Proof-of-Work и Proof-of-Stake: сравнение. Алгоритм Proof-of-Work – особенности и использование в криптовалютах

Майнеры работают 24/7 не только для того чтобы добывать монеты. Основная их задача - записывать текущие транзакции между кошельками в новые блоки. Именно для этого и служат «Proof of work» и «Proof of stake» - алгоритмы для валидации транзакций.

Proof-of-work

(PoW) Самый известный алгоритм в крипто сообществе, использующийся для валидации транзакций майнерами. Простыми словами - это огромное количество вычислительных машин, разбросанных по всему миру, решающих криптографическую задачу по нахождению блока.

Любой, кто имеет достаточные вычислительные мощности может подключить их к общей сети и использовать для майнинга. Когда задача решена одним из участников сети, то транзакции, которые стоят в очереди записываются в новый блок, который был найден. Учитывая текущую сложность очевидно, что подделать транзакции в биткоин сети не представляется возможным.

Proof-of-stake

(PoS) Работает по другому. Вместо решения криптографической задачи транзакции валидируются путем «заморозки» некоторого количества монет майнеров в качестве обеспечения. Монеты заморожены до тех пор, пока не будет достигнута «договоренность» валидности транзакций. После достижения конценцуса в сети транзакции добавляются в блокчейн, а монеты держатся замороженными еще некоторое время с целью защиты от атаки на сеть и избежания «двойной траты».

Когда монеты разморожены майнеров, они получают свои монеты обратно плюс небольшую комиссию за запись транзакций в блокчейн. Такой алгоритм предназначен для того, чтобы отбить охоту у злоумышленников валидировать поддельные транзакции из-за риска потерять «залог».

Немного истории

Принцип PoW впервые был описан в 1993 году в работе «Pricing via Processing, Or, Combatting Junk Mail, Advances in Cryptology» (авторы – Синтия Дворк и Мони Наор). Авторы предложили следующую концепцию:
«Чтобы получить доступ к общему ресурсу, пользователь должен вычислить некоторую функцию: достаточно сложную, но посильную; так можно защитить ресурс от злоупотребления».

Непосредственное применение этот принцип получил в проекте Hashcash, основанном Адамом Бэком в 1997 году. Задача состояла в том, что бы найти такое значение x, что хеш SHA(x) содержал бы N старших нулевых бит. При отправке писем по эл. почте применялось хеширование частичной инверсии и для отправки каждого письма нужно было примерно 252 хеш-вычисления.

Отправке нескольких обычных писем, эти расчеты препятствий не создают, а вот для спам-рассылки это уже серьезная проблема. Так появился алгоритм хеширования 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.

При создании Bitcoin Сатоши Накамото взял за основу принцип PoW, проекта Hashcash, добавив к нему возможность изменения сложности алгоритма - уменьшение или увеличение N (требуемого числа нулей) в зависимости от суммарной мощности участников сети. Вычисляемой функцией стала SHA-256. Механизм PoW был использован как средство подтверждения того, что майнер фактически выполнил работу по нахождению нового блока и добавлению его в блокчейн.

Эти вычисления могу производиться только в интерактивном режиме, потому их сложность устанавливается, который фактически сможет поддерживать сеть и в это же время эта сложность гарантирует сети защиту от взлома, и двойных трат. Узлы всегда могут удостовериться в корректности найденного майнером значения, а для того что бы блок был принят системой, необходимо, что бы его хеш-значение было меньшим по сравнению с текущей сложностью. Таким образом, каждый блок показывает, что была проделана определенная работа по его нахождению.

Proof of Work породил целую индустрию майнинга и к 2012 году общая мощность сети биткоин превысила мощность самого мощного суперкомпьютера в мире. Энергопотребление оборудования для майнинга многократно растет с каждым днем и отчасти поэтому в 2012 году была предложена альтернатива Proof of Work — так называемый принцип Proof of Stake.

Впервые PoS был применен в криптовалюте PeerCoin. Суть состоит в том что новые монеты генерируются при использовании «доли»(stake) в качестве ресурса. В механизме PoS также пытаются хешировать данные в поисках результата меньше определенного значения, но сложность в данном случае распределяется пропорционально и в соответствии с балансом каждого счета с монетами.

Схема выглядит более привлекательной с точки зрения меньших затрат ресурсов. Ну и конечно для PoS майнинга нужно просто держать online кошелек с большим количеством монет.

Отличия

Очевидное преимущество Proof-of-Stake перед Proof-of-Work заключается в том, что его выполнение не требует от майнеров гигантского расхода электроэнергии, что делает его намного более эффективным. Но это не единственное его достоинство. Он также позволяет реализовать системы управления нового поколения, например, предоставив участникам сети возможность принять участие в выборе между хард- и софт-форками.

