Доказ виконання роботи й доказ частки володіння

Пірінговий характер загальнодоступних платіжних систем на основі blockchain означає, що керувати ними може будь-хто у світі, а не лише окрема компанія, центральний банк чи обрана група людей.

Однак децентралізація передбачає суттєвий виклик: якщо будь-хто може брати участь і немає жодної організації, яка б перевіряла учасників, що підтримують мережу, як переконатися в тому, що участь беруть лише чесні користувачі, а не зловмисні агенти?

Саме тут у гру вступає механізм консенсусу blockchain.

Консенсус означає взаємну згоду щодо певної інформації в системи чи між групою людей. У випадку з blockchain консенсус означає взаємну згоду між глобально розподіленими мережевими комп’ютерами, які перевіряють нові дані про криптовалюту, що додаються до леджера.

Елементи blockchain – це незмінні ідентифікатори записів транзакцій та інших типів даних. Це означає, що коли інформація додається в blockchain, її неможливо видалити. Цей принцип остаточності покладає на учасників мережі величезну відповідальність за забезпечення запису лише дійсних і перевірених даних. 

Механізми консенсусу є основою кожної загальнодоступної системи blockchain. Вони представляють автоматизовані системи, які допомагають відфільтрувати нечесних учасників blockchain і гарантують, що лише надійні, віддані користувачі стануть валідаторами.

Доказ виконання роботи (PoW) і доказ частки володіння (PoS) є двома найпопулярнішими механізмами консенсусу, які використовуються в загальнодоступних платіжних системах blockchain. І PoW, і PoS вирішують проблему фільтрації зловмисних учасників мережі та сприяння домовленості, але досягають цього результату різними способами.

Доказ виконання роботи – це тип механізму консенсусу, який вимагає від користувачів мережі виділити обчислювальну потужність, щоб взяти участь у виконанні завдання. Це переважно криптографічний доказ.

Механізм консенсусу доказу виконання роботи (Proof of Work, PoW) був запроваджений на початку 1990х 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 лише декілька електронних листів, цей єдиний криптографічний доказ не був проблемою. Однак для зловмисника, який прагне масово розсилати спам-листи та порушувати роботу мережі, підвищена обчислювальна потужність, необхідна для задоволення механізму консенсусу PoW, зробить таку ідею набагато менш привабливою.

Bitcoin і доказ виконання роботи

У січні 2009 року творець Bitcoin під псевдонімом Сатоші Накомото (Satoshi Nakomoto), запустив протокол Bitcoin. Ця пірінгова електронна система грошових коштів містить адаптовану версію механізму PoW для вирішення давньої проблеми, пов’язаної з децентралізованими цифровими платіжними мережами: проблеми подвійних витрат.

Під час надсилання коштів у цифровому вигляді немає фізичного обміну грошовими коштами – це просто цифри на екрані. Це означає, що користувач теоретично може витратити ті самі гроші двічі за допомогою двох окремих транзакцій. Обробку подвійних платежів можна здійснювати залежно від того, наскільки добре синхронізовані сервери в платіжній мережі. Це може призвести до створення нових одиниць цифрової валюти з нічого.

Механізм консенсусу PoW, що використовується в протоколі Bitcoin, включає систему, що має назву майнінг. Користувачі, які бажають стати валідаторами або майнерами, змагаються за допомогою своїх комп’ютерів за право пропонувати нові записи в леджері. Майнери роблять це, генеруючи випадкові коди фіксованої довжини, які називаються хешами. Ці хеші створюються шляхом обробки вхідних даних за допомогою криптографічного алгоритму хешування для отримання унікальних 64 шістнадцяткових кодів (кодів, що містять лише цифри від 0 до 9, та літери A–F.)

Майнери продовжують генерувати хеші, доки хтось не створить той, який має рівну або більшу кількість нулів на початку порівняно з цільовим хешем. Цільовий хеш – це цифровий код, встановлений протоколом, який, якщо його перевершити, надає успішному майнеру ексклюзивне право пропонувати нову партію даних транзакцій для додавання до наступного, найновішого блоку в ланцюжку.

