Як працює алгоритм консенсусу Proof-of-Stake (PoS) і чому він такий популярний?

• Proof-of-Stake (PoS) — найпопулярніший алгоритм консенсусу в блокчейні, на основі якого побудовано багато криптовалют і блокчейн-платформ, наприклад Ethereum, Cardano, Solana, Tezos і Algorand.
• Популярність PoS обумовлена ​​відсутністю необхідності купувати дороге обладнання для майнінгу та можливістю легкого пасивного заробітку через стейкінг криптовалют .
• Перевагою Proof-of-Stake перед іншим популярним алгоритмом Proof-of-Work (PoW) є мале споживання енергії для генерації блоків та забезпечення безпеки блокчейну;

Чому і як виник Proof-of-Stake?

При розробці архітектури блокчейну, який є децентралізованим протоколом для перекладів з базою даних, що постійно оновлюється, виникає два ключові питання:

• кому та за яким принципом надати право генерувати нові блоки;
• як схвалюватимуться транзакції для забезпечення захисту від подвійних витрат та інших зловживань.

Вирішення цих питань призвело до появи кількох механізмів консенсусу, тобто наборів правил, за якими учасники децентралізованої мережі домовляються про те, як саме транзакції можуть бути затверджені та включені до нових блоків.

Автор біткоїна Сатоші Накамото в жовтні 2008 року в white paper першої криптовалюти запропонував механізм Proof-of-Work («доказ роботи»).

Згідно з PoW, оператори нод децентралізованої мережі (майнери) у режимі вільної конкуренції вирішують ресурсомісткі математичні завдання – пошук хеша блоку методом підбору. У разі успіху майнер або пул, що переміг, отримує можливість додати знайдений блок, а натомість отримує нагороду — нові біткоїни.

Вже через кілька років після запуску біткоїну стало зрозуміло, що принцип роботи Proof-of-Work призводить до постійного зростання майнінгової потужності, а отже, і витрат на електроенергію. Крім того, через необхідність використання потужного обладнання знижувалась доступність майнінгу.

11 липня 2011 року на популярному тоді форумі про криптовалюти Bitcointalk було запропоновано ідею альтернативного механізму консенсусу для біткоїну, який отримав назву Proof-of-Stake, або «доказ частки володіння».

Пропонувалося, що право голосу в децентралізованій мережі мають отримати всі її учасники відповідно до того, якою часткою загальної кількості монет вони мають.

Вже у серпні 2012 року цей новий механізм консенсусу отримав перше практичне втілення у криптовалюті PPCoin. Нові монети розподіляли через майнінг, а транзакції могла обробляти будь-яка нода, що зберігала криптовалюту PPC. Та ж гібридна схема консенсусу використовувалася і в інших ранніх PoS-проектах, наприклад Gridcoin і Blackcoin. Першою «чистою» PoS-криптовалютою без майнінгу став блокчейн Nxt, запущений 24 листопада 2013 року.

Механізм консенсусу Proof-of-Stakе виявився настільки вдалим і гнучким, що в наступні роки його впровадили в сотнях криптовалют у різних варіантах та модифікаціях.

Принцип роботи Proof-of-Stake

Відповідно до початкової концепції Proof-of-Stakе, право на управління блокчейном надається всім його учасникам відповідно до частки монет, якими вони володіють.

Наприклад, у криптовалюті Nxt з її «канонічним» механізмом PoS шанс сформувати черговий блок є у всіх користувачів, які мають в офіційному гаманці NXT Client щонайменше 1002 NXT протягом останніх 1440 блоків. При цьому кожен гаманець фактично є повним вузлом (нодою) та зберігає власну копію блокчейну. Такий гаманець може бути запущений на високопродуктивному сервері, так і на ноутбуці, мікрокомп’ютері Raspberry Pi і навіть у хмарному сервісі.

Чим більше монет у гаманці NXT, тим більша ймовірність, що він отримає право сформувати новий блок, і тоді користувачеві дістануться всі комісії за транзакції, що потрапили до блоку. В ідеальному випадку гаманець, який має 1% монет, буде формувати 1% усіх нових блоків.

