Delegated-Proof-of-Stake
как альтернатива PoW и PoS:
сравнение и перспективы

Что такое алгоритм консенсуса
и зачем он нужен?

Алгоритм консенсуса — один из основных параметров
блокчейн-системы наравне с хэш-функциями, размером
блока и пропускной способностью сети. В информатике
алгоритмом консенсуса называют метод, с помощью
которого распределенные узлы в сети достигают согласия
относительно элемента данных.

Проблема согласия между узлами распределенной сети обсуждается как минимум с 1960-х годов — с начала изучения распределенных и параллельных вычислений. В апреле 1985 года Фишер, Линч и Паттерсон опубликовали одну из важнейших работ в области распределенных систем — «Невозможность распределенного консенсуса с одним дефектным процессом».

Без алгоритма консенсуса узлы блокчейн-системы не смогут решить, какие транзакции можно считать действительными и кому достанется награда за их обработку.

Представьте, что компания друзей каждую пятницу после работы долго спорит о том, куда пойти. В итоге они тратят на это все свое время. Чтобы решить, кто и как будет выбирать место встречи, им нужен алгоритм консенсуса.

Эволюция алгоритмов консенсуса в блокчейн-системах

Первым алгоритмом консенсуса, задействованным в блокчейн-системе, стал Proof-of-Work (PoW). На PoW основан блокчейн биткоина. Идея такого алгоритма была впервые описана в 1993 году в научной работе Синтии Дуард и Мони Наора о методике борьбы с email-спамом.

Proof-of-Work — это функция, которую сложно вычислить, но результаты вычислений просто проверить. В случае со спамом компьютер позволяет рассылать сотни тысяч сообщений каждый день. Согласно предположению Дуард и Наора, если на каждое сообщение нужно потратить 10 секунд вычислений, разослать больше 8640 не удастся.

Алгоритм PoW приобрел широкую известность после публикации whitepaper биткоина в 2008 году. Там PoW служит препятствием двойному расходованию монет. Для создания нового блока транзакций участнику нужно путем подбора найти число, которое вместе с информацией об этом блоке даст подходящее правилам сети значение хэш-функции SHA256. То есть скорость добычи новых биткоинов — майнинга — полностью зависит от вычислительной мощности и удачи. Изначально биткоин-майнингом занимались энтузиасты на домашних компьютерах, но с популяризацией первой криптовалюты ее добычей стали заниматься целые компании. По потреблению энергии сеть биткоина сравнялась с Чехией.

В 2012 году Санни Кинг и Скотт Надал из проекта Peercoin представили Proof of Stake (PoS) — альтернативу PoW и решение проблемы больших затрат электричества на майнинг биткоина. Однако идея PoS была упомянута еще в 2011 году на форуме Bitcointalk. Вместо майнинга в PoS участники сети замораживают в кошельках определенное количество токенов. После этого алгоритм выбирает среди участников следующего блок-продюсера в зависимости от размера ставки. Таким образом участники подкрепляют добросовестность не затратами на вычисления, а напрямую активами внутри сети.

Тем не менее для PoS актуальна проблема Nothing at Stake (англ. Ничего на кону). В случае форка участники могут выступать валидаторами в обеих цепях без дополнительных затрат. Из-за этого растет вероятность частых форков в системе, что обесценивает криптовалюту и дискредитирует систему.

Алгоритмы PoW и PoS оставляли пространство для монополий. Участники с бо́льшими вычислительными мощностями в PoW и участники с бо́льшим запасом токенов в PoS получают больше прибыли и власти над системами.

В 2013 году Дэниел Лаример разработал Delegated-proof-of-stake (DPoS) — разновидность PoS, схожую по принципу с представительной демократией современных стран. В DPoS-системах участники используют свои токены, чтобы выбирать валидаторов, которые проверяют и добавляют блоки за вознаграждение. Алгоритм был задействован Ларимером в его блокчейн-проектах: BitShares, затем в Steem и EOS.

Рассмотрим эти алгоритмы на примере с выбором места встречи.

С алгоритмом PoW каждый, кто хочет предложить свой вариант досуга, начинает приседать. Кто первый присядет 50 раз, тот и выбирает, а все остальные соглашаются с его решением. Никто ведь не будет так себя истязать, чтобы предложить плохой вариант.

C PoS решение принимает тот, кто готов поставить больше денег на то, что его вариант всем понравится. Однако если остальные друзья разочаруются, ставку вернут, потому единственная мотивация выбирать хорошо — желание поддерживать хорошее настроение в компании.

С DPoS друзья голосованием выберут нескольких самых опытных друзей, которые на протяжении месяца будут поочередно выбирать заведение для всей компании. Если чей-то вариант окажется плохим, на его место выберут другого человека, а старый останется с пятном на репутации.

