Proof-of-Stake (PoS) в криптовалютах

Proof-of-Stake (PoS, доказательство доли владения) — это алгоритм консенсуса, реализованный в сетях блокчейна в качестве альтернативы механизму Proof-of-Work (PoW). В то время как PoW требует от узлов (майнеров) решения сложных математических задач для валидации транзакций и создания новых блоков, PoS позволяет человеку валидировать транзакции блока в зависимости от количества монет, которыми он владеет и готов заблокировать в качестве залога. Эта фундаментальная смена не только изменяет процесс достижения консенсуса в блокчейне, но также влияет на энергоэффективность, безопасность и доступность сети. Ниже мы подробно рассматриваем тонкости PoS, его преимущества, проблемы и различные связанные концепции.

Основы Proof-of-Stake

Традиционный Proof-of-Work (PoW)

Чтобы понять PoS, важно сопоставить его с PoW. В сетях на базе PoW, таких как Bitcoin, майнеры соревнуются в решении криптографических головоломок для валидации транзакций и добавления новых блоков в блокчейн. Этот процесс требует огромной вычислительной мощности и энергозатрат. Шансы на майнинг блока напрямую связаны с вычислительной мощностью, доступной майнеру, что приводит к централизации майнинга в руках субъектов, которые могут позволить себе специализированное высокопроизводительное оборудование.

Концептуальная основа Proof-of-Stake

С другой стороны, PoS определяет создателя следующего блока детерминированным способом, в зависимости от благосостояния или возраста (то есть доли), а не от вычислительной мощности. Чем больше токенов держит пользователь и чем дольше он готов их стейкать, тем выше вероятность того, что этот пользователь будет выбран для валидации транзакций и создания следующего блока. Это резко снижает энергопотребление, необходимое для поддержания сети.

Детальная механика PoS

Стейкинг

Стейкинг — это процесс, посредством которого держатель криптовалюты блокирует определенное количество своих монет в сети. Эти средства выступают в качестве залога для обеспечения добросовестного поведения, поскольку ненадлежащее поведение может привести к потере заблокированных средств. Пользователи, которые стейкают свои токены, стимулируются действовать в лучших интересах сети, так как это максимизирует их шансы быть выбранными для валидации следующего блока и получения вознаграждений.

Выбор валидатора

В PoS валидаторы (аналог майнеров в PoW) выбираются на основе различных факторов, таких как количество заблокированной доли, время, в течение которого доля была заблокирована, процессы рандомизации и другие специфичные для сети параметры. Существует несколько методов выбора валидаторов:

Рандомизированный выбор блока: В этом методе валидаторы выбираются на основе их доли и процесса рандомизации. Точный механизм может варьироваться в зависимости от реализации. Например, сеть может использовать алгоритмы, которые используют псевдослучайные числа для выбора валидаторов.
Выбор по возрасту монеты: Здесь валидаторы выбираются на основе количества удерживаемых токенов и длительности (возраста), в течение которой они удерживались в стейке. Возраст монеты рассчитывается путем умножения количества токенов на количество дней, в течение которых они были застейканы.
Гибридные подходы: Некоторые сети используют смесь PoW и PoS или других тонких вариаций для повышения безопасности и схем стимулирования. Примеры включают Delegated Proof-of-Stake (DPoS) или Leased Proof-of-Stake (LPoS).

Вознаграждения и стимулы

Валидаторы получают вознаграждения за свое участие в сети. Вознаграждения обычно поступают в двух формах:

Вознаграждения за блок: Новые монеты чеканятся и выдаются валидаторам, которые успешно создают новые блоки.
Комиссии за транзакции: Валидаторы также зарабатывают комиссии за транзакции, включенные в блоки, которые они валидируют.

Дизайн гарантирует, что участники стимулируются вести себя этично и поддерживать безопасность сети, поскольку нечестное поведение может подвергнуть риску их заблокированные средства и будущие вознаграждения.

Преимущества PoS

Энергоэффективность

Одним из основных преимуществ PoS перед PoW является энергоэффективность. Сети PoW, такие как Bitcoin, критикуются за высокое энергопотребление, которое является результатом необходимости решения сложных криптографических головоломок. PoS, напротив, устраняет необходимость в вычислительно интенсивных задачах, что приводит к существенно более низкому энергопотреблению. Это делает PoS экологически чистым вариантом. Например, переход Ethereum на PoS в обновлении Ethereum 2.0, по прогнозам, резко снизит его энергопотребление.

Децентрализация

Хотя PoW может привести к централизации из-за необходимости в дорогостоящем оборудовании для майнинга, PoS снижает барьер для входа. Больше пользователей могут участвовать в процессе валидации, просто держа и стейкая токены, поддерживая большую децентрализацию.

