Что такое Proof-of-Work и Proof-of-Stake? Proof-of-Work vs. Proof-of-Stake: сравнение алгоритмов

Proof-of-Work – это один из двух самых популярных алгоритмов консенсуса, на котором выстраиваются криптовалютные проекты. В данном обзоре мы расскажем, что такое Proof-of-Work, какие и него особенности и проведем сравнительный анализ с его главным конкурентом – алгоритмом Proof-of-Stake .

Что такое Proof-of-Work – от истоков к сути

Первая идея, которую можно отнести к термину Proof-of-Work, появилась в 1993-ем году в работе Синтии Дворк и Мони Наор, которая носила название «Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology». Создатели этой работы выдвинули идею о том, что для получения доступа к общим ресурсам пользователю нужно осуществить определенные сложные вычисления, что позволит защитить данный ресурс от чрезмерного употребления участниками сети. Спустя 4 года был запущен проект Hashcash, который был посвящен системе защиты от спама. Системой было предложено хэширование части инверсии посредством использования ресурсов электронной почты. Чтобы рассчитать конкретный заголовок требовалось 252 вычислений при каждой отправке. При необходимости отправки стандартных писем препятствия не создавались, а вот для рассылки спама пересчет становился очень сложно выполнимой задачей. А для проверки корректности вычисляемого кода не требуется большого количества времени, поскольку применяется специальный тип вычисления SHA-1 при заблаговременно подготовленной метке.
Через два года термин Proof-of-Work (PoW) уже стал официально использоваться, а впервые был официально освещен в статье Якоббсон и Джуэлс на тему протоколов. Через некоторое время принцип работы Proof-of-Work (PoW) был использован для построения сети Bitcoin – протокол позволял достигать консенсуса. Сатоши Накамото, разработчик Биткоина, несколько видоизменил первоначальный вариант Proof-of-Work , добавив к нему механизм изменяющейся сложности, который уменьшал или увеличивал требуемое число нулей относительно общего объема мощностей пользователей биткоин-сети. Полноценную работу системе обеспечила функция SHA-256.

Определение Proof-of-Work понятным языком можно дать следующее: протокол гарантирует проверочную способность узла, или ноды, на предмет выполнения расчетов майнером, которым и является сам узел, вносящий новые блоки в сеть. При этом имеют место попытки поиска хэша заголовка блока, в которую входят предыдущий блок и общее значение операций, входящих в него, что и определяет степень сложности Proof-of-Work (PoW) майнинга.

Отличительные черты Proof-of-Work: как все это работает

Что такое Proof-of-Work (PoW)? Во-первых, это эффективный алгоритм, обеспечивающий эффективную защиту распределенной системы от хакерских атак, мошеннических действий и другого несанкционированного доступа.

То, как работает Proof-of-Work , можно заключить в следующие пункты:

1. Обязательное выполнение трудоемких вычислений;
2. Быстрая и легкая проверка результатов.

Особенность Proof-of-Work заключается в том, что изначально данная технология была рассчитана на компьютерные мощности, а не на живых пользователей. Метод Proof-of-Work подразумевает использование значительных вычислительных ресурсов, но обеспечивает выполнение поставленной задачи в конечный срок при упрощенной проверке полученного результата с минимальными временными затратами.

Proof-of-Work vs. Proof-of-Stake: сравнение алгоритмов

Proof-of-Work (PoW) , в переводе с английского доказательство работы, способствует в некоторой степени подверженности криптовалют двойному расходованию. При этом Proof-of-Work (PoW) снижает этот показатель по мере увеличения объемов подтвержденных транзакций в рамках сети, что говорит о зависимости от количества вычислительных мощностей, которые находятся в распоряжении хакера. Как гарантии с использованием Proof-of-Work (PoW) криптовалютами, является снижение рисков двойной траты и пользователи ожидают конкретного количества подтверждений операции, а также используют системы защиты по снижению показателей риска для быстрых платежей.
Возможно тяжело сразу понять, что это Proof-of-Work но простыми словами если проводя параллели между его основным конкурентом PoS, нельзя не отметить, что эти алгоритмы могут быть подвержены аналогичным атакам, однако результат этого бывает разный. Главная опасность для них представлена в лице DoS, или отказа в обслуживании, и Sybill attack, или атаки Сибиллы. Первая атака ориентирована на прерывание нормального функционирования системы, что достигается благодаря переполнению узлов сети. К примеру, хакер может наводнить сеть операциями с низкой стоимостью в колоссальном количестве – вспомним флуд-атаку Биткоин-сети 2 года назад. При использовании атаки Сибиллы работа сети подрывается посредством создания грандиозного количества некорректно функционирующих узлов.
Уровень подверженности алгоритма Proof-of-Work и его конкурента данным атакам имеет зависимость не только от разновидности согласования, которое применяется в рамках сети, но и от детализации сетевого протокола. При этом на сегодня нет внутренних характеристик, которые могли бы сделать тот или иной протокол менее восприимчивым к атакам.

