Алгоритмы консенсуса. Что означают Proof-of-Stake (PoS) и Proof-of-Work (PoW) в криптовалюте?

Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work (PoW) - это алгоритм, который добавляет новый блок в блокчейн, служит для подтверждения транзакций и поддерживает единую версию реестра во всех копиях реестра, хранящихся на отдельных узлах.

Proof-of-Work (PoW) имеет ряд ключевых особенностей, которые необходимо понимать: 

• Необходимость выполнения конкретной сложной и трудоемкой задачи;
• Возможность быстро и легко проверить результат.

PoW устроен так, что его не может выполнить один человек. Чтобы решить головоломку шифрования, требуется много вычислительных мощностей. Этот децентрализованный механизм консенсуса также известен как майнинг. PoW также называют майнингом, который представляет собой процесс получения вознаграждения за проделанную работу.

Алгоритм консенсуса Proof-of-Stake (PoS)

Proof-of-Stake (PoS) - самый популярный алгоритм блокчейна на сегодняшний день. На нем основаны Ethereum, Cardano, Solana, Tezos и Algorand. 

Его популярность объясняется тем, что вам не нужно покупать супердорогое оборудование для майнинга. Вы потребляете меньше энергии, вносите вклад в экологию, экономите собственные деньги, а также поддерживаете безопасность блокчейна. 

В механизме PoS есть валидаторы, которые держат и размещают токены и получают комиссию за транзакции в зависимости от количества монет, которые они разместили. Это называется «доказательством права собственности». В алгоритме PoS владельцы выставляют свои монеты в качестве залога, чтобы получить возможность подтверждать блоки и зарабатывать вознаграждение. В отличие от PoW, валидаторы PoS выбираются случайным образом, поэтому здесь отсутствует элемент конкуренции.

Кто придумал термин proof-of-work?

Термин Proof-of-Work имеет несколько истоков, поскольку разные гениальные умы одновременно выдвигали идею процесса майнинга или другие связанные с ним концепции. Термин «Proof-of-Work», приписываемый Шаю М. Д. Мао, появился в 1993 году, когда он ввел его в своей основополагающей статье под названием «К простой модели веб-безопасности» (Toward a Simple Model of Web Security). В этой работе Мао выступал за использование вычислений в качестве мощного средства защиты от спама и DDoS-атак.

В том же году эта концепция была описана в работе «Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology». В этой статье термин PoS не использовался буквально, но описывался похожий процесс: «Чтобы получить доступ к общему ресурсу, пользователь должен вычислить функцию: довольно сложную, но выполнимую; так можно защитить ресурс от неправомерного использования». 

Сам термин Proof-of-Work появился в 1999 году в статье «Proofs of Work and Bread Pudding Protocols» (авторы Маркус Якобссон и Ари Джуэлс) в журнале Communications and Multimedia Security.

Таким образом, концепция Proof-of-Work претерпевала различные итерации, пока не получила полное объяснение в глубокой работе Сатоши Накамото. Влиятельный документ Накамото «Биткойн: одноранговая система электронных денег» был опубликован в 2008 году. Это стало поворотным моментом для Proof-of-Work. Здесь механизм был не только полностью описан, но и успешно реализован в блокчейне Bitcoin. Это позволило улучшить алгоритм консенсуса и обеспечить всестороннюю безопасность сети.

В результате концепция Proof of Work приобрела гораздо больший размах: от применения в веб-безопасности до широкого распространения в технологии блокчейн, став основой многочисленных протоколов и обеспечив высочайший уровень прозрачности и защиты.

В чем важность Proof-of-Work для криптовалют?

Важность механизма консенсуса Proof-of-Work (PoW) для криптовалют была неограниченной с момента появления Bitcoin в 2009 году. 

Во-первых, PoW имеет хорошо развитый механизм конкуренции между майнерами при добавлении нового блока. Чем быстрее вы решите сложную математическую задачу, известную как Proof-of-Work, тем выше ваши шансы получить вознаграждение.  Это символический входной билет для майнеров, отмечающий их приверженность и вложение вычислительной энергии в блокчейн.

Алгоритм консенсуса гарантирует, что каждый узел сможет убедиться в том, что майнер (в роли которого выступает другой узел, добавляющий новый блок в блокчейн) действительно выполнил необходимые вычисления. Короче говоря, этот процесс представляет собой попытку найти хэш заголовка блока (часть блокчейна, содержащая ссылку на предыдущий блок и суммарное значение транзакций, которые в нем содержатся), который соответствует текущему уровню сложности.

В целом PoW - это процесс, который позволяет всем узлам согласовать единую версию блокчейна, а также подтвердить данные о новых транзакциях в блоке. PoW также отвечает за эмиссию новых монет в блокчейне. 

Несмотря на свою эффективность в достижении консенсуса и обеспечении безопасности, PoW подвергается критике за высокое энергопотребление. Основная претензия заключается в том, что PoW оказывает негативное влияние на окружающую среду. Это одна из причин, по которой участники системы начали искать другие решения. Proof-of-Stake (PoS) стал заметным конкурентом. Он не требует сложного и дорогостоящего оборудования для майнинга, которое потребляет много энергии.