Безопасность

Системы PoS обычно более защищены от 51% атак по сравнению с PoW. В PoW атакующему необходимо контролировать 51% общей мощности майнинга, тогда как в PoS атакующему потребуется контролировать 51% общего предложения монет. Приобретение такого большого процента предложения монет экспоненциально сложнее и дороже, чем приобретение вычислительной мощности.

Масштабируемость

PoS также предлагает потенциальные преимущества в масштабируемости. Без необходимости в интенсивных вычислительных усилиях время блока может быть сокращено, а пропускная способность транзакций может быть увеличена. Некоторые сети на базе PoS уже демонстрируют значительно более высокие скорости транзакций и более низкие комиссии, чем их аналоги на базе PoW.

Проблемы и критика PoS

Начальное распределение

Одна из критических замечаний в адрес PoS — это проблема начального распределения монет. Чтобы система PoS была справедливой и безопасной, начальное распределение монет должно избегать сильной централизации. Если небольшое количество субъектов владеет большим процентом монет, они потенциально могут оказывать неправомерное влияние на сеть.

Атаки длинного диапазона

Сети PoS могут быть уязвимы для атак длинного диапазона, когда атакующий создает альтернативный блокчейн, начиная с точки в прошлом. Различные механизмы, такие как контрольные точки и подписи с временными метками, были предложены и реализованы для снижения этого риска.

Проблема Nothing-at-Stake

Проблема Nothing-at-Stake предполагает, что валидаторы могут подписывать несколько конкурирующих цепочек без штрафа, потому что, в отличие от PoW, они не теряют никаких финансовых инвестиций в процессе (то есть нет “работы”, которую можно потерять). Решения этой проблемы включают наказание нечестного поведения путем сокращения части заблокированных монет валидатора.

Централизация стейкинга

Хотя PoS стремится быть более децентрализованным, сеть все еще может столкнуться с рисками централизации, если несколько крупных держателей доминируют в процессе стейкинга. Механизмы, такие как пулы стейкинга и модели делегирования, могут помочь снизить этот риск, но требуют тщательного проектирования и управления.

Известные реализации PoS

Ethereum 2.0

Ethereum является одним из наиболее высокопрофильных проектов, переходящих с PoW на PoS. Обновление Ethereum 2.0 направлено на решение проблем масштабируемости и энергоэффективности. Модель PoS сети включает несколько фаз, включая внедрение Beacon Chain, шардовых цепочек и другие.

Cardano (ADA)

Cardano использует уникальный протокол PoS под названием Ouroboros. Он подчеркивает безопасность, устойчивость и масштабируемость. Cardano также поддерживает пулы стейкинга и делегирование для обеспечения широкого распределения участия.

Polkadot (DOT)

Polkadot использует вариант PoS под названием Nominated Proof-of-Stake (NPoS). Он позволяет держателям токенов участвовать в качестве валидаторов или номинаторов, где номинаторы поддерживают валидаторов и делятся вознаграждениями. Дизайн направлен на обеспечение высокой степени децентрализации и безопасности.

Algorand (ALGO)

Pure Proof-of-Stake (PPoS) Algorand разработан для приоритизации справедливости, немедленной окончательности транзакций и безопасности. В отличие от других систем PoS, протокол Algorand случайно и секретно выбирает валидаторов для повышения безопасности.

Будущие направления и инновации

Гибридные модели

Некоторые сети исследуют гибридные механизмы консенсуса, которые объединяют элементы PoS с другими моделями, такими как PoW или Byzantine Fault Tolerance (BFT), для оптимизации различных аспектов, таких как безопасность, эффективность и децентрализация.

Управление и токенэкономика

Текущие исследования сосредоточены на улучшении механизмов управления и токенэкономики систем PoS для обеспечения надежных процессов принятия решений, справедливого распределения токенов и устойчивых моделей стимулирования для долгосрочного здоровья сети.

Межцепочная совместимость

Системы PoS также играют важную роль в продвижении межцепочной совместимости. Обеспечивая бесшовное взаимодействие между различными сетями блокчейна, PoS стремится способствовать созданию более взаимосвязанной и эффективной экосистемы блокчейна.

Заключение

Proof-of-Stake представляет собой мощную эволюцию в алгоритмах консенсуса блокчейна, решая многие ограничения систем Proof-of-Work. Его энергоэффективность, улучшенная масштабируемость и потенциал для повышения децентрализации делают его многообещающим вариантом для широкого спектра децентрализованных приложений. По мере того как технология созревает и развивается, будет крайне важно решить оставшиеся проблемы и постоянно оптимизировать эти системы для более широкого внедрения и инноваций.