Процес створення блоків у Nxt та інших ранніх PoS-криптовалютах отримав назву «форджинг» (тобто «ковка»), проте на цей час цей термін застосовується рідко.

Процес утримання криптовалюти в гаманці для отримання винагороди за участь у забезпеченні безпеки мережі називається «стейкінг». Сьогодні у багатьох PoS-криптовалютах відправка монет у стейкінг передбачає їхнє блокування у спеціальному смарт-контракті з неможливістю переміщення протягом певного часу, від кількох годин до кількох тижнів.

Як делегування монет вплинуло на продуктивність PoS

Використання механізму Proof-of-Stakе, коли виробником блоків може практично будь-який власник криптовалюти, дозволяє досягти високого рівня децентралізації та безпеки блокчейну. Однак, згідно з трилемою блокчейна, при цьому доводиться жертвувати продуктивністю. У згаданій мережі криптовалюти Nxt пропускна спроможність становить лише 4 транзакції в секунду, що помітно нижче, ніж у багатьох криптовалют, які використовують консенсус PoW. Наприклад, Dogecoin обробляє 33 транзакції за секунду.

Щоб знайти компроміс між децентралізацією та продуктивністю, запропонували концепцію делегування, коли з безлічі гаманців монети разом із правом голосу можуть передаватися небагатьом обчислювальним нодам.

У 2013 році Деніел Ларімер , американський програміст і криптопідприємець, використав цю концепцію для створення механізму Delegated Proof-of-Stake (DPoS). Вперше він був реалізований у блокчейн-платформі BitShares, а потім у різних варіантах втілений у найвідоміших криптопроектах EOS, Cardano, Tezos тощо. Сьогодні функція делегування стала галузевим стандартом та використовується практично у всіх імплементаціях PoS.

У DPoS власники криптовалюти можуть самі не брати участь у роботі мережі, але передавати для цього свої монети валідаторам — професійним учасникам, які керують нодами блокчейну. Натомість ті зобов’язуються нараховувати власникам монет нагороди, часто — за вирахуванням невеликої комісії.

У різних блокчейнах, залежно від їхньої архітектури, кількість валідаторів, що беруть участь у виробництві блоків, значно відрізняється.

• Polkadot – до 16;
• BNB Chain та EOS – 21;
• Near – 100;
• Cardano – близько 3200;
• Avalanche – близько 1200;
• Solana – понад 3400.
• Ethereum – понад 400 тисяч.

Як правило, для запуску валідатора потрібне спеціальне обладнання з постійним доступом до Інтернету, а також значна сума нативних монет мережі. Наприклад, валідатор у мережі Ethereum повинен мати щонайменше 32 ETH, а валідатор Tezos — щонайменше 8000 XTZ.

Proof-of-Stake та стейкінг

Для компенсації витрат обчислювальних вузлів з перевірки транзакцій та генерації нових блоків у більшості PoS-блокчейнів передбачено винагороду, яку виплачують у нативних монетах цієї мережі. Як правило, його розмір за кожний блок фіксовано, але може змінюватись в залежності від поточних параметрів мережі.

Наприклад, у блокчейн-платформі Tron суперпредставник (так в даному випадку називається валідатор), який згенерував черговий блок і обробив транзакції, отримує 32 ТRX. Частиною цієї суми він ділиться з користувачами, які поклали свої TRX у стейкінг та таким чином проголосували за нього.

Прибутковість стейкінгу для валідаторів та власників монет визначається двома факторами:

• швидкістю емісії, що визначається фіксованим значенням монет, що видаються на кожен новий блок;
• часткою монет у обігу, які заблоковані в стейкінгу (Staking Ratio);

Наприклад, якщо в рік через стейкінг випускають 1 млн. монет при загальній пропозиції 100 млн. монет, то прибутковість стейкінгу при 50% заблокованих монет складе 2% річних. Якщо ж у стейкінгу заблоковано 25% пропозиції, то доходність збільшується вдвічі, до 4% річних.

