Вступ

Proof-of-Stake (PoS) — це криптоконсенсусний механізм для обробки транзакцій і створення нових блоків у блокчейні. Учасники ставлять токени, щоб стати вузлами. Вузол має можливість стати валідатором, який перевіряє транзакції та отримує винагороду залежно від кількості поставлених токенів.
Усі транзакції в блокчейні записуються в базу даних, відому як Distributed Ledger (DLT), яка записується та тиражується кількома вузлами. Щоб переконатися, що всі дані в книзі правильні, потрібен механізм консенсусу для запобігання зловмисному втручанню даних.
За останні роки багато блокчейн-проектів віддають перевагу Proof-of-stake, він усуває потребу в апаратному забезпеченні та споживанні енергії, які існують у proof-of-work (PoW), водночас захищаючи блокчейн, зобов’язуючи валідаторів робити певну кількість токенів. .

Що таке механізм консенсусу?

Механізм консенсусу — це метод досягнення всіма учасниками розподіленої системи консенсусу щодо єдиного джерела інформації. Централізованій системі не потрібен механізм консенсусу, оскільки відповідальна організація визначає, чи є надані дані дійсними чи ні. Наприклад, у централізованій базі даних лише адміністратор має право додавати, видаляти та змінювати дані, а користувачі, які запитують базу даних, пасивно отримують інформацію від адміністратора.
Розподілена система спирається на співпрацю великої кількості автономних об’єктів (вузлів) для підтримки мережі, а достовірність інформації спільно перевіряється всіма. Навпаки, будь-який вузол може створювати нові блокові записи та перевіряти транзакції в мережі блокчейн. Однак інформація з різних вузлів може бути суперечливою через збої пристроїв, затримки мережі, атаки тощо. Тому потрібен механізм консенсусу, щоб зробити записи даних узгодженими.
У розробці блокчейну найбільш раннім прийнятим механізмом консенсусу є Proof-of-Work (PoW), де достовірність даних підтверджується найвищою обчислювальною потужністю ЦП. Через витрати на електроенергію Proof-of-Stake (PoS) було створено як альтернативу. У PoS дійсність даних підтверджується валідаторами, які роблять найбільшу кількість токенів, що дозволяє різним вузлам у мережі досягти консенсусу.

Що таке PoS?

Ідея proof-of-stake була вперше висунута в 2011 році на Bitcointalk учасником на ім’я QuantumMechanic, а пізніше була розроблена за допомогою інших учасників, зокрема Скотта Надала та Санні Кінг.
У блокчейні PoW транзакції перевіряються вузлами (також званими «майнерами»), які надають обчислювальну потужність для вирішення складних математичних задач, щоб перевірити транзакцію та отримати винагороду за нові блоки. У мережі PoS мережеві вузли (також звані «валідаторами») надають депозити в криптовалюті як заставу, і чим більше застави має вузол, тим більше шансів отримати права на облікові записи та винагороди за блокування.
Щоб запобігти тому, щоб валідатори з найвищими заставами стали фіксованим вузлом для створення нових блоків, для вибору валідаторів також враховуються інші параметри, такі як кількість поставлених токенів, вік монети та випадковий вибір блоку. Вік монети означає, скільки часу минуло з моменту розміщення токенів (останній раз, коли валідатор створив блок). Валідатори зі старшим віком монети, швидше за все, будуть обрані для створення нових блоків. Параметр віку монети дає можливість вузлам із меншою заставою створювати нові блоки та отримувати винагороди.
Загалом Proof-of-Stake (PoS) працює наступним чином:

1. Транзакції, які ще потрібно перевірити, оброблятимуться вузлами. Ці незавершені транзакції завжди зберігаються в пулі, очікуючи на обробку валідаторами, які поставили криптовалюти.
2. Алгоритм вибирає валідатор для створення нового блоку на основі певних параметрів, таких як кількість поставлених жетонів, вік монети, випадковий вибір блоку тощо.
3. Після того як вибраний валідатор перевірить ці незавершені транзакції, створюється новий блок, і ці транзакції можна запакувати.
4. Інші невибрані вузли підтверджують, що новий блок дійсний.
5. Після того, як транзакції в новому блоці будуть перевірені іншими вузлами, новий блок буде додано до мережі блокчейн. І навпаки, новий блок не буде додано, якщо він містить недійсну транзакцію.
6. Коли додається новий блок, валідатор може отримати поставлені токени та отримати винагороду за блок. Якщо алгоритм вибору валідатора враховує вік монети, вік монети цього валідатора буде скинуто до 0. Якщо новий блок буде відмовлено в додаванні, токени, поставлені валідатором, можуть бути зменшені як штраф.
   
