Алгоритм консенсуса Proof-of-Stake (PoS): как он работает и почему так популярен?

Главное

• Proof-of-Stake (PoS) — самый популярный алгоритм консенсуса в блокчейне, на основе которого построены многие криптовалюты и блокчейн-платформы, например Ethereum, Cardano, Solana, Tezos и Algorand.
• Популярность PoS обусловлена отсутствием необходимости покупать дорогое оборудование для майнинга и возможностью легкого пассивного заработка через стейкинг криптовалют.
• Преимуществом Proof-of-Stake перед другим популярным алгоритмом Proof-of-Work (PoW) является малое потребление энергии для генерации блоков и обеспечения безопасности блокчейна;

Почему и как появился Proof-of-Stake?

При разработке архитектуры блокчейна, который является децентрализованным протоколом для переводов с постоянно обновляемой базой данных, возникает два ключевых вопроса:

• кому и по какому принципу предоставить право генерировать новые блоки;
• как будут одобряться транзакции для обеспечения защиты от двойных трат и прочих злоупотреблений.

Решение этих вопросов привело к появлению нескольких механизмов консенсуса, то есть наборов правил, по которым участники децентрализованной сети договариваются о том, как именно транзакции могут быть утверждены и включены в новые блоки.

Создатель биткоина Сатоши Накамото в октябре 2008 года в white paper первой криптовалюты предложил механизм Proof-of-Work («доказательство работы»). 

Согласно PoW, операторы нод децентрализованной сети (майнеры) в режиме свободной конкуренции решают ресурсоемкие математические задачи — поиск хэша блока методом подбора. В случае успеха победивший майнер или пул получает возможность добавить найденный блок, а взамен получает награду — новые биткоины.

Уже спустя пару лет после запуска биткоина стало понятно, что принцип работы Proof-of-Work приводит к постоянному росту майнинговой мощности, следовательно, и затрат на электроэнергию. Кроме того, из-за необходимости использования мощного оборудования снижалась доступность майнинга.

11 июля 2011 года на популярном тогда форуме о криптовалютах Bitcointalk была предложена идея альтернативного механизма консенсуса для биткоина, который получил название Proof-of-Stake, или «доказательство доли владения». 

Предлагалось, что право голоса в децентрализованной сети должны получить все ее участники в соответствии с тем, какой долей общего количества монет они владеют.

Уже в августе 2012 года этот новый механизм консенсуса получил первое практическое воплощение в криптовалюте PPCoin. Новые монеты распределяли через майнинг, а транзакции могла обрабатывать любая нода, хранившая криптовалюту PPC. Та же гибридная схема консенсуса использовалась и в других ранних PoS-проектах, например в Gridcoin и Blackcoin. Первой «чистой» PoS-криптовалютой без майнинга стал блокчейн Nxt, запущенный 24 ноября 2013 года.

Механизм консенсуса Proof-of-Stakе оказался настолько удачным и гибким, что в последующие годы его внедрили в сотнях криптовалют в разных вариантах и модификациях.

Принцип работы Proof-of-Stake

Согласно изначальной концепции Proof-of-Stakе, право на управление блокчейном предоставляется всем его участникам в соответствии с долей монет, которыми они владеют.

Например, в криптовалюте Nxt с ее «каноническим» механизмом PoS шанс сформировать очередной блок есть у всех пользователей, имеющих в официальном кошельке NXT Client не менее 1002 NXT в течение последних 1440 блоков. При этом каждый кошелек фактически является полным узлом (нодой) и хранит собственную копию блокчейна. Такой кошелек может быть запущен как на высокопроизводительном сервере, так и на ноутбуке, микрокомпьютере Raspberry Pi и даже в облачном сервисе.

Чем больше монет в кошельке NXT, тем больше вероятность, что он получит право сформировать новый блок, и тогда пользователю достанутся все комиссии за транзакции, попавшие в данный блок. В идеальном случае кошелек, который владеет 1% монет, будет формировать 1% всех новых блоков.