Очередной атакой, которая может заставить пользователей поволноваться за свои криптоактивы, является selfish mining , или эгоистичный майнинг. При Proof-of-Work майнинге, при этой атаке происходит выборочная публикация блоков что заставляет пользователей расходовать зря свои вычислительные ресурсы. Разработчиков Proof-of-Work (PoW) это волнует, поскольку в отличие от своего соперника PoS, который не обременен дорогими ресурсами, здесь ситуация обстоит иначе. Однако никто из разработчиков до сих пор не подтвердил эффективности данного вида атаки, а некоторые полагают, что в предположении допущены серьезные погрешности.
Определение Proof-of-Work (PoW) относительно устойчивости к атакам, базируется на общей вычислительной мощности сети. А вот для Proof-of-Stake не существует эквивалента «состоянию здоровья», поскольку при равномерном распределении валюты в сети атака базируется на ее разветвлении, и при наличии у пользователей значительной доли существует риск применения цензуры к транзакциям.

Плюсы и минусы Proof-of-Work (PoW)

Главный недостаток Proof-of-Work , из-за которого и заварилась вся каша на тему разработки альтернативных алгоритмов, представлен колоссальным энергопотреблением в процессе работы. Общие расходы энергоресурсов иногда превышают расходы промышленных предприятий. Однако в защиту этого продукта, который, между прочим, был первым в своем роде и только за это заслуживает внимания, нужно сказать, что алгоритм обеспечивает качественную защиту ресурсов и средств в рамках сети. А ведь именно от качества безопасности зависит возможность пользователя распоряжаться своими средствами без опасений по поводу возможного хищения.

Proof-of-Work и Proof-of-Stake – это алгоритмы консенсуса, которые используются для проверки новых блоков сети, а также добавления транзакций в них. Соответственно, принцип работы этих систем непосредственно касается майнеров, которые в режиме 24/7 расшифровывают блоки. В чем же заключается разница между двумя алгоритмами и какой из них является более выгодным с точки зрения майнинга? Рассмотрим их принципы работы, а также составим сравнительную характеристику.

Proof-of-Work: принцип работы

Пруф-оф-ворк (Proof-of-Work), или PoW, как его называют сокращенно, с английского переводится как «доказательство работы». Собственно в названии самого алгоритма и заложен принцип его работы. Он дает возможность сети проверить, что майнер фактически выполнил всю работу по вычислению функции SHA-256 или Scrypt, заложенные в основу криптовалют.

Суть PoW состоит в следующем:

• Майнер должен решить сложную задачу, которая под силу только достаточно мощным вычислительным машинам.
• Результат, полученный в ходе решения, должен легко проверяться.

Если говорить об алгоритме пруф-оф-ворк, конкретно в контексте криптовалют, то он позволяет нодам (узнать, что такое ноды и как они работают можно в ), проверять работу майнеров, а также достоверность их вычислений.

Такой механизм стимулирует сообщество майнеров постоянно модернизировать свое добывающее оборудование, ведь сложность сети постоянно возрастает, таким образом, общая вычислительная мощность в сети биткоинов уже в 2012 году превысила показатели самого современного суперкомпьютера.

Стоит отметить, что необходимость модернизации с точки зрения майнеров является не столько преимуществом, сколько недостатком. Ведь постоянное обновление оборудования требует больших финансовых затрат, что выбивает некоторых игроков из рынка.

Proof-of-Stake: принцип работы

До 2012 года PoW являлся единственным алгоритмом, задействованным в криптовалютах, но на горизонте появился конкурент. Им стал алгоритм Пруф-оф-стейк (Proof-of-Stake), или PoS, что в переводе с английского означает «проверка доли». По структуре своей работы он принципиально отличается от «доказательства доли». Если в первом алгоритме для повышения приоритета в сети использовались вычислительные мощности, то в случае с PoS – главную роль играет количество монет в кошельке.

То есть для того, чтобы повысить свои шансы первым расшифровать блок, вам необходимо держать в своем кошельке максимально большое количество монет той криптовалюты, которую вы майните. С одной стороны такой подход весьма выгоден для майнеров, ведь больше не потребуется обновлять свое оборудование, тратить большое количество электроэнергии, а атака на сеть становится практически невозможной. Но есть и свои недостатки. Например, если одному из пользователей или объединенной группе удастся сосредоточить в своих руках большую долю всех монет, то он сможет управлять сетью.