В плане превосходства PoS над PoW, можно сказать, что для проведения атаки на сеть требуется огромное количество монет, что по сути приводит к ее нецелесообразности для владельца этих же монет, так как он(они) пострадает от этой атаки в первую очередь.

В то же время PoS побуждает к накоплению монет в одних руках, что может негативно сказаться на децентрализации сети. Если найдется майнер или группа майнеров, который(которые) сосредоточит в своих руках большую часть ресурсов сети, то он(они) сможет диктовать свои правила остальным участникам сети.

PoW и PoS это основные механизмы, которые используются для подтверждения выполненной работы в сетях криптовалют, однако есть и другие менее известные и распространенные.

• 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 , 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.

Видео

Узнайте о том, что собой представляет протокол Proof-of-Work, когда он появился, в чем заключаются его плюсы, минусы и как он связан с криптовалютной сферой.

Proof-of-Work - это метод защиты цепочки блоков цифровой валюты от разного рода атак. Дословно термин переводится, как «подтверждение работой». Алгоритм гарантирует проверку выполнения определенной последовательности действий конкретным узлом системы (то есть майнером). Данные, которые устанавливает протокол, являются информацией в найденном блоке, где отображены ссылка на предыдущий узел в цепочке и число сохраненных в блоке операций. Шанс того, что система изберет вас узлом, отвечающим за подтверждение транзакции, тем выше, чем мощнее ваше «железо». Поэтому главным критерием успешного майнинга электронных денег, базирующихся на этом алгоритме, выступает производительность оборудования. Данный фактор поспособствовал объединению пользователей в специальные группы, которые получили название «пулы».

Proof-of-Work представляет собой защитный алгоритм против атак злоумышленников, используемый в распределенных системах. Основная суть заключается в следующем:

• применение в сложных и длительных процессах;
• простота и оперативность проверки результата.

Для решения задач алгоритма PoW используют высокопроизводительную вычислительную технику. Процесс обработки данных, как правило, длится определенное количество времени. Сам процесс вычислений является более требовательным к ресурсам железа в сравнении с проверкой полученных данных.

В середине 90-х годов прошлого столетия вышла статья под названием «Pricing via Processing or Combatting Junk Mail», в которой авторы впервые выдвинули концепцию Proof-of-Work (подтверждение работой). Смысл идеи состоял в том, что каждый человек, желающий получить доступ к какому-либо сервису, обязан произвести ряд операций весьма сложной и требовательной к ресурсам вычислительной системы функции. При этом процесс должен длиться определенный период времени, который можно назвать приемлемым для ожидания. Вычислительный процесс на клиентской части должен быть более ресурсоемким, чем процесс проверки полученных результатов, запускаемый на серверной стороне.

Предложенная функция должна быть неамортизируемой, поскольку в противном случае длительность процедуры вычисления значительно увеличится. Авторы статьи предположили, что дополнительные математические операции, проводимые на пользовательском компьютере, не являлись бы препятствием для нормальной отправки электронных писем, но стали бы серьезной преградой для спамной рассылки. Подобная система фактически установила бы количественное ограничение на отправку писем за определенный промежуток времени.

Несколько позже был реализован проект Hashcash, воплотивший функцию, суть которой описана в указанной выше статье. Определение «доказательство работы» впервые предложили авторы научного исследования «Proofs of Work and Bread Pudding Protocols», которое было опубликовано в конце девяностых годов.

Спустя 5 лет Хэл Финни предложил усложненный алгоритм, который звучит как «многоразовое подтверждение осуществленной работы» (RPoW), который должен был использоваться в электронных платежных системах. Через пару лет Сатоши Накамото создал первую виртуальную валюту, которая использовала алгоритм PoW. Он решает проблему двойного расходования токенов.

Основной минус Proof-of-Work, из-за которого и развернулась вся деятельность, касающаяся внедрения альтернативных методов защиты, связан с огромным энергопотреблением в ходе функционирования сети. Суммарные траты платформы иногда могут превосходить расходы какого-нибудь небольшого завода. Впрочем, будет сказано в защиту данного алгоритма, он вполне справляется с обеспечением безопасности площадки и нивелирования действий всякого рода злоумышленников. Именно от этого будет зависеть дальнейшее развитие и продвижение ресурса. Ведь кто станет инвестировать в проект, который не может защитить собственную сеть от хакеров.

В самой первой виртуальной денежной единице PoW необходим для достижения консенсуса в сети. Поскольку в любой момент времени для каждого пользователя может существовать сразу несколько версий блокчейна, алгоритм определяет, какая из них является достоверной. Для реализации своей идеи Накамото воспользовался наработками упомянутого выше проекта Hashcash, несколько модифицировав готовую функцию (добавил механизм изменения ее сложности, который зависит от общей вычислительной мощности всех узлов сети). Готовая функция получила название .