Переваги й розподіл винагород 

За перемогу в змаганні й витрати енергії в обчислювальних циклах майнер отримує суму щойно викарбуваних біткоїнів разом із будь-якими комісіями, пов’язаними з транзакціями, доданими до нового блоку. Цей процес називається нагородою за блок.

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 викарбуваних монет, що присуджуються за блок, кожні 210 000 блоків (приблизно раз на чотири роки).

Це скорочує випуск нових монет, які надходять в обіг із часом, що теоретично дає змогу підтримувати ціни, за умови що попит на базову криптовалюту залишиться постійним.

Верифікація й випуск

Після того як майнер-переможець запропонував новий блок транзакцій, решта майнерів у мережі перевіряють ці транзакції, перш ніж блок буде остаточно додано в blockchain. 

Цей процес вимагає від усіх користувачів мережі незалежного підтвердження дійсності запропонованих транзакцій, що означає, що особа практично не може витратити суму свого балансу двічі, за умови що принаймні 51 % усіх валідаторів у системі діють чесно. 

Потім змагання з майнінгу починається знову залежно від часу створення блоку, на який запрограмовано кожну криптовалюту. Для Bitcoin нові блоки виявляються приблизно раз на 10 хвилин. Час створення блоку залежить від криптовалюти. Наприклад, уZCash новий блок створюється приблизно кожні 75 секунд. Це забезпечує постійне додавання нових підтверджених даних транзакцій до blockchain, а нові одиниці криптовалюти повільно випускаються в обіг із фіксованою, заздалегідь визначеною швидкістю.

Плюси й мінуси PoW

Ключова перевага використання системи PoW полягає в тому, що величезна обчислювальна потужність, необхідна для здійснення шахрайської транзакції, практично унеможливлює її здійснення.

Системи blockchain піддаються так званим атакам 51 %, коли зловмисна особа або група осіб успішно отримує контроль над хешрейтом blockchain-майнінгу. У системах blockchain дотримуються правила найдовшого ланцюга, коли всі валідатори в мережі приймають найдовший ланцюг як найбільш достовірний. Це означає, що якщо зловмисний агент зможе захопити контрольний пакет мережі, він матиме можливість схвалювати подвійні платежі, блокувати певні вхідні платежі та цим зруйнувати довіру до основного леджеру blockchain. 

Однак у випадку з системами PoW зловмисникам потрібно було б придбати або орендувати величезну кількість обчислювального обладнання для здійснення й підтримки такого типу атак. У таких великих мереж, як Bitcoin, ці сукупні обчислювальні потужності, спрямовані на перевірку транзакцій (відомі як хешрейт), настільки великі, що ризик атаки 51 % стає дуже малоймовірним.

Основним критичним зауваженням до цієї системи безпеки, заснованої на обчислювальних потужностях, є те, що значна кількість енергії, задіяної в процесі видобутку, витрачається марно. Тільки один майнер може запропонувати блок раз на 10 хвилин, через що вся мережа споживає велику кількість електроенергії, яка зрештою ніколи не використовується безпосередньо для створення нового блоку. 

Окрім енергетичної неефективності при використанні механізму PoW утворюються електронні відходи, які з’являються в результаті майнінгу (як-от зламане й застаріле обладнання). Це призвело до значної критики й підштовхнуло багато нових blockchain-проєктів до пошуку більш ефективних альтернативних механізмів консенсусу. Хоча майнери PoW зацікавлені в пошуку економічних джерел енергії та використанні енергії побічних продуктів (наприклад, тепла) для інших цілей, майнінг PoW, як і раніше, є дуже енерговитратним. 

 

Доказ частки володіння (PoS) – це заснована на принципі лотереї система, що вимагає від учасників мережі покупки й блокування власних токенів протоколу в смарт-контракті. Учасники із стейкінговими токенами мають шанс бути обраними випадковим чином для подальшого пропонування нових блоків.