Proof-of-Work и Proof-of-Stake: на чьей стороне сообщество?

Алгоритмы Proof-of-Work и Proof-of-Stake (или Пруф-оф-ворк и Пруф-оф-стейк) уже давно стали почвой для серьезных споров между майнерами. Одни утверждают, что доказательство работы более справедливо, другие, что доказательство доли. Какого-либо однозначного ответа дать нельзя.

Кроме того, сегодня довольно часто используется гибридный вариант, объединяющий оба алгоритма. Когда осуществляется эмиссия монеты, сеть работает на Proof-of-Work, а когда эмиссия закончена – на Proof-of-Stake. Это вполне логично. Ведь активное участие на этапе проверки работы позволяет накопить достаточное количество монет для того, чтобы «органично» вклиниться в новый этап проверки долей.

Несмотря на новизну и ярые обсуждения системы PoS, большинство крупных криптовалют не готовы отказаться от алгоритма Proof-of-Work. Возможно, в будущем это и произойдет, но сейчас этого не наблюдается. Proof-of-Work и Proof-of-Stake остаются конкурентами.

Что изменится в технологиях майнинга, если сообщество Ethereum решит сменить одно на другое?

Что такое Proof-of-Work?

Это про-то-кол, глав-ная цель ко-то-ро-го — за-щи-та от ки-бе-р-атак, таких как DDoS-ата-ка, при ко-то-рой зло-умыш-лен-ни-ки пе-ре-гру-жа-ют вы-чис-ли-тель-ные ре-сур-сы си-сте-мы, по-сы-лая мно-го-чис-лен-ные лож-ные за-про-сы.

Кон-цеп-ция су-ще-ство-ва-ла за-дол-го до бит-ко-и-на (Bitcoin), но когда Са-то-си На-ка-мо-то при-ме-нил (или при-ме-ни-ла — мы до сих пор ни-че-го не знаем о лич-но-сти со-зда-те-ля крип-то-ва-лю-ты) эту тех-ни-ку к сво-е-му изоб-ре-те-нию, это по-ло-жи-ло на-ча-ло ре-во-лю-ции в об-ла-сти циф-ро-вых тран-зак-ций.

Стро-го го-во-ря, идея PoW была пред-ло-же-на Син-ти-ей Дворк и Мони Наор еще в 1993 году, но сам тер-мин по-явил-ся го-раз-до позже, в 1999-м, в ста-тье Мар-ку-са Джей-коб-со-на и Ари Джу-эл-са.

Но вер-нем-ся в на-сто-я-щее. Не будет пре-уве-ли-че-ни-ем ска-зать, что Proof-of-Work — глав-ная идея, ле-жа-щая в ос-но-ве бит-ко-и-на: имен-но она слу-жит базой для рас-пре-де-лен-но-го ре-ест-ра.

Что такое распределенный реестр?

Это си-сте-ма, с по-мо-щью ко-то-рой вы мо-же-те со-вер-шать де-неж-ные пе-ре-во-ды на-пря-мую, не при-бе-гая к услу-гам по-сред-ни-ков.

При тра-ди-ци-он-ных ме-то-дах про-ве-де-ния фи-нан-со-вых опе-ра-ций вы фак-ти-че-ски до-ве-ря-е-те свои сред-ства тре-тьей сто-роне (на-при-мер, Visa, Mastercard, PayPal или банку), ко-то-рая и осу-ществ-ля-ет тран-зак-цию. Тре-тья сто-ро-на ведет соб-ствен-ный за-кры-тый ре-естр тран-зак-ций, вклю-ча-ю-щий за-пи-си об ис-то-рии сде-лок и дан-ные о ба-лан-се каж-до-го ак-ка-ун-та.

Од-на-ко в слу-чае бит-ко-и-на и неко-то-рых дру-гих крип-то-ва-лют копия та-ко-го ре-ест-ра фак-ти-че-ски есть у каж-до-го участ-ни-ка си-сте-мы — имен-но такой рас-пре-де-лен-ный ре-естр и на-зы-ва-ет-ся -чей-ном. Каж-дая сто-ро-на в тран-зак-ции может про-ве-рить всю ин-фор-ма-цию са-мо-сто-я-тель-но, по-это-му необ-хо-ди-мость в по-сред-ни-ках от-па-да-ет.

