Механизм консенсуса Proof-of-Stake (PoS): полное руководство

Proof-of-Stake (PoS) — это альтернативный механизм консенсуса Proof-of-Work (PoW) для защиты блокчейн-сетей и подтверждения транзакций. В отличие от Доказательство работы PoS, в основе которого лежит вычислительная мощность, вместо этого использует экономическую долю пользователей в сети блокчейн для установления действительности транзакций и достижения консенсуса. 

В этой статье мы подробно изучим PoS — рассмотрим его основные концепции, сравним с PoW, проанализируем, как он работает, рассмотрим ключевые реализации и рассмотрим его будущий потенциал и проблемы.

Основные выводы

• PoS обеспечивает распределенный консенсус посредством выбора валидаторов на основе долей вместо энергоемкого майнинга.
• Он обеспечивает значительный выигрыш в энергоэффективности и снижении затрат по сравнению с сетями на основе PoW. 
• Реализации включают Ethereum 2.0, Cardano, Tezos и другие, каждая из которых имеет свои собственные подходы к проектированию.
• Текущие исследования направлены на решение проблем, связанных с долгосрочной безопасностью, децентрализацией и устойчивостью к атакам.
• Поскольку такие сети, как Ethereum, переходят на PoS, их реальная эффективность в ближайшие годы будет формировать представление о их жизнеспособности.

Базовая концепция Proof-of-Stake

Proof-of-Stake (PoS) — это механизм консенсуса, который позволяет сетям блокчейнов достигать распределенного консенсуса относительно действительного состояния сети и защищать свои транзакции, не требуя при этом огромных вычислительных ресурсов. 

В PoS вместо того, чтобы конкурировать за добычу блоков посредством решение сложных криптографических В головоломках, подобных PoW, пользователи подтверждают блоки или транзакции на основе количества имеющихся у них монет. 

Пользователи, владеющие большим количеством монет, имеют более высокую вероятность создания новых блоков и получения вознаграждений. Этот процесс называется «стейкингом» монет, что позволяет защитить сеть. 

Что такое алгоритмы консенсуса?

Алгоритм консенсуса — это процесс или протокол, посредством которого все узлы распределённой сети приходят к соглашению о состоянии или порядке событий в сети. Это позволяет децентрализованным сетям, таким как блокчейны, поддерживать согласованные общие состояния без централизованного управления. Алгоритмы консенсуса гарантируют, что все участники проверяют и принимают одинаковую последовательность транзакций и блоков, добавляемых в цепочку.

Типы алгоритмов консенсуса 

Основные алгоритмы консенсуса включают в себя:

• Proof-of-Work (PoW)
• Доказательство кола (PoS)
• Доказательство прошедшего времени (PoET)
• Делегированное доказательство ставки (DPoS)
• Устойчивость к византийским ошибкам (BFT) и другие. 

PoW наиболее известен и используется в Bitcoin, в то время как варианты PoS, такие как те, что используются в Ethereum 2.0 и Cardano, набирают популярность как более экологичные альтернативы. 

Каждый алгоритм имеет свои механизмы, преимущества и ограничения. Выбор зависит от таких факторов, как требуемый масштаб, уровень децентрализации и требования безопасности.

Важность консенсуса в сетях блокчейнов

Децентрализованное достижение консенсуса критически важно для блокчейнов, поскольку позволяет узлам согласовывать порядок и действительность транзакций без централизованной координации. Такой консенсус обеспечивает целостность реестра, значительно затрудняя злоумышленникам изменение записей о прошлых транзакциях. 

Он также обеспечивает синхронизацию новых узлов, загружая и проверяя согласованную историю транзакций. Различные алгоритмы консенсуса обеспечивают разные уровни безопасности, эффективности и децентрализации.

Подробное изучение Proof-of-Stake (PoS)

В PoS пользователи, владеющие определённым количеством монет, могут «заложить» их, чтобы участвовать в валидации новых блоков. Протокол блокчейна псевдослучайным образом выбирает валидатора пропорционально его общему стейку. Затем валидатор создаёт новый блок-кандидат, подписывает его и рассылает. 

Другие валидаторы проверяют валидность блока, прежде чем строить на его основе, достигая консенсуса без майнинга. Если валидаторы ведут себя некорректно или создают недействительные блоки, они рискуют потерять часть своего депозита.

Заинтересованные стороны и их роль в Proof of Stake

Заинтересованные лица — это пользователи, владеющие монетами и решающие подтверждать транзакции, «ставя» их в стейкинг. Они запускают узлы-валидаторы для обработки и добавления новых блоков транзакций в цепочку. Взамен они получают вознаграждение за блок и комиссию за транзакции, пропорциональные их доле. Чем больше их доля, тем выше их шансы быть выбранными для предложения новых блоков. Заинтересованные лица рискуют получить штрафные санкции, если создадут недействительные блоки или отключатся.