Популярно о DPoS

Фундаментальное отличие алгоритмов PoS, DPoS и PoW — принцип выбора участника, которому достанется право добавить в цепь новый блок. В сетях с PoW желающие добавить блок наперегонки решают криптографическую головоломку, а первый разгадавший добавляет свой блок и получает вознаграждение. В PoS участники ставят на кон токены, чтобы получить шанс добавить блок. Чем больше ставка — тем больше шансов. Но если в PoW майнеры получают предопределенную награду за создание блока и комиссии с каждой вошедшей в блок транзакции, в PoS вознаграждение ограничивается только комиссиями с транзакций.

В случае с DPoS участники по собственному желанию выдвигают кандидатуры на роль валидатора — полного узла сети, который проверяет и добавляет блоки за вознаграждение. Остальные участники голосуют за кандидатов токенами, а вес голосов распределяется согласно количеству внесенных монет. По результатам голосования формируется пул валидаторов. Специальный алгоритм формирует очередь валидаторов и поочередно дает им время на добавление блока. Если узел не успевает добавить блок, право переходит следующему участнику в очереди. Когда очередь кончается, алгоритм заново формирует пул валидаторов и распределяет места.

Работу алгоритма DPoS можно обобщить до нескольких этапов:

Держатели токенов выбирают валидаторов.

Алгоритм отбирает N валидаторов.
N — заранее установленное число
валидаторов в очереди.

Валидаторы проверяют и добавляют
блоки согласно очереди.

Если никто из проголосовавших
участников не перераспределил свои
токены, алгоритм снова формирует
очередь из того же пула валидаторов.
Если распределение токенов-голосов
изменилось, пул формируется из N
новых лидеров и цикл замыкается.

Алгоритм распределяет места в
очереди среди выбранных
валидаторов так, что никто из
участников не может предугадать
порядок в очереди, но результат
всегда будет одинаковым при равных
вводных данных. Так, каждый из узлов
способен независимо от других
участников просчитать ту же самую очередь.

В любое время голосующие участники могут
отозвать свои токены-голоса и внести их как
ставку за другого валидатора. Если валидатор
попытается блокировать транзакции в блоке или
попробует иначе «обойти» правила, к следующему
циклу его не выберут в пул, а репутация такого
валидатора пострадает.

Валидаторы конкурируют только за голоса держателей токенов, и это происходит вне сети. Попав в пул, валидаторы заинтересованы в сотрудничестве и нормальной работе блокчейна. Механизм вознаграждения валидаторов зависит от проекта: процент от эмиссии новых монет или от комиссий за транзакции, фиксированная сумма и т.д. Кроме того, есть вариации алгоритма DPoS с разными количеством валидаторов в пуле, порогом вхождения на роль валидатора и вознаграждениями.

Разработчики Minter создали модифицированную версию DPoS с акцентом на доступность майнинга — MDPoS. Благодаря MDPoS в сети Minter можно делегировать не только нативные токены, но и монеты, созданные пользователями.

Разработчики подчеркивают, что отсутствие связанных с PoW-майнингом расходов на электричество и оборудование, возможность делегировать любые монеты в сети и низкий финансовый порог вхождения на роль валидатора — это логичное развитие подхода к майнингу криптовалют.

Сравнение алгоритмов консенсуса PoW, PoS, BFT DPoS и MDPoS.

Преимущества DPoS

Основные преимущества DPoS — демократичная форма управления, масштабируемость и сравнительно низкие затраты энергии на обслуживание сети.

Гибкая форма ончейн-управления

DPoS можно назвать формой ончейн-самоуправления. Это гибкий вариант репрезентативной демократии: участники выбирают делегатов (валидаторов) и могут в любой момент отозвать и перераспределить свои голоса. Возможность произвольно отстранять и выбирать валидаторов оставляет реальную власть в руках всех держателей токенов. Сами валидаторы выступают своего рода наемными работниками, которые получают компенсацию за добросовестную обработку данных.

Мы предложили эксперту из команды Minter прокомментировать такую модель управления.

Кроме контроля над пулом валидаторов, своими голосами
участники сети контролируют технические параметры системы:
размер блока, хардфорк сети, вознаграждение валидаторов и их
общее количество.

Задача масштабируемости блокчейн-сети — оптимизация трех связанных параметров. Она описывается так называемой трилеммой масштабируемости, предложенной Виталиком Бутериным. Согласно трилемме, блокчейн может показывать хороший результат только по двум из трех параметров:

• безопасность — уязвимость к манипуляциям недобросовестных узлов;
• децентрализация — общее число блок-продюсеров;
• масштабируемость — общая скорость обработки и финализации транзакций сетью.

Для повышения скорости обработки транзакций система должна пожертвовать либо децентрализацией, либо безопасностью. Это похоже на ситуацию, когда заказчик хочет, чтобы работа была выполнена качественно, быстро и недорого, но на деле можно выбрать только два пункта из трех.