Алгоритм PoW необходим для проверки узлами сети факта проведения вычислений майнером. Последний производит расчеты сложных алгоритмов, в результате которых к цепочке блоков добавляется новый сгенерированный блок («ячейка»), хранящий определенное количество записей о проведенных транзакциях. Механизм «доказательство работы» производит попытку поиска хеша заголовка узла, в котором имеется ссылка на прошлую «ячейку» и суммарное значение всех операций, помещенных в только сгенерированный узел. Показатели хеша соответствует установленной степени.

Сложность описываемых операций на самом деле достаточно высока, а сам вычислительный процесс может производиться при участии пользователей. Процедура проверки результатов, напротив, является весьма простой и нетребовательной к ресурсам системы. Любой узел может получить доказательство генерации майнером нового блока. Однако ввиду сложности вычислительных процессов, производимых майнерами, весьма трудно определить, который из них справится быстрее остальных.

Для проверки достоверности нового блока производится сравнение значения его хеша с текущей целью. Если оно оказалось меньшим – блок валидный. Так наглядно демонстрируется факт проведения определенной работы для генерации блока.

Структура блокчейна такова, что каждый созданный узел, добавляемый в цепочку, хранит информацию о предыдущем. Модификация «ячеек» невозможна. Можно лишь «присоединить» новую на том же уровне, которая станет хранить хеш прошлого блока. Для этого потребуется выполнение работы по генерации всех предыдущих узлов. Подобная задача является достаточно нетривиальной и ресурсоемкой. Этим обеспечивается надежная защита сети от вмешательства третьих сторон и двойной траты токенов.

На данный момент по-прежнему ведутся споры в отношении целесообразности использования PoW. Эксперты установили следующие виды уязвимостей алгоритма:

1. 51 % – уязвимость, характерная для Биткоина и прочих виртуальных валют на ранних этапах их развития. Ее суть заключается в том, что при попадании большей частей мощностей сети в руки злоумышленника, последний получает полный контроль над генерацией новых блоков и выполнением транзакций. Также ему предоставляется возможность внесения любых изменений в распределенную базу данных, вплоть до полной перезаписи и создания собственной ветви, которая будет признана валидной. В итоге все средства пользователей исчезнут с их электронных кошельков.
2. Двойная трата одних и тех же монет. В этом случае одни и те же активы могут быть использованы несколько раз. Существует несколько разновидностей данного типа атак.
3. Контроль над майнерами. Атака возможна со стороны злоумышленников, обладающих оборудованием с вычислительной мощностью менее 50% от общей производительности сети. Это достижимо благодаря использованию методов агрессивной рекламы для привлечения майнеров в пул. Задача злоумышленника – свести к нулю эффективность вычислительных процессов конкурентов (отдельных майнеров и пулов).

Кроме очевидных проблем с защитой данных, существуют следующие недостатки рассматриваемого алгоритма:

1. Вычислительная мощность используемого майнером оборудования и вероятность генерации нового блока имеют прямопропорциональную взаимосвязь. Поэтому каждый майнер стремится увеличить производительность используемых систем. Результатом таких действий является сильный перерасход энергоресурсов.
2. Результаты производимых расчетов имеют значение только внутри сети, иного применения они не имеют. Фактически, сеть обладает огромным вычислительным потенциалом, который не используется для решения полезных (например, производственных) задач.

Поскольку недостатки и проблемы алгоритма были всегда очевидными, постоянно велись работы над их устранением. В результате были предложены новые алгоритмы.

Использование PoW для функционирования Биткоина стало причиной возникновения целой майнинговой индустрии. Были созданы устройства, направленные на решение узкоспециализированных задач по хешированию блоков, с которыми уже с трудом справляются даже мощнейшие в мире суперкомпьютеры.

Майнинг привел к сильнейшей конкуренции в данной сфере. Многие крупные игроки в погоне за прибылью стали наращивать свои вычислительные мощности, что привело к значительному увеличению потребления электроэнергии. В уже далеком 2012 году общая сеть Биткоин превзошла по мощности самый производительный компьютер. Примерно в тот же момент была предложена одна из первых альтернатив используемому на тот момент алгоритму PoW - .

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

, применяемый в сетях блокчейн. Он используется для подтверждения транзакций и добавления в цепочку новых блоков. С помощью PoW майнеры конкурируют друг с другом за обработку транзакций в сети и получение соответствующего вознаграждения.

Пользователи сети пересылают друг другу цифровые монеты, а децентрализованный реестр собирает все транзакции в блоки. и добавление блоков в цепочку должны производиться с особой тщательностью, ответственность за это несут майнеры. Принцип их работы сводится к решению сложной математической задачи, решение которой можно легко доказать.

Что понимается под математической задачей?