Роль валидаторов и авторов блоков в Proof of Stake  

Валидаторы играют ключевую роль в консенсусе PoS, управляя специализированными узлами, которые проверяют новые блоки. Один валидатор случайным образом выбирается в каждом раунде и выступает в роли «инициатора блока», создавая блок-кандидат на основе недавних валидных транзакций. 

Затем другие валидаторы проверяют валидность блока, прежде чем продолжить цепочку, достигая консенсуса без майнинга. Валидаторы получают вознаграждения и комиссию за транзакции за свою работу по обеспечению безопасности сети посредством стейкинга.

Ключевые компоненты Proof-of-Stake (PoS)

В PoS способность валидатора создавать или проверять новые блоки пропорциональна количеству криптовалюта Они владеют сетью и «делают ставки» в ней. Вот ключевые компоненты Proof-of-Stake:

Validators

В системе PoS валидаторы — это участники, которые хранят и блокируют определённое количество криптовалюты в качестве доли. Они отвечают за предложение и валидацию новых блоков. Валидаторы выбираются на основе их доли и мотивируются к честной работе, поскольку получают вознаграждение за хорошее поведение и могут потерять свою долю за злонамеренное поведение.

Stake

Доля — это криптовалюта, удерживаемая и заблокированная валидаторами в сети. Чем больше доля, тем выше шансы, что пользователь будет выбран валидатором для предложения новых блоков. Доля также служит сдерживающим фактором для ненадлежащего поведения: валидаторы рискуют получить штрафные санкции, например, потерять часть своего депозита, если создадут недействительные блоки или отключатся.

Создание блока

Валидаторы по очереди создают новые блоки в системе PoS. Вероятность быть выбранным для создания блока определяется размером их доли. Валидаторы обычно выбираются псевдослучайным образом с учётом таких факторов, как размер их доли и продолжительность её владения.

Блок проверки

Валидаторы также участвуют в процессе валидации блока. При предложении нового блока другие валидаторы проверяют его валидность. Это включает в себя проверку криптографических подписей и обеспечение соответствия транзакций внутри блока правилам консенсуса сети.

Механизм согласования

Системы PoS используют различные механизмы консенсуса для определения валидности и согласования следующего блока в цепочке. Среди распространённых механизмов — чистый PoS, делегированный PoS (DPoS) и практическая византийская отказоустойчивость (PBFT). Эти механизмы различаются подходами к выбору блоков, голосованию и окончательности консенсуса.

сеча

Слэшинг — это механизм, используемый в PoS для предотвращения злонамеренного поведения путём наказания валидаторов, нарушающих правила сети. Валидаторы могут потерять часть или всю свою долю в результате конфискации или временной блокировки.

Преимущества Proof-of-Stake (PoS)

Давайте рассмотрим, что делает PoS хорошим механизмом консенсуса:

Энергоэффективность и экологические соображения

PoS обеспечивает значительный выигрыш в энергоэффективности по сравнению с расточительной гонкой майнинговых вооружений PoW. Без необходимости использования дорогостоящего, энергоёмкого оборудования, постоянно выполняющего бесполезные вычисления, консенсус PoS может потреблять лишь малую долю энергии. Это делает его гораздо более устойчивым и экологичным для обеспечения безопасности блокчейн-сетей в долгосрочной перспективе.

Снижение затрат и преимущества масштабируемости  

Сети PoS значительно снижают эксплуатационные расходы, поскольку не требуют дорогостоящего оборудования для майнинга и электроэнергии. Обработка транзакций также повышается, поскольку сети PoS могут масштабироваться для обработки тысяч и миллионов транзакций в секунду. Эта повышенная пропускная способность способствует масштабированию блокчейнов для широкого внедрения в качестве платёжных систем.

Снижение риска централизации

Цель PoS — распределение производства блоков между стейкхолдерами пропорционально их экономическим интересам посредством отбора на основе долей. Это может помочь предотвратить централизацию вычислительных мощностей майнинговыми пулами с течением времени. Однако критики утверждают, что PoS рискует централизоваться вокруг нескольких крупных стейкхолдеров, которым будет легче манипулировать протоколом, чем майнерам.

Потенциальные проблемы и критика Proof-of-Stake (PoS)

Вот проблемы и критические замечания относительно PoS:

Первоначальное распределение акций и потенциальная централизация

Если изначальное распределение монет слишком концентрировано, это может позволить более крупным стейкхолдерам получить непропорционально большое влияние на сеть в PoS. Со временем, по мере роста экономики, это влияние может ещё больше сконцентрироваться вокруг китов, аккумулирующих большую часть монет. Критики утверждают, что это может подорвать децентрализованную природу блокчейнов. 

