Что такое Proof-of-Work и Proof-of-Stake?

Proof-of-Work и Proof-of-Stake — два наиболее известных алгоритма консенсуса в криптовалютах. Они предлагают отличающиеся по своей структуре механизмы доказательства проделанной работы.

Proof-of-Work (pow – дословно: доказательство работы) — алгоритм защиты распределенных систем от злоупотреблений (DoS-атак, спам-рассылок и т.д.), суть которого сводится к двум основным пунктам:

1. необходимости выполнения определенной достаточно сложной и длительной задачи;
2. возможности быстро и легко проверить результат.

PoW-задачи изначально не предназначены для человека, их решение компьютером всегда достижимо в конечные сроки, однако требует больших вычислительных мощностей. При этом проверка полученного решения требуется гораздо меньше ресурсов и времени.

Впервые концепция Proof-of- Work была описана в 1993 году в работе «Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology» (авторы – Синтия Дворк и Мони Наор). И хотя сам термин в статье еще не использовался, авторы предложили следующую идею:

«Чтобы получить доступ к общему ресурсу, пользователь должен вычислить некоторую функцию: достаточно сложную, но посильную; так можно защитить ресурс от злоупотребления».

В 1997 году Адам Бэк запустил проект Hashcash, посвященный той же защите от спама. Задача формулировалась следующим образом: «Найти такое значение x, что хеш SHA(x) содержал бы N старших нулевых бит».

Система предлагала хеширование частичной инверсии при отправке по электронной почте. Для расчета соответствующего заголовка требуется около 2⁵² хеш-вычислений, которые надо пересчитывать для каждой отправки. И если для отправки нескольких обычных писем дополнительные расчеты препятствий не создают, то отправку спама необходимость постоянного пересчета делает очень ресурсоемкой. При этом проверка корректности вычисленного кода осуществляется очень быстро: используется однократное вычисление SHA-1 с заранее подготовленной меткой.

В 1999 году появляется и сам термин Proof-of-Work – использован он был в статье «Proofs of Work and Bread Pudding Protocols» (авторы – Маркус Якобссон и Ари Джуелс) в журнале Communications and Multimedia Security.

В сети bitcoin механизм PoW был использован как средство достижения консенсуса (единого мнения о том, какую версию блокчейна считать верной). При этом за основу создатель первой криптовалюты Сатоши Накамото взял идею упомянутого выше проекта Hashcash, добавив к ней механизм изменяющейся сложности — уменьшение или увеличение N (требуемого числа нулей) в зависимости от суммарной мощности участников сети. Вычисляемой функцией стала SHA-256.

Если говорить простыми словами, механизм PoW обеспечивает способность узла сети (ноды) проверить, что майнер (в роли которого выступает узел, добавляющий новый блок в блокчейн) фактически выполнил расчеты. Данный процесс включает в себя попытку найти хеш заголовка блока (часть блокчейна, которая содержит ссылку на предыдущий блок и суммированное значение транзакций, в него включенных), который будет по своему значению соответствовать текущему уровню сложности.

Эти вычисления могут производиться только в интерактивном режиме, и сложность устанавливается на таком уровне, что она действительно оказывается сложной. В то же время проверка результатов вычислений остается простой. Узлы всегда могут удостовериться, что майнер нашел корректное значение, однако, поскольку процесс нахождения блока весьма трудозатратен и случаен, невозможно с точностью предсказать какой именно майнер решит задачу и найдет блок.

Для того, чтобы система признала блок валидным, необходимо, чтобы значение его хеша было меньшим по сравнению с текущей целью. Таким образом, каждый блок показывает, что была проделана определенная работа по его нахождению.

Каждый блок содержит хеш предыдущего блока, образуя цепь. Изменить блок невозможно – возможно лишь создать блок на той же высоте, который будет содержать в себе хеш предыдущего блока. Для проведения такого процесса необходимо проделать работу по нахождению всех предыдущих блоков. Высокая сложность этого процесса защищает блокчейн от несанкционированного доступа и двойных трат.

Proof-of-Work биткоина породил целую индустрию майнинга и стал импульсом к разработке специализированного оборудования, поскольку вычислительные ресурсы, расходуемые на хеширование блоков, огромны и намного превышают мощности крупнейших суперкомпьютеров.

