті самі монети двічі стає загрозою лише тоді, коли 51 % або більше валідаторів поводяться нечесно. Однак такий різновид атаки стає експоненціально складнішим для виконання в міру зростання блокчейн-мережі.

Після завершення майнінгового змагання за черговий блок воно починається знову на основі часу створення блоку, на який запрограмовано протокол. Для Bitcoin нові блоки з’являються приблизно кожні 10 хвилин, але цей час є різним для кожної криптовалюти. Для інших криптовалют, таких як Litecoin і ZCash, нові блоки створюються кожні 2,5 хвилини і 75 секунд відповідно.

Це не тільки захищає безпеку мережі, але й гарантує, що нові одиниці криптовалюти надходять в обіг із фіксованою і заздалегідь визначеною швидкістю.

Перевагою використання системи PoW є безпека. Шахрайські транзакції в PoW-блокчейнах, що існують вже тривалий час, вимагають величезних обчислювальних потужностей.

Нечесні учасники можуть вчиняти шахрайські дії, лише якщо контролюють більшість (понад 50 відсотків) обчислювальних потужностей мережі. Вразливості цього типу називаються атакою 51 %. Якщо хтось контролює понад 51 % мережі, він може змінювати порядок транзакцій, двічі витрачати ті ж самі гроші й блокувати певні вхідні платежі. 

Системи PoW важко атакувати, оскільки для експлуатації мережі потрібне спеціалізоване обладнання та величезні обсяги енергії.

Проте кількість енергії, яку споживають блокчейни на основі PoW, є поширеним об’єктом критики серед противників криптовалют. Але важливо зазначити, що таке величезне споживання є навмисним фактором. У більшості випадків що більша хеш-потужність, то вища безпека мережі.

Відокремити факти про криптомайнінг від вигадок допоможе наш посібник Руйнування криптовалютних міфів: Довідник «Bitcoin руйнує довкілля».

Зрештою, для максимізації прибутку майнери PoW-систем мають утримувати свої операційні витрати на якомога нижчому рівні й шукати дешеві й надійні джерела енергії. Багато майнерів використовують сталі енергетичні джерела, щоб знизити свої витрати та зменшити вплив на екологію.

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

На відміну від прямої конкуренції в алгоритмі доказу виконання роботи, в алгоритмі доказу частки володіння (PoS) використовується інший набір стимулів, які заохочують учасників мережі поводитися чесно.

Через три роки після запуску протоколу Bitcoin розробники Скотт Надал (Scott Nadal) і Санні Кінг (Sunny King) створили механізм консенсусу PoS. Їхньою головною метою було створити систему, більш енергоефективну порівняно з доказом виконання роботи.

За алгоритмом доказу частки володіння (PoS) учасники мережі для підтвердження нових блоків із транзакціями купують і блокують нативні токени протоколу. Натомість вони можуть отримувати нагороду за стейкінг (вона зазвичай виплачується у формі відсотків від їхніх активів у стейкінгу).

Багато провідних PoS-блокчейнів, таких як Ethereum, Cardano, Algorand і Polkadot, використовують власні алгоритми вибору стейкерів, які отримують право пропонувати нові блоки.

Зазвичай нові блоки з більшою імовірністю підтверджують учасники з більшою кількістю токенів, але в цих алгоритмах закладений певний елемент випадковості.

Така рандомізація має забезпечити справедливість та означає, що шанс отримати нагороду мають усі учасники стейкінгу.

Ignite (раніше Tendermint) – ще один популярний механізм консенсусу типу PoS, відповідно до якого валідатори використовують різні типи голосів (попереднє голосування, попереднє записування і звичайне записування) для додавання нових блоків до блокчейну. Блоки з більшістю в ⅔ голосів записуються у блокчейн.

PoS застосовує схожий на PoW підхід до стимулювання чесної поведінки, вимагаючи від валідаторів вкладати власні кошти. Аналогічним чином вартість участі, включно з витратами на запуск вузлів валідаторів, суттєво залежить від протоколу.

Обладнання для вузлів валідаторів PoS часто набагато дешевше порівняно з обладнанням, необхідним для прибуткового майнінгу популярних PoW-криптовалют, таких як Bitcoin (BTC).