Proof-of-Work и

На более глу-бо-ком уровне Proof-of-Work пред-став-ля-ет собой набор тре-бо-ва-ний к слож-ным ком-пью-тер-ным вы-чис-ле-ни-ям, ко-то-рые необ-хо-ди-мо про-ве-сти, чтобы со-здать новую груп-пу за-ве-рен-ных тран-зак-ций (блок) и до-ба-вить ее к рас-пре-де-лен-но-му ре-ест-ру (блок-чей-ну). Этот про-цесс на-зы-ва-ет-ся май-нин-гом. Май-нинг пре-сле-ду-ет две глав-ные цели:

1. Верификация сделки, которая позволяет избежать так называемого двойного расходования;
2. Создание новых единиц криптовалюты (фактически, майнеры получают их в награду за выполнение предыдущей задачи).

При тран-зак-ции с крип-то-ва-лю-той про-ис-хо-дит сле-ду-ю-щее:

• Транзакции случайным образом группируются в блоки;
• Майнеры подтверждают легитимность транзакций в каждом блоке;
• Для этого им приходится решить сложную математическую задачу, известную как proof-of-work problem;
• Первый майнер, решивший задачу, связанную с конкретным блоком, получает вознаграждение в виде криптовалюты;
• Заверенные транзакции добавляются к блокчейну, который доступен каждому участнику системы.

Клю-че-вая осо-бен-ность этой ма-те-ма-ти-че-ской за-да-чи — асим-мет-рия: она долж-на быть уме-рен-но слож-ной для май-не-ра, но до-ста-точ-но про-стой для сети в целом. Это до-сти-га-ет-ся с по-мо-щью крип-то-гра-фии. Каж-дый май-нер в сети пы-та-ет-ся найти ре-ше-ние за-да-чи пер-вым; при этом найти его фак-ти-че-ски можно лишь ме-то-дом пря-мо-го пе-ре-бо-ра, по-это-му для успеш-но-го ре-ше-ния тре-бу-ет-ся мно-же-ство по-пы-ток.

Когда кто-то из май-не-ров на-хо-дит ре-ше-ние, си-сте-ма опо-ве-ща-ет об этом всех участ-ни-ков сети, од-но-вре-мен-но на-чис-ляя май-не-ру воз-на-граж-де-ние со-глас-но су-ще-ству-ю-ще-му про-то-ко-лу.

Слож-ность май-нин-га поз-во-ля-ет под-дер-жи-вать его со-рев-но-ва-тель-ную при-ро-ду: чем выше рас-пре-де-лен-ная вы-чис-ли-тель-ная мощ-ность сети, тем выше ста-но-вит-ся этот па-ра-метр, — иными сло-ва-ми, воз-рас-та-ет число вы-чис-ле-ний, ко-то-рые нужно про-ве-сти, чтобы со-здать новый блок.

Метод также по-вы-ша-ет сто-и-мость со-зда-ния блока, по-буж-дая май-не-ров на-ра-щи-вать эф-фек-тив-ность своих си-стем, чтобы со-хра-нить по-ло-жи-тель-ный эко-но-ми-че-ский ба-ланс.

По-вы-ше-ние по-ро-га долж-но про-ис-хо-дить в сред-нем каж-дые 14 дней, а новый блок фор-ми-ру-ет-ся каж-дые 10 минут. Proof-of-Work ис-поль-зу-ет-ся не толь-ко в си-сте-ме бит-ко-и-на, но и в Ethereum и мно-гих дру-гих си-сте-мах, ос-но-ван-ных на блок-чейне.

В каж-дом слу-чае кон-крет-ные осо-бен-но-сти си-сте-мы Proof-of-Work могут немно-го от-ли-чать-ся, по-сколь-ку со-зда-ют-ся ин-ди-ви-ду-аль-но для каж-до-го блок-чей-на.

Раз-ра-бот-чи-ки Ethereum хотят из-ме-нить си-сте-му це-ли-ком, пе-рей-дя к новой си-сте-ме под на-зва-ни-ем Proof-of-Stake.

Что такое Proof-of-Stake?

Proof-of-Stake — дру-гой спо-соб ве-ри-фи-ци-ро-вать тран-зак-ции и обес-пе-чи-вать distributed consensus.

Это ал-го-ритм, ко-то-рый слу-жит ровно тем же целям, что и Proof-of-Work, но спо-соб до-сти-же-ния этих целей со-вер-шен-но от-ли-ча-ет-ся.
Идея Proof-of-Stake была впер-вые пред-ло-же-на на фо-ру-ме bitcointalk еще в 2011 году; год спу-стя по-яви-лись пер-вые крип-то-ва-лю-ты, ис-поль-зу-ю-щие этот метод, — Peercoin, ShadowCash, Nxt, BlackCoin, NuShares/NuBits, Qora и Nav Coin.