   Джерело: coinsentinel.io

Плюси PoS

Багато хто вважає PoS кращим механізмом консенсусу, ніж PoW, з таких причин:

1. Немає необхідності в дорогому обладнанні
   Широкій громадськості легше брати участь у блокчейнах PoS, ніж у PoW, оскільки навіть звичайні ПК можна використовувати як вузли PoS, тоді як у PoW спеціальні комп’ютери з високою обчислювальною потужністю є обов’язковими.

2. Енергоефективними
   Блокчейн Proof-of-Stake не потребує багато енергії. У мережі з підтвердженням роботи майнерам потрібно конкурувати один з одним, щоб першим відкрити нові блоки, під час змагання, викликаного хешуванням, потрібно багато енергії.

3. Висока масштабованість
   Вартість апаратного забезпечення та енергії є основним обмеженням для блокчейнів PoW, коли справа доходить до масштабованості, а вартість додаткового обладнання та енергоспоживання зростатиме експоненціально в міру масштабування мережі. Блокчейни Proof-of-Stake ефективно усувають цю проблему.

4. Привітний до людей, які не знаються на техніці
   Видобуток корисних копалин вимагає значного досвіду. Таким чином, підтвердження роботи призначене більше для установ і професіоналів. Однак навіть звичайні персональні пристрої можуть функціонувати як вузли під PoS.

5. Більш децентралізований
   Proof-of-stake гарантує, що всі вузли, незалежно від кількості, яку вони роблять, можуть ефективно брати участь у мережі блокчейну за допомогою алгоритмів. Однак за PoW більша частина генерації блоків, перевірки транзакцій і розподілу винагороди монополізована майнінговими пулами, і менші вузли ледве можуть конкурувати з ними. Proof-of-Stake є кращим вибором на ринках з довгим хвостом.

6. Більш зелений
   Блокчейни PoS є більш екологічними, ніж блокчейни PoW, оскільки вони не потребують великого енергоспоживання чи інтенсивної конкуренції з обчислювальними ресурсами, тому мають менший негативний вплив на навколишнє середовище.

Чи безпечний PoS?

Незалежно від того, який механізм консенсусу використовується, окрім ефективності вузлів для досягнення консенсусу, безпека залишається одним із найважливіших факторів у мережі. Інакше мережа може бути паралізована зловмисними атаками.
У мережах PoW консенсус досягається за допомогою обчислювальної потужності. Якщо ви можете контролювати понад 51% обчислювальної потужності в мережі блокчейн, ви маєте домінуючий контроль над усією мережею. Зловмисники можуть отримувати прибуток шляхом подвійного витрачання, відмовляючись або змінюючи записи транзакцій або перешкоджаючи іншим майнінгувати. Це відоме як атака 51%.
Однак із розширенням масштабу блокчейну доказів роботи ймовірність 51% атаки зменшується. Для реалізації атаки 51% потрібна велика кількість обладнання для майнінгу, щоб забезпечити обчислювальну потужність, і виникнуть високі витрати енергії. Якщо винагорода за успішну атаку менша, ніж вартість реалізації атаки, атака 51% стане нездійсненною в цьому відношенні. Беручи біткойн як приклад, жодного разу не було атаки 51% протягом більш ніж десяти років з моменту створення блоку genesis. Саме вузли майнінгу біткойнів по всьому світу забезпечують велику обчислювальну потужність центрального процесора, що забезпечує безпеку мережі біткойн.
Слід зазначити, що мережі proof-of-stake також можуть постраждати від атаки 51%. Поки зловмисний вузол отримує більше половини загальної кількості поставлених токенів, він отримує контроль над мережею блокчейнів і може підробляти блоки та записи транзакцій. Тобто зловмисник може розпочати атаку, отримавши велику кількість токенів.
Однак така атака є недоцільною. Дія придбання великої кількості токенів підштовхне ціну вгору через збільшення попиту. А атака матиме значний вплив на мережу блокчейну та спричинить паніку серед користувачів, що призведе до падіння ціни. Таким чином, вартість придбання токенів буде набагато більшою, ніж прибуток, який ви можете отримати від атаки.
Більш можливим методом атаки на консенсусний механізм підтвердження частки є змова з іншими вузлами, щоб контролювати понад 51% від загальної кількості поставлених токенів. Цей метод є альтернативою для досягнення мети контролю мережі без непомірних витрат.
Щоб запобігти змові вузлів один з одним, блокчейн доказу частки вводить штрафи. Якщо інші валідатори повідомляють про помилкові блоки та транзакції, вузол атаки може втратити частину або навіть усі свої поставлені токени. Це вирішує проблему Nothing at Stake попередніх вузлів PoS і ускладнює змову між валідаторами, оскільки важко визначити, чи готові інші вузли взяти на себе ризик збитків.
Поки вартість поставлених токенів вища за винагороди, втрати, спричинені шахрайством, будуть більшими, ніж винагороди, отримані чесною діяльністю. Враховуючи це, вузли вважають за краще працювати чесно, що забезпечує безпеку блокчейн-мереж PoS. Таким чином, атака 51% майже неможлива, особливо в криптовалютах з вищою ринковою капіталізацією.