Процесс создания блоков в Nxt и других ранних PoS-криптовалютах получил название «форджинг» (т.е. «ковка), однако к настоящему времени этот термин применяется редко.

Процесс удержания криптовалюты в кошельке для получения вознаграждения за участие в обеспечении безопасности сети называется «стейкинг». Сегодня во многих PoS-криптовалютах отправка монет в стейкинг подразумевает их блокирование в специальном смарт-контракте с невозможностью перемещения в течение определенного времени, от нескольких часов до нескольких недель.

Как делегирование монет повлияло на производительность PoS

Использование механизма Proof-of-Stakе, когда производителем блоков может практически любой держатель криптовалюты, позволяет добиться высокого уровня децентрализации и безопасности блокчейна. Однако, согласно трилемме блокчейна, при этом приходится жертвовать производительностью. В упомянутой сети криптовалюты Nxt пропускная способность составляет всего 4 транзакции в секунду, что заметно ниже, чем у многих криптовалют, использующих консенсус PoW. Например, Dogecoin обрабатывает 33 транзакции в секунду.

Чтобы найти компромисс между децентрализацией и производительностью, предложили концепцию делегирования, когда со множества кошельков монеты вместе с правом голоса могут передаваться немногим вычислительным нодам.

В 2013 году Дэниэл Лаример, американский программист и криптопредприниматель, использовал эту концепцию для создания механизма Delegated Proof-of-Stake (DPoS). Впервые он был реализован в блокчейн-платформе BitShares, а затем в разных вариантах воплощен в известнейших криптопроектах EOS, Cardano, Tezos и т.п. Сегодня функция делегирования стала отраслевым стандартом и используется практически во всех имплементациях PoS.

В DPoS владельцы криптовалюты могут сами не участвовать в работе сети, но передавать для этого свои монеты валидаторам — профессиональным участникам, управляющим нодами блокчейна. Взамен те обязуются начислять владельцам монет награды, часто — за вычетом небольшой комиссии.

В разных блокчейнах, в зависимости от их архитектуры, число валидаторов, участвующих в производстве блоков, значительно отличается:

• Polkadot — до 16;
• BNB Chain и EOS — 21;
• Near — 100;
• Cardano — около 3200;
• Avalanche – около 1200;
• Solana — более 3400.
• Ethereum – более 400 тысяч.

Как правило, для запуска валидатора требуется специальное оборудование с постоянным доступом в интернет, а также значительная сумма нативных монет сети. Например, валидатор в сети Ethereum должен иметь не менее 32 ETH, а валидатор Tezos — не менее 8000 XTZ.

Proof-of-Stake и стейкинг

Для компенсации затрат вычислительных узлов по проверке транзакций и генерации новых блоков в большинстве PoS-блокчейнов предусмотрено вознаграждение, которое выплачивают в нативных монетах данной сети. Как правило, его размер за каждый блок фиксирован, но может меняться в зависимости от текущих параметров сети.

Например, в блокчейн-платформе Tron cуперпредставитель (так в данном случае называется валидатор), который сгенерировал очередной блок и обработал транзакции, получает 32 ТRX. Частью этой суммы он делится с пользователями, которые положили свои TRX в стейкинг и таким образом проголосовали за него. 

Доходность стейкинга для валидаторов и держателей монет определяется двумя факторами:

• скоростью эмиссии, которая определяется фиксированным значением монет, выдаваемых на каждый новый блок;
• долей монет в обращении, которые заблокированы в стейкинге (Staking Ratio);

Например, если в год через стейкинг выпускают 1 млн монет при общем предложении 100 млн монет, то доходность стейкинга при 50% заблокированных монет составит 2% годовых. Если же в стейкинге заблокировано 25% предложения, то доходность увеличивается вдвое, до 4% годовых.

Какие разновидности Proof-of-Stake существуют

На принципах PoS и делегирования разработано множество механизмов консенсуса, которые различаются рядом нюансов, например, распределением ролей между участниками децентрализованной сети.