В от-ли-чие от Proof-of-Work, где ал-го-ритм воз-на-граж-да-ет май-не-ров, ко-то-рые про-во-дят вы-чис-ле-ния для ва-ли-да-ции тран-зак-ций и со-зда-ния новых бло-ков, в Proof-of-Stake со-зда-тель но-во-го блока вы-би-ра-ет-ся си-сте-мой за-ра-нее на ос-но-ва-нии его со-сто-я-ния, то есть доли в общем ко-ли-че-стве крип-то-ва-лю-ты.

Никакого вознаграждения за блок

Кроме того, это озна-ча-ет, что весь объем крип-то-ва-лю-ты в си-сте-ме со-здан из-на-чаль-но и ни-ко-гда не ме-ня-ет-ся. По-это-му в си-сте-ме PoS воз-на-граж-де-ние за блок от-сут-ству-ет в прин-ци-пе. Доход май-не-ров со-став-ля-ют ис-клю-чи-тель-но ко-мис-сии с тран-зак-ций. По-это-му для май-нин-га в си-сте-ме PoS су-ще-ству-ет от-дель-ный тер-мин: фор-джинг.

Почему Ethereum хочет перейти на PoS?

Со-об-ще-ство Ethereum и со-зда-тель крип-то-ва-лю-ты Ви-та-лик Бу-те-рин пла-ни-ру-ют про-ве-сти хард- , чтобы пе-рей-ти с си-сте-мы Proof-of-Work на Proof-of-Stake.

Но по-че-му? Рас-пре-де-лен-ный ре-естр, ос-но-ван-ный на Proof-of-Work тре-бу-ет от май-не-ров боль-ших за-трат энер-гии. Одна тран-зак-ция с бит-ко-и-ном тре-бу-ет столь-ко же элек-тро-энер-гии, сколь-ко пол-то-ры семьи по-треб-ля-ют за целый день.

А за элек-три-че-ство май-не-рам при-хо-дит-ся пла-тить обыч-ны-ми, фи-ат-ны-ми день-га-ми, и это по-сто-ян-но сдер-жи-ва-ет рост цен-но-сти крип-то-ва-лю-ты. Недав-нее ис-сле-до-ва-ние по-ка-за-ло, что к 2020 году тран-зак-ции в сети бит-ко-и-на будут по-треб-лять столь-ко же элек-три-че-ства, сколь-ко все на-се-ле-ние Дании.

Это силь-но бес-по-ко-ит раз-ра-бот-чи-ков крип-то-ва-лют, и со-об-ще-ство Ethereum хочет ис-поль-зо-вать Proof-of-Stake как более эко-ло-гич-ную и де-ше-вую форму под-дер-жа-ния рас-пре-де-лен-но-го ре-ест-ра.

Кроме того, из-ме-нит-ся ме-ха-низм воз-на-граж-де-ния: в си-сте-ме Proof-of-Work у май-не-ра может во-об-ще не быть крип-то-ва-лю-ты, для ко-то-рой он про-во-дит вы-чис-ле-ния. В слу-чае Proof-of-Stake, фор-дже-ры все-гда вла-де-ют ка-кой-то ча-стью крип-то-ва-лю-ты.

Как стать форджером?

Если новый про-то-кол Proof-of-Stake под на-зва-ни-ем Casper будет при-ме-нен, в си-сте-ме по-явит-ся некий пул ва-ли-да-то-ров. Поль-зо-ва-те-ли смо-гут при-со-еди-нять-ся к пулу, чтобы по-лу-чить воз-мож-ность войти в число фор-дже-ров.

Сам Бу-те-рин утвер-жда-ет:

«У си-сте-мы не будет ка-ких-то пред-по-чте-ний по по-во-ду того, кто смо-жет войти в пул ва-ли-да-то-ров. Кто угод-но смо-жет при-со-еди-нить-ся на каком угод-но этапе, неза-ви-си-мо от ко-ли-че-ства дру-гих участ-ни-ков».

Воз-на-граж-де-ние для ва-ли-да-то-ров со-ста-вит «от 2% до 15% от суммы тран-зак-ции», го-во-рит Бу-те-рин, — впро-чем, по этому пунк-ту у него пока нет уве-рен-но-сти.

Кроме того, Бу-те-рин за-явил, что, хотя число ва-ли-да-то-ров (фор-дже-ров) не будет огра-ни-чи-вать-ся про-грамм-но, его можно будет ре-гу-ли-ро-вать эко-но-ми-че-ски, со-кра-щая раз-мер ко-мис-сии, если же-ла-ю-щих ста-нет слиш-ком много, или уве-ли-чи-вая, если их будет не хва-тать.