Які потенційні проблеми PoS?

Незважаючи на переваги механізму консенсусу PoS, він також має деякі потенційні проблеми. PoS часто критикують за те, що він робить багатих багатшими, а бідних біднішими. Вузли, які ставлять більшу кількість токенів, матимуть вищі шанси створити блоки для отримання винагороди. Це змушує валідаторів тримати велику кількість токенів, щоб отримати багатство, що посилює нерівність у багатстві.
Проте прихильники PoS вважають, що на всіх ринках капіталу багаті наділені більшою конкурентною перевагою. Навіть за механізму консенсусу PoW існують ті самі проблеми. Порівняно з мережею PoW, яка має вищі вимоги до участі, PoS, яка приносить користь усім, виявляється кращим рішенням.
Іншою поширеною проблемою є непередбачувана подача токенів, оскільки кількість вузлів, які не можуть робити ставки, може змінюватися. Це призводить до додаткових проблем. Наприклад, коли ринкова ціна токенів продовжує падати, винагороди ставлених вузлів можуть бути не в змозі компенсувати втрату їх утримання, в результаті чого велика кількість вузлів зніме ставки та продасть токени, що ставить під загрозу безпека мережі блокчейн.
Крім того, якщо кількість вузлів ставки значно збільшиться, це може спричинити дефіцит пропозиції токенів і підвищити ціну, що є тактикою маніпулювання цінами, яку часто використовують команди зловмисних розробників перед продажем своїх активів. Для порівняння, механізм PoW забезпечує більш стабільне постачання токенів і менш імовірно страждає від подібних проблем.

Які є інші механізми консенсусу, крім PoS і PoW?

Proof-of-work і proof-of-stake є двома найпопулярнішими механізмами консенсусу в розподілених мережах, але не єдиними. Після більш ніж десяти років розвитку технології блокчейн було запропоновано багато нових механізмів консенсусу. Ось короткий вступ:

1. Доказ космосу
   Згідно з алгоритмом консенсусу Proof of Space, вузли в мережі повинні мати значний простір на жорсткому диску, перш ніж вони зможуть перевірити транзакції та отримати винагороду. Верифікатори перевірять вузли, які надають сховище, щоб переконатися, що вузли продовжують надавати сховище. Прикладом цього алгоритму є мережа Chia.
   
   Джерело: Chia Network

2. Підтвердження повноважень (PoA)
   Відповідно до алгоритму консенсусу Proof of Authority вузли в мережі не ставитимуть токени, а натомість ставлять на ставку власну репутацію, щоб бути кваліфікованими для перевірки транзакцій. Валідатори повинні розкрити свою ідентифікаційну інформацію перед участю. Це зменшує ризик вибору підозрілих валідаторів і заохочує довготривалу участь. Прикладом алгоритму PoA є VeChain.

3. Делеговане підтвердження частки (DPoS)
   DPoS є вдосконаленням фундаментальної концепції підтвердження участі, у якій власники токенів довіряють свої токени як голоси свідкам. Ці свідки мають різні рівні репутації залежно від кількості довірених жетонів. Вибрані свідки вважаються найбільш довіреними і мають право створювати блоки, перевіряючи транзакції. Прикладом, який використовує DPoS, є EOS.

Висновок

Алгоритм Proof-of-Stake зазвичай вважається вдосконаленням Proof-of-Work. Користувачі PoS можуть ставити свої токени, щоб стати валідаторами, і створювати нові блоки, щоб отримувати винагороди. Вони також можуть співпрацювати з іншими вузлами для спільної перевірки транзакцій і захисту блокчейну.
Proof-of-Stake виключає капіталомісткий і енерговитратний майнінг і є більш доступним для звичайних користувачів. Це розглядається як механізм консенсусу, який є екологічно чистим і децентралізованим. Proof-of-Stake також перевершує Proof-of-Work з точки зору масштабованості. Наразі Proof-of-Stake використовується все більшою кількістю блокчейнів, таких як Cardano, Tezos, Avalanche і GateChain.
Ethereum, другий за величиною блокчейн за ринковою капіталізацією, має перейти від PoW до PoS у своїх оновленнях ETH 2.0, які планується завершити у вересні 2022 року. Хоча вузли, на яких працює ETH 2.0, повинні робити ставку принаймні 32 ETH, безпрецедентний перехід механізму консенсусу демонструє, що Proof-of-Stake – це справді майбутнє технології блокчейну.
Хоча PoS, здається, вирішив багато проблем, з якими стикається PoW, це все ще нова технологія. Потрібен час, щоб виявити інші невідомі проблеми та дефекти.