Через три роки після запуску Bitcoin два розробники, відомі як Скотт Надаль (Scott Nadal) і Санні Кінг (Sunny King), розробили механізм консенсусу PoS для вирішення проблеми енергетичної неефективності, створеної системою доказу виконання роботи.

Чим більше токенів користувач додає в стейкінг, тим більше в нього шансів бути обраним. Думайте про це, як про покупку кількох лотерейних квитків. Зі збільшенням кількості квитків ви збільшуєте свої шанси, але сам по собі виграш не є гарантованим. Користувач, який купив лише один квиток або в цьому випадку – додав мінімальну необхідну кількість токенів у стейкінг, усе одно має шанс бути обраним.

Ця ідея базується на тому ж принципі, що й система доказу виконання роботи (PoW), вимагаючи від валідаторів вкладення власних грошей, але усуває необхідність використання спеціалізованих енерговитратних комп’ютерів.

Переваги й розподіл винагород 

Більшість сучасних систем PoS пропонують валідаторам фіксовану річну відсоткову ставку за допомогу в захисті мережі та верифікацію нових даних. 

Однак деякі передбачають нагороду у вигляді власних токенів (накопичених із комісій за транзакції), пропорційних кількості токенів, доданих користувачем у стейкінг. Зазвичай це відбувається через делеговані стейкінг-пули, коли кілька валідаторів об’єднують свої кошти, щоб утворити єдину стейкінгову одиницю. Підтримка й використання стейкінг-пулу здійснюється обраним користувачем або групою користувачів, які мають спеціальні знання, необхідні для виконання цієї ролі.

Якщо валідатор або оператор делегованого стейкінг-пулу діє нечесно, протокол має можливість примусово видалити частину або всі відповідні стейкінгові активи. Ця система, відома як «слешинг», додатково стимулює належну поведінку в мережі.

Верифікація й випуск

Для участі в процесі стейкінгу більшість blockchain-протоколів PoS вимагають від користувачів внести мінімальну суму. Для нового PoS-blockchain Ethereum потрібно 32 ETH власної криптовалюти блокчейну, щоб стати валідатором.

У Polkadot, ще одному PoS-блокчейні, вимоги до мінімального стейкінгу коливаються від 10 до 350 DOT (власної криптовалюти Polkadot).

Між системами PoS-blockchain існують значні відмінності з огляду на те, як перевіряються блоки транзакцій. Здебільшого час розбивається на слоти або епохи. Для кожного слота призначається певна кількість стейкерів. Потім випадковим чином вибирається один із них, щоб запропонувати новий блок. Решта стейкерів у групі засвідчують валідність блоку незалежно один від одного.

Плюси й мінуси PoS

Основна перевага blockchain-систем на базі доказу частки володіння полягає в тому, що вони значно енергоефективніші за протоколи PoW. Це пов'язано з тим, що, порівняно з PoW, для перевірки транзакцій на основі системи PoS потрібне набагато менш складне й енерговитратне обчислювальне обладнання. Фактично, стейкінг тепер можна здійснювати через біржі й інші сторонні платформи за допомогою ноутбука або мобільного телефону користувача.

Делеговані стейкінг-пули мають додаткову перевагу, оскільки дозволяють користувачам із незначними спеціалізованими знаннями або взагалі без них брати участь у процесі валідації, тоді як успішний майнінг потребує глибокого технічного розуміння принципів роботи необхідного програмного й апаратного забезпечення. Не кажучи вже про те, що винагорода за майнінг не є гарантованою, тоді як стейкери часто можуть отримувати фіксований річний дохід.

Основним недоліком стейкінгу є те, що кошти користувача перестають бути доступними після їхнього блокування в стейкінговому смарт-контракті, доки не мине період прив’язки. Це зменшує ринкову ліквідність відповідної криптовалюти й не дозволяє інвесторам отримати доступ до вкладених коштів під час критичних змін на ринку.

Тепер ви готові зробити наступний крок і купити трохи криптовалюти!