Более надежная система?

Любая ком-пью-тер-ная си-сте-ма нуж-да-ет-ся за-щи-те от ха-кер-ских атак, осо-бен-но если она как-то свя-за-на с день-га-ми. По-это-му глав-ный во-прос сво-дит-ся к сле-ду-ю-ще-му: будет ли Proof-of-Stake без-опас-нее, чем Proof-of-Work?

Он бес-по-ко-ит не толь-ко экс-пер-тов — скеп-ти-ки на-хо-дят-ся и в самом со-об-ще-стве. В слу-чае Proof-of-Work зло-умыш-лен-ни-кам труд-но по-лу-чить до-ступ к си-сте-ме из-за вы-со-ко-го тех-но-ло-ги-че-ско-го и эко-но-ми-че-ско-го по-ро-га вхож-де-ния.

Атаки в си-сте-ме PoW об-хо-дят-ся очень до-ро-го — чаще всего для этого вам по-на-до-бит-ся боль-ше денег, чем вы в итоге смо-же-те украсть.

Си-сте-ме PoS, на-про-тив, по-на-до-бят-ся до-пол-ни-тель-ные сред-ства за-щи-ты — без этого ата-ко-вать ее будет го-раз-до проще.

Чтобы раз-ре-шить этот во-прос, Бу-те-рин со-здал про-то-кол Casper, —ал-го-ритм, спо-соб-ный опре-де-лять об-сто-я-тель-ства, при ко-то-рых небла-го-на-деж-ный ва-ли-да-тор может по-те-рять свой де-по-зит. Он по-яс-ня-ет: «Casper тре-бу-ет, чтобы ва-ли-да-то-ры вно-си-ли вклад для уча-стия. Участ-ник те-ря-ет де-по-зит, если про-то-кол опре-де-ля-ет, что он на-ру-шил неко-то-рый набор пра-вил».

Вывод

Бла-го-да-ря PoS ва-ли-да-то-рам не нужно ис-поль-зо-вать свою вы-чис-ли-тель-ную мощ-ность, — един-ствен-ны-ми фак-то-ра-ми, вли-я-ю-щи-ми на успех, яв-ля-ет-ся общее ко-ли-че-ство их соб-ствен-ных монет и те-ку-щая слож-ность си-сте-мы.

Таким об-ра-зом, пе-ре-ход от PoW к PoS может обес-пе-чить сле-ду-ю-щие пре-иму-ще-ства:

• Экономия энергии;
• Более безопасная сеть, поскольку атаки станут более дорогими: если хакер захочет купить 51% от общего количества монет, рынок отреагирует быстрым повышением цен.

Узлы сети, (или ва-ли-да-то-ры), долж-ны за-пла-тить залог, чтобы стать ча-стью рас-пре-де-лен-но-го ре-ест-ра. Casper опре-де-лит кон-крет-ную сумму воз-на-граж-де-ний, при-чи-та-ю-щих-ся ва-ли-да-то-рам, ис-хо-дя из вне-сен-ных ими сумм.

Если некий ва-ли-да-тор со-здаст «недо-пу-сти-мый» блок, его залог будет уда-лен, а сам он ли-шит-ся воз-мож-но-сти уча-стия в си-сте-ме.

Дру-ги-ми сло-ва-ми, си-сте-ма без-опас-но-сти Casper ос-но-ва-на на чем-то вроде ста-вок. В си-сте-ме PoS ва-ли-да-тор как бы де-ла-ет став-ку на тран-зак-цию и по-лу-ча-ет де-неж-ный приз, про-пор-ци-о-наль-ный сво-е-му вкла-ду.

Под-го-то-ви-ла Тая Аря-но-ва

• Перевод

Продолжаем переводить крутые статьи с сайта Bytecoin.org . Сегодня - «Alternatives for Proof of Work, Part 1: Proof Of Stake » Рэя Паттерсона (Ray Patterson).
Также читайте перевод «Краткой истории эволюции proof-of-work в криптовалютах»: и .

Критика Proof of Work

Как мы все помним, Proof of Work родился в далеком 1993 году в семье криптографов; родители прочили ему карьеру защитника от DoS и спама . Однако в 2008 году ему поступило заманчивое предложение от некоего анонима с япоским акцентом: стать основой для распределенного сервера меток времени. Схема представлялась простой: узлы сети «голосуют» за свою версию истории транзакций, вкладывая свои мощности в вычисление «редких» хешей. Версия, получившая большинство голосов, принимается другими узлами в качестве эталонной.