В то же время не обошлось и без пресловутой «обратной стороны медали»: достаточно быстро PoW превратился в монстра, пожирающего электричество в гонке за прибыльностью майнинга. В 2012 году суммарная мощность сети Bitcoin уже превышала по производительности самый мощный суперкомпьютер в мире, а на горизонте появилась и первая альтернатива – Proof-of-Stake.

Альтернативный механизм консенсуса, впервые реализованный в 2012 году в криптовалюте PPCoin (сейчас известна под названием PeerCoin). Идея состоит в использовании «доли» (stake) в качестве ресурса, который определяет, какая именно нода получает право добычи следующего блока.

В подходе Proof-of-Stake ноды также пытаются хешировать данные в поисках результата меньше определенного значения, но сложность в данном случае распределяется пропорционально и в соответствии с балансом данного узла. Иными словами — в соответствии с количеством монет (токенов) на счету пользователя.

Таким образом, больше шансов сгенерировать следующий блок имеет узел с большим балансом. Схема выглядит достаточно привлекательно прежде всего из-за небольших требований к вычислительным ресурсам, а также потому, что не стоит вопрос «потраченных впустую» мощностей.

Как правило, в пользу использования PoS приводятся следующие аргументы:

• Для проведения атаки требуются значительные средства, что делает ее нецелесообразной с финансовой точки зрения.
• Одновременно с этим, если в распоряжении атакующего имеется большое количество токенов, он сам пострадает от атаки, поскольку это нарушит устойчивость криптовалюты.

Аргументы, вызывающие опасения:

• PoS дает дополнительную мотивацию к накоплению средств в одних руках, что может негативно сказаться на децентрализации сети.
• Если образуется небольшая группа, которая соберет у себя достаточно большие средства, она сможет навязывать свои правила работы сети остальным участникам.

Дополнительно можно отметить проблему Nothing-at-Stake (пустой стэк), которая делает PoS-системы по своей природе нестабильными в глазах многих криптовалютных энтузиастов. Атакующий может попытаться сделать форк блокчейна, т. е. создать более длинную альтернативную цепочку посредством расходования «несуществующих» ресурсов. Более того, его могут поддержать другие майнеры, поскольку они также не расходуют «подлинные» ресурсы. Посредством форка атакующий может отклонять определенные транзакции и осуществлять атаку «двойной траты».

Споры между сторонниками Pow и PoS длятся уже долгое время, но природа этих споров больше теоретическая. Практика показывает, что роль разработчика в вопросах обеспечения безопасности по-прежнему очень высока.

В то же время многие считают наиболее безопасным решением гибридный вариант PoS- и PoW-систем. Такой подход уже активно практикуется — у многих криптовалют существует этап PoW, когда валюта выпускается через классический майнинг, и этап PoS, наступающий после завершения эмиссии.

Тем не менее, несмотря на то, что PoS-системы всегда будут более легкими для имплементации и в целом такими же надежными с точки зрения безопасности, большинство серьезных криптовалют, скорее всего, не станут отказываться от PoW.

Proof-of-Work и Proof-of-Stake можно считать двумя наиболее популярными алгоритмами консенсуса в мире криптовалют, однако помимо них, существует еще целый ряд механизмов, имеющих собственные тонкости и особенности.

Их список может оказаться достаточно большим, поэтому перечислим несколько наиболее известных:

• Proof of Activity (доказательство активности) — стандартная гибридная схема, совмещающая PoW и PoS;
• Delegated Proof of Stake (делегированное подтверждение доли) — общий термин, описывающий эволюцию базовых консенсус-протоколов на основе подтверждения доли. DPoS используется в BitShares, а также в предложенных алгоритмах, таких как Slasher и Tendermint;
• Proof of Burn (доказательство сжигания) — «сжигание» происходит путем отправки монет на такой адрес, с которого гарантированно нельзя их потратить. Избавляясь таким образом от своих монет, пользователь получает право на пожизненный майнинг, который также устроен как лотерея среди всех владельцев сожженных монет;
• Proof of Capacity (доказательство ресурсов) — реализация популярной идеи «мегабайты как ресурсы». Необходимо выделить существенный объем дискового пространства, чтобы включиться в майнинг;
• Proof of Storage (доказательство хранения) – похожая на предыдущую концепция, при которой выделенное место используется всеми участниками как совместное облачное хранилище.

— ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА НАШ КАНАЛ В ТЕЛЕГРАМЕ @WHATTONEWS