Проблемы безопасности и атаки 51% в PoS

Теоретически, если кто-то соберет более 50% всех монет, находящихся в стейкинге, он сможет манипулировать процессом консенсуса и отменять или цензурировать транзакции. Однако другие утверждают, что затраты на проведение такой атаки всё равно будут очень высокими. Сторонники PoS также стремятся решить эти проблемы, сокращая количество условий, наказывающих за ненадлежащее поведение.

Решение проблемы «ничего не поставлено на карту» 

При использовании PoW майнеры тратят реальные средства на электроэнергию, чтобы честно майнить только в одной цепочке. Но в PoS ничто не мешает валидаторам голосовать за несколько форков, угрожая безопасности сети. Были предложены такие решения, как слэшинг и финализация, но некоторые утверждают, что безопасность PoS менее надежна, чем PoW, из-за таких проблем, как «…ничего не поставлено на карту".

Реализации Proof-of-Stake (PoS) в сетях блокчейн

Давайте обсудим реализацию PoS в сети Blockchain:

Переход Ethereum на PoS с Ethereum 2.0

Ethereum переходит с энергоёмкого алгоритма PoW на систему PoS, известную как «Casper», в рамках обновления Ethereum 2.0. Это повлечёт за собой создание «долей» валидаторов и выбор подгруппы валидаторов для поддержания консенсуса. Разработка Ethereum 2.0 идёт поэтапно: запуск цепочки маяков запланирован на конец 2020 года, а последующие обновления шардинга позволят масштабировать сеть.

Другие сети блокчейнов, использующие PoS 

Cardano использует расширенную версию PoS под названием Ouroboros для защиты своей сети, где голоса заинтересованных сторон осуществляются через делегированные пулы. Tezos использует самокорректируемую модель PoS, в которой заинтересованные стороны могут предлагать обновления протокола и голосовать за них. 

Другие сети PoS включают Dash, NEO, Algorand и Near Protocol. Каждая из них реализует PoS немного по-своему, основываясь на собственной философии проектирования и компромиссах между безопасностью, децентрализацией и масштабируемостью.

Сравнение различных реализаций Proof of Stake

Ключевые факторы, отличающие протоколы PoS: 

• процесс и требования к стейкингу
• метод отбора блочной продукции
• поощрительные вознаграждения, гарантии окончательности
• резкие условия, и 
• механизмы обновления. 

Например, Cardano использует делегирование пула ставок, тогда как в Ethereum будет реализовано прямое стейкинг. Tezos В некоторых системах управление осуществляется внутри сети для предложения и утверждения обновлений, в то время как другие полагаются на команды разработчиков, работающих вне сети. Сравнение реализаций проливает свет на эволюцию консенсуса PoS.

PoS против PoW: сравнительный анализ

Давайте посмотрим, чем отличается PoS от PoW:

Контрастные характеристики

Основные различия между Proof of Stake и Proof of Work заключаются в методах обеспечения консенсуса — посредством доли капитала, а не затрат вычислительной мощности. PoW основан на энергоёмком майнинге, в то время как PoS стремится обеспечить безопасность за счёт экономического стимулирования доли. Другие различия включают методы первоначального распределения, требования к участию и предположения о безопасности, лежащие в основе каждого протокола.

Последствия для безопасности и компромиссы

PoW считается более проверенным в реальных условиях благодаря долгой истории существования Биткойна, в то время как аргументы о безопасности PoS носят преимущественно теоретический характер. Однако Потребление энергии PoW Возможно, в долгосрочной перспективе он окажется неустойчивым. PoS стремится обеспечить сопоставимую безопасность при меньших затратах, хотя новые атаки требуют тщательного анализа. Оба подхода предполагают компромисс между эффективностью использования ресурсов и краткосрочной безопасностью, который активно обсуждается.

Оценка будущего Proof of Stake и его потенциального доминирования 

По мере того, как протоколы PoS, такие как Ethereum 2.0, запускаются и развиваются в условиях реального использования, их долгосрочные перспективы безопасность и децентрализация Можно оценить лучше. Если удастся решить проблемы безопасности PoS, он может в конечном итоге превзойти сети PoW благодаря очевидным преимуществам в эффективности. 

Однако сосуществование нескольких алгоритмов консенсуса также возможно в зависимости от приоритетов и моделей угроз различных блокчейн-сообществ.

Заключение 

PoS представляет собой интересную альтернативу PoW с потенциальными преимуществами, но также вызывает вопросы относительно её долгосрочной безопасности и децентрализации. Продолжение исследований, разработок и реальных экспериментов будет иметь решающее значение для оценки её жизнеспособности и дальнейшего развития этого многообещающего консенсусного подхода.