Важным моментом было обеспечение большой суммарной мощности сети: для защиты от потенциального злоумышленника с его потенциальными 51% ресурсов. Однако изначальная концепция PoW подразумевала небольшие задания, которые должен выполнить клиент, чтобы получить доступ к ресурсам сервера. В рамках такой модели защиты от DoS даже небольшие мощности клиента не помешают добропорядочному использованию ресурса, а большие просто не требовались. Поэтому мотивация для работы майнеров была реализована просто: «натурой», биткоинами, т.е. фактически деньгами.

И это все изменило. В мире криптовалют PoW превратился в монстра, пожирающего электричество в гонке за прибыльностью майнинга. Серьезные претензии появились примерно в 2012 году, когда суммарная мощность Bitcoin-сети «обогнала » по производительности самый мощный суперкомпьютер в мире. «Бесполезная трата энергии!» - раздавались со всех сторон крики. Робкие протесты защитников по поводу защиты от атаки 51% и энерго-аппетитов банковских терминалов игнорировались, благо на горизонте уже была первая альтернатива – Proof of Stake.

Proof of Stake

В качестве идеи появился на свет в одном из постов на bitcointalk еще в 2011 году. Первая реализация увидела свет через год, в 2012, в криптовалюте PPCoin (сейчас называется PeerCoin). В дальнейшем подобные протоколы появились и в других проектах, о них чуть позже.

PoS имеет различные воплощения, но одну общую идею: ограниченный ресурс, которым нужно голосовать, можно найти не только во внешнем мире (сжигаемые железо и электричество), но внутри самой системы – сами цифровые монетки. Владельцы монет – холдеры (stakeholders) – не тратят их во время голосования, конечно же, но блокируют на некоторое время, и так достигается ограниченность. Очевидно, что хоть компьютер и должен быть включен для майнинга, никаких серьезных вычислений ему делать не требуется.

Как работает PPCoin

Итак, ресурс майнера – это его монеты (непотраченные, разумеется). А точнее – непотраченные выходы транзакций, каждому из которых соответствует какое-то число монет. Майнинг происходит следующим образом:

1. Выбираем свой выход, который был получен как минимум 30 дней назад.
2. Формируем структуру Kernel , куда входят: детерминированные данные от выхода (время блока, в котором он появился, его номер внутри блока и т.д.), текущее время и т.н. nStakeModifier (периодически пересчитываемый блок псевдослучайных бит).
3. Хэшируем Kernel и сравниваем полученное значение с текущей целью, которая зависит от текущей сложности сети (выше сложность – меньше цель), «возраста» выхода (больше возраст – больше цель) и его суммы (больше монет – больше цель).
4. Если хэш оказался больше цели – возвращаемся к п.1, берем следующий выход.
5. Если же выход оказался «удачным» – мы тратим его в coinbase-транзакции (отправляя себе же), прибавляем награду за блок и комиссии от включенных транзакций и подписываем весь блок ключом, который был связан с потраченным выходом.
6. Вуаля, блок готов. Начинаем поиски следующего.

Замечания:

• Проверка блока детерминирована: текущее время берется из заголовка блока, данные выхода – из блокчейна, nStakeModifier тоже однозначно вычисляется для каждого блока.
• Выход должен быть «старым», чтобы атакующий не мог, пересылая деньги между своими кошельками, получить «хороший» выход, который сразу же позволяет найти блок.
• nStakeModifier рассчитывается на основе последних блоков, и потому непредсказуем. Благодаря этому майнинг делается еще более непредсказуемым (и более устойчивым к возможным атакам).
• Текущий Timestamp в п.2 может варьироваться в широких пределах: плюс-минус час. Поэтому по факту для каждого выхода можно проверить 7200 хэшей, а не один.
• «Возрастной» множитель цели ограничен сверху 90 днями . В противном случае атакующий мог бы, располагая всего несколькими ОЧЕНЬ старыми монетками, с высокой вероятностью сгенерировать несколько блоков подряд.

По сути, процесс PoS-майнинга является такой же лотереей, что и в PoW. Однако за билет не нужно «платить» своими мощностями: перебор вариантов происходит на очень ограниченном пространстве собственных выходов и не зависит от скорости CPU. На ваши шансы влияют лишь ваше общее число монет и текущая сложность сети.