Это задача, для решения которой требуются значительные вычислительные мощности, например:

• хэш-функция, то есть нахождение входных параметров на основании выходных;
• факторизация целых чисел, то есть представление какого-то числа в виде произведения двух других чисел;
• протокол задачи пошагового руководства. Если сервер заподозрит DoS-атаку, он потребует вычисления хэш-функции несколькими узлами в определенном порядке. В этом случае задача сводится к поиску цепочки значений хэш-функции.

Ответ на задачу PoW или математическое уравнение называется хэшем. По мере расширения сети, вычисления становятся все более сложными. Для решения алгоритмов требуются все большие и большие мощности хэширования. Таким образом, сложность задания играет важную роль.

Почему важна сложность?

От нее зависят точность работы и скорость сети блокчейн. Но задачи не должны быть слишком сложными, так как это может значительно увеличить время генерирования блоков. Будут накапливаться не исполненные транзакции, и их поток на какое-то время будет зависать. Если подобную проблему не решить в кратчайшие сроки, то генерирование новых блоков будет практически невозможным.

С другой стороны, слишком простая задача будет чересчур уязвимой и недостаточно защищенной от DoS-атак и спама. Решение должно быть легко проверяемым. Иначе не все узлы смогут проанализировать правильность вычислений. Придется довериться другим узлам, что нарушает принцип прозрачности, а это - одна из главных особенностей .

Сложность задачи зависит от количества пользователей, доступной на данный момент вычислительной мощности и загрузки сети. Хэш каждого блока содержит хэш предыдущего блока, что повышает безопасность и предотвращает взлом блока. Если майнеру удается решить задачу, формируется новый блок. Транзакции записываются в этот блок и считаются подтвержденными.

Где применяется Proof of Work?

Алгоритм Proof of Work используется во многих криптовалютах. Наиболее известное его применение - система Биткоин. Именно в ней данный алгоритм был применен впервые. В качестве задачи используется Hashcash. Этот алгоритм позволяет менять сложность задачи в зависимости от общей вычислительной мощности сети. Среднее время формирования блока составляет 10 минут. Аналогичная система используется и в других криптовалютах, построенных на базе биткоина.

Еще один крупный проект, использующий PoW, - Ethereum. Учитывая, что почти три четверти всех проектов реализуется на платформе , можно смело утверждать, что большинство блокчейн-приложений используют модель, построенную на консенсусе PoW.

Главными преимуществами алгоритма консенсуса PoW являются его защищенность от DoS-атак и низкая зависимость майнинговых возможностей пользователя от доли принадлежащих ему монет.

Защита от DoS-атак. Алгоритм Proof of Work накладывает определенные ограничения на действия в сети. Для выполнения любых действий требуются значительные усилия. Для проведения результативной атаки необходимы большая вычислительная мощность и время на проведение вычислений. Поэтому атака в принципе возможна, но не имеет смысла, так как ее стоимость будет очень высокой.

Майнинговые возможности пользователя. Не имеет значения, сколько денег у вас в кошельке. Главное - иметь большие вычислительные мощности для решения задач и формирования новых блоков. Таким образом, ответственность за принятие всех решений в сети не перекладывается на обладателей крупных капиталов.

Недостатки Proof of Work

Главные недостатки - это высокие затраты, "бесполезность" вычислений и возможность проведения т. н. "атак 51%".

Высокие затраты. Процесс майнинга требует использования специализированного оборудования. Учитывая необходимость значительных затрат, подавляющее большинство майнеров может заниматься добычей криптовалюты только в составе специальных . Оборудование потребляет огромное количество энергии, что еще больше увеличивает расходы. Высокий уровень затрат угрожает привести к централизации систем, что станет потерей их главного преимущества. На примере биткоина легко можно увидеть, что для генерирования новых блоков майнеры выполняют огромную работу, потребляя много энергии. Однако их вычисления не могут быть применены ни для каких других целей. Они обеспечивают безопасность сети, но не могут использоваться в корпоративной, научной или иной области.

Атака 51%, или атака большинства . Это случай, когда пользователь или группа пользователей контролирует большую часть майнинговой мощности. Злоумышленники стремятся получить мощность, которой будет достаточно для контролирования большинства событий в сети. Это позволяет им монополизировать генерирование новых блоков и получение вознаграждения, так как они могут не позволить другим майнерам создавать блоки. Используя , злоумышленники могут отменять транзакции.

Атака 51% считается невыгодной. Для ее проведения необходимо иметь огромные вычислительные мощности. Если о такой попытке станет известно широкой публике, сеть будет скомпрометирована, и пользователи начнут из нее уходить. Это неизбежно приведет к падению цены криптовалюты и украденные средства обесценятся.

Будьте в курсе всех важных событий United Traders - подписывайтесь на наш

• 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