У більшості PoS-блокчейнів мережеві валідатори призначаються для підтвердження блоків транзакцій, а не конкурують один з одним, пропонуючи нові блоки. Натомість валідатори отримують винагороду за участь у забезпеченні функціонування мережі, іноді у формі фіксованих річних відсотків.

Люди, які не мають технічного досвіду або мінімального обсягу активів, щоб бути самостійними валідаторами PoS, можуть об’єднувати свої кошти з іншими інвесторами.

У цьому випадку кілька дрібних інвесторів можуть об’єднати свої ресурси, щоб сформувати єдиний пакет для стейкінгу. Такими стейкінг-пулами керують окремі особи або групи людей, що мають спеціальні навички. Потім інвестори пропорційно розподіляють нагороди між собою та операторами пулу.

Подібно до того, як механізми консенсусу PoS стимулюють валідаторів поводитися чесно, вони також можуть покарати їх за поведінку, яка порушує правила протоколу. Якщо валідатор або делегований оператор стейкінг-пулу вчиняє шахрайські дії, деякі протоколи можуть частково або повністю конфіскувати його активи у стейкінгу. Цей механізм, відомий як «слешинг», додатково стимулює належну поведінку в мережі.

Для участі в процесі стейкінгу більшість блокчейн-протоколів PoS вимагають від користувачів спочатку заблокувати мінімальну кількість токенів.

Щоб стати валідатором нового PoS-блокчейну Ethereum, потрібно мати 32 ETH, нативної криптовалюти блокчейну. Проте з’явилися протоколи ліквідного стейкінгу, які значно знизили цей високий вхідний бар’єр.

У PoS-блокчейні Polkadot мінімальна обов’язкова сума токенів варіюється в діапазоні від 10 DOT до 350 DOT. DOT – нативна криптовалюта Polkadot.

Подібно до блокчейнів на основі PoW, у PoS-блокчейнах мережа повинна самостійно верифікувати нові блоки транзакцій, що пропонуються, перш ніж їх можна буде додати до блокчейну.

У PoS-блокчейнах також існує прозорий графік випуску токенів, який дозволяє всій мережі бачити, як нові монети потрапляють в обіг.

Основна перевага блокчейн-систем на базі доказу частки володіння полягає в тому, що вони значно енергоефективніші за протоколи PoW. Оскільки PoS-валідатори, які перевіряють блоки, призначаються, а не конкурують один з одним із використанням дорогого обладнання, вони споживають менше енергії.

Основним недоліком механізмів консенсусу PoS є проблеми централізації активів у стейкінгу.

У PoS-блокчейнах кількість токенів, які людина додала у стейкінг, є основним фактором, який визначає її імовірність бути обраною для перевірки блоків транзакцій та отримання нагород. Через це системи PoS можуть віддавати перевагу власникам більшої кількості токенів порівняно з дрібнішими частками, що, на думку деяких, призводить до централізації мережі.

Через цей недолік багато хто вважає, що невелика кількість великих пулів та інвесторів-«китів» можуть отримати централізований контроль над валідацією блоків. Цей фактор суперечить основним принципам криптовалютної галузі та знижує загальну безпеку мережі.

Ще однією проблемою деяких PoS-блокчейнів є неліквідність. Іноді користувачі не можуть отримати доступ до своїх активів у стейкінгу, поки не закінчиться період блокування. Це зменшує ринкову ліквідність відповідної криптовалюти й не дозволяє інвесторам отримати доступ до вкладених коштів під час критичних змін на ринку.

Обидва ці механізми консенсусу вирішують так звану проблему візантійських полководців, але дуже по-різному. Механізм консенсусу PoW – це перевірена на практиці система, яка може гарантувати неймовірно високий рівень безпеки. З іншого боку, механізми консенсусу PoS стають дедалі популярнішими як більш енергоефективна й масштабована альтернатива.

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

Тепер, коли ви дізналися все про різницю між концепціями доказу виконання роботи й доказу частки володіння, чи готові ви зробити наступний крок у вашій криптовалютній подорожі? Натисніть кнопку нижче, щоб придбати криптовалюту на Kraken уже сьогодні!

Вам потрібна докладніша інформація про певні криптовалюти та blockchain-проєкти? Якщо так, відвідайте наш Навчальний центр, щоб поглибити свої знання в цій сфері, яка дедалі більше розширюється.