Благодаря этому мы получаем следующий профит:

1. Бережем энергию. Здесь не поспоришь, хотя и для PoW можно использовать «полезную работу» (см. Primecoin) или ASIC-resistant функции (Cuckoo Cycle, CryptoNigh, Ethash etc.), которые бы ограничили область майнинга персональными ПК.
2. Отсутствие бесконечной «гонки вооружений»: теперь общий хэшрейт ограничен не правилом Мура и законами термодинамики, а общим числом монет в кошельках участников. С другой стороны, в такой модели сложно понять, в честных ли руках находится крупный процент ресурсов?
3. Атака становится дороже. Если я захочу купить 51% монет, то рынок отреагирует быстрым ростом цены. Кроме того, какой мне смысл делать атаку на сеть, если все мои ресурсы вложены в виртуальные монеты этой сети?

Кажется, что все замечательно: мы фактически заменили физическую работу неким виртуальным ресурсом. Но не кроется ли именно в этом проблема?

Критика Proof of Stake

Ответьте на вопрос: сколько стоят потраченные деньги? Если кто-нибудь обратится к вам и предложит купить у вас приватные ключи, с которых вы уже давно потратили все деньги, - на какой цене вы договоритесь? Поскольку эти ключи уже ничего не стоят и никому не нужны – предполагаю, что вас устроит любое предложение: это же деньги из ничего!

А теперь представьте, что для какого-то момента Х в прошлом окажется, что 50% (или больше) всех монет лежали на ключах, купленных сейчас атакующим. Для простоты можно считать, что момент X – это время сразу после создания второго блока, и некто купил ключи обоих блоков, т.е. вернись он в прошлое – обладал бы 100% всей денежной массы.

На самом деле, физически возвращаться в прошлое ему не нужно. Начиная с этого момента он может «переписать всю историю блокчейна», осуществляя майнинг этими старыми монетами! Причем получая награду за каждый новый блок, и увеличивая свой капитал. Ему необязательно даже создавать транзакции (хотя он и может просто так переводить деньги самому себе).

В какой-то момент его альтернативная цепочка догонит настоящую и даже перегонит по числу блоков. Вся сеть переключится на нее, ведь синтаксически различий между ними нет. Но основная разница будет в том, что в одной из них больше половины монет будут по-прежнему принадлежать атакующему. Вот так, продав «мертвые души», можно запросто лишиться «живых».

С такой конкретной атакой, конечно, можно бороться. PeerCoin, например, использует практику регулярных чекпоинтов: блоков, подписанных ключом разработчика, «глубже» которых запрещено перестроение блокчейна. Но это частное решение, которое не избавляет от более общей проблемы – Nothing on stake.

Проблема заключается в том, что майнинг – голосование – ничего не стоит, не требует никаких физических затрат. Если, например, в какой-то момент появятся два блока на одной высоте (форк цепочки), то можно одновременно майнить обе версии цепочки. С PoW такое невозможно в принципе по очевидным причинам: каждый проверенный хэш цепочки А – это непроверенный хэш цепочки Б. PoS же позволяет вам производить перебор во всех «параллельных мирах» сразу, причем на любой высоте (т.е. в том числе и в прошлом).

В PoS вам гораздо легче осуществить атаку double-spend. Достаточно всегда майнить две версии следующего блока: один с транзакцией, переводящей ваши деньги продавцу (который не ждет N подтверждений), а другой – с переводящей их вам. Если случится так, что вы найдете оба блока, то первый вы отправляете продавцу (и получаете свой товар), а второй – всем остальным. С большой вероятностью продолжена будет вторая версия цепочки, и деньги вернутся к вам.

Проблема PoS в том, что вам выгодно майнить сразу несколько альтернативных ветвей. Вы просто можете делать это бесплатно, с ненулевыми шансами на успех, а значит – увеличиваете матожидание дохода. PoW не позволяет вам таких шалостей, и потому вы майните лишь в одной ветке (в какой – это уж ваш выбор). Как результат – в модели PoW рано или поздно достигается консенсус, а в чистом PoS ганатировать сходимость уже нельзя.

Если вам интересна эта проблема, то подробности можно найти

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.

В чем суть Proof-of-Work?

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 требует гораздо меньше ресурсов и времени.

Кто придумал термин Proof-of-Work?

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 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 2 52 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.

Какое отношение Proof-of-Work имеет к криптовалютам?

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.

Действительно ли сложность вычисления «сложная»?

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.

Как Proof-of-Work повлиял на майнинг?

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.

Что такое 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.

Какие приводятся аргументы за и против Proof-of-Stake?

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».

На чьей стороне чаша весов?

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.

В свое время ForkLog адаптированный перевод whitepaper, написанного BitFury Group, в котором сравнивается работа принципов защиты PoW- и PoS-систем.

Какие еще механизмы доказательств есть в криптовалютах?

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 , и ;
• 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.