Приведем некоторые из них:

• Leased Proof-of-Stake (LPoS, «арендованное доказательство доли») — используется в блокчейне Waves, где пользователи за вознаграждение сдают свои монеты в аренду валидатору;
• Nominated Proof-of-Stake (NPoS, «номинированное доказательство доли») — используется в блокчейн-платформе Polkadot и предполагает наличие так называемых номинаторов, которые вносят залоги за валидаторов и отвечают за их добросовестность;
• Pure Proof-of-Stake (PPoS, «чистое доказательство доли») — применяется в сети Algorand, где валидаторы следующего блока тайно и случайным образом выбираются среди всех кошельков с балансом более 1 ALGO;
• Effective Proof-of-Stake (EPoS, «эффективное доказательство доли») — применяется в блокчейн-платформе Harmony. Имеет особый механизм распределения вознаграждений, поощряющий запуск множества мелких валидаторов вместо малого числа крупных, что стимулирует децентрализацию;
• Proof-of-Authority (PoA) — гибридный алгоритм, который сочетает доказательство доли и репутацию валидаторов, каждый из которых должен быть одобрен разработчиками. В PoA валидатор должен проходить процедуру верификации личности, схожую с KYC. Данный алгоритм использует BNB Chain.

Возможен ли переход на Proof-of-Stake биткоина и других криптовалют?

Высокая энергозатратность майнинга криптовалют, работающих на алгоритме PoW, уже много лет является предметом критики. Согласно недавним исследованиям Кембриджского центра альтернативных финансов, майнинг биткоина ответственен за выброс 0,1% всего антропогенного углекислого газа.

Именно этот фактор стал одним из главных аргументов при попытках запрета майнинга в разных странах. Так, к концу 2021 года майнинг криптовалют запретили в Китае. В марте 2022 года Европарламент вынес на голосование вопрос о запрете криптовалют. Хотя законопроект не поддержали, он обозначил тенденцию к выдавливанию PoW из легального поля.

После успешного перехода сети Ethereum на консенсус Proof-of-Stake 15 сентября 2022 года энергопотребление сети снизилось почти в 2000 раз или на 99,95%. В связи с этим с новой силой развернулось обсуждение перехода популярных PoW-криптовалют на PoS.

Еще в декабре 2021 года разработчики мем-криптовалюты Dogecoin объявили о скором ее переходе на алгоритм Proof-of-Stake. Помогать им в этом процессе решил Виталик Бутерин, соучредитель Ethereum.

Компания Electric Coin Company, разработчик анонимной криптовалюты Zcash, также обсуждает с сообществом перспективы перехода на PoS. По словам основателя компании Зуко Уилкокса, это не только повысит безопасность и энергоэффективность блокчейна, но и поможет привлечь владельцев ZEС к управлению протоколом.

Наибольшие сомнения вызывает возможность перехода на PoS в случае биткоина.

Во-первых, у первой криптовалюты не существует единого разработчика. Несколько независимых групп разработчиков ведут обсуждения всех предполагаемых нововведений, так что даже внедрение даже самых незначительных из них вызывает ожесточенные споры и занимает годы. 

Во-вторых, переход на PoS не поддержат майнинговые пулы, которым этот шаг грозит потерей доходов. Примечательно, что еще в 2020 году группа разработчиков запустила форк BitcoinPoS, который криптосообщество просто проигнорировало.

В свою очередь, сторонники PoW указывают на больший уровень безопасности этого алгоритма: при текущем, крайне высоком уровне децентрализации сети биткоина она практически неуязвима к внешним атакам.

Что еще почитать

Как работает майнинг биткоина?

Что такое MEV в Ethereum и как он изменится после перехода на PoS

Что такое Ethereum Classic и криптовалюта ETC?

Что такое дерево Меркла?

Блокчейн и криптовалюта Filecoin (FIL): что это и как работает

Что такое Velas?