Что такое делегированный Proof-of-Stake?

Delegated Proof-of-Stake (DPoS) - это инновационный механизм консенсуса в блокчейне, который повышает эффективность и масштабируемость системы. Он является производным от Proof-of-Stake (PoS). В 2013 году Дэниел Лаример, американский программист и криптопредприниматель, использовал эту концепцию для создания механизма Delegated Proof-of-Stake (DPoS).

Ключевой элемент DPoS основан на концепции делегирования, которая побуждает участников сети делегировать свои криптовалютные ставки другим участникам, известным как делегаты. Эти делегаты, в свою очередь, выбираются для создания новых блоков и подтверждения транзакций в зависимости от размера переданных им долей.

DPoS - это аналог демократии в блокчейне и более справедливое распределение прав, при котором влияние каждого делегата на голосование равно количеству делегированных ему долей. Таким образом, делегаты активно участвуют в процессах принятия решений, касающихся всех важных аспектов работы сети.

Это может быть очень полезно для тех владельцев криптовалют, которые не хотят активно участвовать в обновлениях сети. Они делегируют свои полномочия, а делегаты выполняют эту часть работы за них, взимая свою комиссию. 

Впервые DPoS была реализована в блокчейн-платформе BitShares, а затем в разных вариантах воплотилась в самых известных криптопроектах EOS, Cardano, Tezos и др. Сегодня функция делегирования стала отраслевым стандартом и используется практически во всех реализациях PoS.

Криптовалюты с использованием механизма Proof-of-Work

По данным CoinMarketCap, на конец августа 2022 года это наиболее успешные примеры криптовалют, использующих механизм Proof-of-Work (PoW):

Bitcoin (BTC): криптовалюта-первопроходец. Консенсус биткоина на основе PoW остается золотым стандартом, который до сих пор вызывает доверие и привлекает внимание инвесторов.

Ethereum (ETH): вторая по величине криптовалюта по рыночной капитализации. За последние 5 лет Ethereum претерпел множество изменений, включая Merge, Sharding и другие трансформации. Это революционный блокчейн, который породил такие концепции, как смарт-контракты, стейблкоины и dApps. 

Dogecoin (DOGE): был создан в качестве маркетингового эксперимента и превратился в гораздо более масштабную идею.  Его неожиданная популярность превратилась в трамплин для роста. На сегодняшний день эмиссия DOGE не ограничена и имеет фиксированный годовой уровень инфляции в 5,2 млрд монет (~3,6%).

Ethereum Classic (ETC): Основанная на форке Ethereum в ответ на взлом DAO, Ethereum Classic выделяется как самостоятельный PoW-проект. Ethereum Classic претерпел множество обновлений программного обеспечения, но все еще имеет некоторые проблемы с масштабируемостью. 

Litecoin (LTC): Это один из старейших и наиболее устойчивых PoW-проектов. Litecoin - это глобальная децентрализованная сеть p2p-платежей, построенная на основе исходного кода Bitcoin. Однако, будучи форком Bitcoin, она имеет некоторые преимущества. Облегченная природа его сети позволяет подтверждать транзакции в 4 раза быстрее, чем блокчейн биткоина.

Monero (XMR): Одно из самых больших преимуществ этого блокчейна - конфиденциальность и анонимность, Monero предлагает пользователям возможность сохранять финансовую тайну.

Bitcoin Cash (BCH): Bitcoin Cash предлагает гораздо больший размер блока - 8 МБ по сравнению с 1 МБ в текущей версии Bitcoin. Ожидается, что размер блока в Bitcoin Cash можно будет настраивать по мере необходимости. В него также встроен механизм безопасности. 

Bitcoin SV (BSV): Еще один форк, который по-прежнему поддерживает все первоначальные принципы биткоина. Хардфорк Bitcoin Cash считается самой «оригинальной» или «чистой» версией биткоина (BTC).

Zcash (ZEC): Защищенный протоколом zk-SNARKs, Zcash обеспечивает повышенный уровень конфиденциальности для своих пользователей.

Kadena (KDA): Этот инновационный PoW-проект ориентирован на потребности бизнеса, предлагая высокую производительность и масштабируемость.

Все эти криптовалюты сегодня формируют ландшафт технологий PoW, предлагая различные возможности и решения для всех типов пользователей и инвесторов. 

Заключение

И PoW, и PoS являются эффективными алгоритмами консенсуса. Однако они различаются по подходу к совершенствованию блокчейн. 

PoW иногда считают устаревшим, но у него есть ряд преимуществ, в том числе повышенная безопасность благодаря сложной концепции майнинга алгоритма.  

PoS популярен благодаря низким комиссионным сборам, концепциям стейкинга и смарт-контрактов, а также децентрализованной природе. Сейчас, когда появляется все больше и больше сетей, мы наверняка увидим новые улучшения и прорывы, связанные с реализацией этих двух алгоритмов.