Экономия ресурсов

В долгосрочной перспективе важно, что
блокчейн-системы на основе DPoS
потребляют существенно меньше энергии,
чем их аналоги на PoW.

Простыми словами, валидаторы в DPoS
используют свою вычислительную
мощность непосредственно для обработки
транзакций, а PoW-майнеры тратят
большую часть мощностей и энергии на
решение головоломки, и это нужно только
для соответствия искусственным условиям
системы.

Для сравнения, энергозатраты на
обслуживание блокчейна Bitcoin сравнимы
с энергозатратами небольшого
государства.

Недостатки DPoS

Системы на базе DPoS критикуют из-за деанонимизации валидаторов, возможной централизации производства блоков и специфики модели управления.

Деанонимизация валидаторов

В DPoS-системах личности валидаторов известны. Чаще всего это не отдельные люди, а компании, которые должны поддерживать репутацию и представлять себя голосующим участникам сети, чтобы конкурировать за право добавлять блоки.

Учитывая, что порядок обработки блоков и личности валидаторов известны, злоумышленник может провести DDoS-атаку на валидаторов. Чем больше валидаторов подвергнутся атаке, тем заметнее будут возможные задержки в сети. Однако шансы, что злоумышленник сможет вывести из строя большинство узлов, невелики. Кроме того, валидаторы могут использовать устойчивость к DDoS как конкурентное преимущество.

В ответе на заявление Бутерина Дэниел Лаример упомянул, что Ethereum и Bitcoin уже подвергались DDoS-атакам, а Steem и BitShares выстояли, несмотря на попытки перегрузить сеть. Лаример также уточнил, что сеть Ethereum можно вывести из строя, атаковав всего 7 узлов, которые контролируют 90% вычислительной мощности, и все эти узлы хорошо известны правительствам и интернет-провайдерам.

Централизация

Блокчейн-системы на основе
DPoS называют более
централизованными с точки
зрения количества полных
узлов, которые верифицируют
и добавляют блоки. В NEO
работает 7 валидаторов, а в
Ethereum количество узлов
превышает 13 000.

С другой стороны, нельзя судить
о степени централизации по
одной метрике. В PoW-системах
Ethereum и Bitcoin значительный
вклад в создание блоков вносят
несколько крупных
майнинг-пулов.

Проблемы демократии

Решение о выборе делегатов-валидаторов в DPoS принимают участники сети. Теоретически они могут выбрать валидатора с хорошей репутацией, но злым умыслом. Как только недобросовестные намерения раскроются, голосующие участники исключат такого валидатора из пула, но злоумышленник может успеть вызвать перебои в работе сети.

Как и любая избирательная система, выбор валидаторов в DPoS-сети требует внимания со стороны голосующих. У участников с небольшим количеством токенов, а значит и сопоставимо небольшим влиянием на исход голосования, нет мотивации тратить время на изучение всех делегатов.

Неоднозначная мораль
и перспективы DPoS

Баланс между скоростью обработки транзакций, безопасностью и децентрализацией кажется игрой с нулевой суммой. PoW жертвует масштабируемостью, но при этом он — наиболее безопасный и децентрализованный алгоритм консенсуса как минимум в теории. PoS неплохо масштабируется, но подвергается критике из-за централизации. DPoS потенциально обгоняет PoS по масштабируемости, но и его критикуют за опасность централизации.

Создатель биткоина стремился создать некий прообраз цифровой демократии, где каждый пользователь будет иметь один голос. Кем бы ни был Сатоши, он отказался от голосования через IP, понимая, как легко один человек может завладеть большим количеством IP и подчинить себе сеть.

Однако он не ожидал, что биткоин вырастет в цене настолько, что участникам сети станет выгодно содержать гигантские фермы для майнинга. Успех системы превзошел ожидания создателя, и его предосторожности не сработали. Несколько компаний с промышленными вычислительными мощностями практически контролируют сеть биткоина. В 2014 году крупнейший на тот момент майнинг-пул GHash.io почти на сутки собрал под своим контролем 55% всей вычислительной мощности.

Идеологические споры о централизации и децентрализации — вечная тема для криптосообщества. Однако сейчас становятся популярными решения с акцентом не на децентрализации, а на масштабируемости и универсальности. Алгоритм DPoS и его производные — один из путей к этим преимуществам.

DPoS называют «цифровой демократией». Но такому режиму присущи и злоупотребления. Например, обладая значительным ресурсом, можно бесконечно переизбирать себя валидатором, что дает бо́льший контроль над сетью, чем обладание значительным ресурсом в PoS-системах.

В то же время создатель DPoS Дэниел Лаример считает именно этот алгоритм самым жизнеспособным в рыночных условиях.

Споры о вреде централизации вряд ли утихнут в ближайшие
годы, а алгоритм DPoS, несмотря на критику, уже зарекомендовал
себя как жизнеспособное решение. Пусть не настолько
привычное и проверенное как PoW, но масштабируемое
и актуальное для бизнеса.