Які різновиди Proof-of-Stake існують

На принципах PoS та делегування розроблено безліч механізмів консенсусу, які відрізняються низкою нюансів, наприклад, розподілом ролей між учасниками децентралізованої мережі.

Наведемо деякі з них:

• Leased Proof-of-Stake (LPoS , «орендований доказ частки») – використовується в блокчейні Waves, де користувачі за винагороду здають свої монети в оренду валідатору;
• Nominated Proof-of-Stake (NPoS , «номінований доказ частки») — використовується в блокчейн-платформі Polkadot і передбачає наявність так званих номінаторів, які вносять застави за валідаторів та відповідають за їхню сумлінність;
• Pure Proof-of-Stake (PPoS, “чистий доказ частки”) – застосовується в мережі Algorand, де валідатори наступного блоку таємно і випадково вибираються серед усіх гаманців з балансом більше 1 ALGO;
• Effective Proof-of-Stake (EPoS, “ефективний доказ частки”) – застосовується в блокчейн-платформі Harmony. Має особливий механізм розподілу винагород, що заохочує запуск безлічі дрібних валідаторів замість малої кількості великих, що стимулює децентралізацію;
• Proof-of-Authority (PoA) — гібридний алгоритм, який поєднує доказ частки та репутацію валідаторів, кожен із яких має бути схвалений розробниками. В PoA валідатор повинен проходити процедуру верифікації особи, схожу на KYC. Цей алгоритм використовує BNB Chain.

Чи можливий перехід на Proof-of-Stake біткоїну та інших криптовалютів?

Висока енерговитратність майнінгу криптовалют, які працюють на алгоритмі PoW, уже багато років є предметом критики. Згідно з недавніми дослідженнями Кембриджського центру альтернативних фінансів, майнінг біткоїну відповідальний за викид 0,1% всього антропогенного вуглекислого газу.

Саме цей чинник став одним із головних аргументів при спробах заборони майнінгу у різних країнах. Так, до кінця 2021 майнінг криптовалют заборонили в Китаї. У березні 2022 року Європарламент виніс на голосування питання щодо заборони криптовалюту. Хоча законопроект не підтримали, він наголосив на тенденції до видавлювання PoW з легального поля.

Після успішного переходу мережі Ethereum на консенсус Proof-of-Stake 15 вересня 2022 енергоспоживання мережі знизилося майже в 2000 разів або на 99,95%. У зв’язку з цим із новою силою розгорнулося обговорення переходу популярних PoW-криптовалютів на PoS.

Ще в грудні 2021 року розробники мем-криптовалюти Dogecoin оголосили про швидкий її перехід на алгоритм Proof-of-Stake. Допомагати їм у цьому процесі вирішив Віталік Бутерін, співзасновник Ethereum.

Компанія Electric Coin Company, розробник анонімної криптовалюти Zcash, також обговорює із співтовариством перспективи переходу на PoS. За словами засновника компанії Зуко Вілкокса, це не лише підвищить безпеку та енергоефективність блокчейну, а й допоможе залучити власників ZEС до управління протоколом.

Найбільші сумніви викликає можливість переходу на PoS у разі біткоїну.

По-перше, у першої криптовалюти немає єдиного розробника. Декілька незалежних груп розробників ведуть обговорення всіх передбачуваних нововведень, отже навіть запровадження навіть найнезначніших їх викликає запеклі суперечки і займає роки.

По-друге, перехід на PoS не підтримають майнінгові пули, яким цей крок загрожує втратою доходів. Примітно, що ще в 2020 році група розробників запустила форк BitcoinPoS , який криптоспільство просто проігнорувало.

У свою чергу прихильники PoW вказують на більший рівень безпеки цього алгоритму: при поточному, вкрай високому рівні децентралізації мережі біткоїну вона практично невразлива до зовнішніх атак.

Джерело