Что такое Proof-of-Stake?
Первый алгоритм консенсуса (Proof-of-Work) для блокчейнов, который определял правила согласования узлов при проверке транзакций, был несовершенен и требовал много вычислительных ресурсов.
Разработчики протоколов нового поколения придумали альтернативные алгоритмы консенсуса. Одним из них стал Proof-of-Stake (PoS) или «доказательство доли владения» — усовершенствованный алгоритм консенсуса, который вместо вычислительной мощности требует блокировки некоторой суммы средств для распределения вознаграждений за добычу блоков.
Примечание: для удобства далее блокчейны на базе «доказательства работы» и «доказательства доли владения» будем называть PoW- и PoS-сетями соответственно.
Как работает Proof-of-Stake
Как и в Proof-of-Work, узлы проверяют транзакции на подлинность и объединяют их в блоки, которые затем попадают в блокчейн. Узлы (ноды) в PoS-сетях называют валидаторами.
Валидаторы не обменивают затраченную на решение вычислительных задач электроэнергию на монеты, как это делают майнеры. Вместо этого они вносят своеобразный залог.
Proof-of-Stake может работать только на тех блокчейнах, которые поддерживают технологию смарт-котрактов. Для получения доступа к проверке транзакций валидатор блокирует определенную сумму активов в своём кошельке при помощи смарт-контракта или, другими словами, «стейкает» криптовалюту. Залоговый процесс в PoS назвали «стейкингом», а самих валидаторов — «стейкерами».
Через смарт-контракт проходят все сложные операции:
- Стейкинг монет и токенов;
- Свопы или обмены в блокчейн-сети;
- Внесение залогов в криптовалюте для обеспечения кредитов.
Примечание: в блокчейне смарт-контракты обрабатывают все транзакции, где участвуют две заключившие сделку стороны.
Стать валидатором могут не все участники сети. Во-первых, кандидатам выдвигают требования к застейканной сумме и самим нодам. Например, в сети Ethereum необходимо застейкать не менее 32 ETH — ~$53 000 по курсу на момент написания статьи. Пользователи с меньшей суммой активов могут самостоятельно застейкать криптовалюту через специальные пулы, например, Lido и Rocket Pool.
Во-вторых, некоторые блокчейны, вроде Aptos или Sui, решили отбирать валидаторов голосованием, либо случайном образом в соответствии с заложенным алгоритмом. В каждой сети правила отбора кандидатов и условия для валидаторов отличаются, поэтому в общих чертах описать этот процесс не получится.
Ноды должны функционировать без критических сбоев и иметь высокий аптайм — время бесперебойной работы за определённый период. Если общее время работы ноды, например, менее 90%, то валидатора могут оштрафовать или исключить при схожих систематических нарушениях.
Отличия PoS от PoW
В статье «Что такое Proof-of-Work» мы детально разобрали, как устроен алгоритм консенсуса «доказательство работы»: майнеры решают математическую головоломку, чтобы сформировать новый блок, используя большие вычислительные ресурсы.
Proof-of-Stake не требует большой вычислительной мощности для работы узлов. Блоки в PoS-сетях добывают не майнеры, а валидаторы: процесс генерации блоков не похож на майнинг, как в случае с Proof-of-Work, напоминающим чем-то добычу золота.
Стать валидатором в PoS-сети можно, запустив узел, соответствующий минимальным системным требованиям, на своем компьютере или арендованном сервере. Как правило, под эти требования попадают даже стандартные стационарные ПК и ноутбуки.
Защита сети
В механизме Proof-of-Stake предусмотрены и иные формы наказания валидаторов за вредоносное поведение или бездействие. Например, существуют штрафы в виде отмены наград за текущую эпоху и слешинг — полное сжигание ставки и исключение валидатора из сети. Штрафы начисляют за незначительные нарушения: неправильную проверку транзакций или их пропуск и другие вредоносные действия. Слешинг применяют к валидаторам при более систематических или серьезных нарушениях безопасности.
Proof-of-Work основан на конкурентном подходе к проверке транзакций: кто первым из майнеров добывает блок, тот получает награду и доход с комиссий. Сети на основе Proof-of-Stake распределяют вознаграждения между валидаторами пропорционально их доле застейканных монет. Например, если совокупная награда за блок составляет 0,5 ETH, а доля валидатора 10%, то он получит 0,05 ETH.
Получается, что валидаторам выгоднее не продавать полученные монеты, а наоборот – увеличивать свою долю в активе. Такой подход приводит к увеличению спроса на криптовалюту конкретной сети. «Майнерский» подход, наоборот, стимулирует продажи: узлам нужно оплачивать электроэнергию, покупать новое и заменять устаревшее оборудование. Все это, безусловно, оказывает негативное давление на цену.
Риск «атаки 51%» в PoS-сетях также возможен, как и в PoW-блокчейнах. Он возникает, когда доля объединённой по сговору группы валидаторов превышает половину от общей застейканной суммы. В этом случае появляется возможность подменить отдельные блоки и даже весь блокчейн, подставив в него свои поддельные копии. На сегодняшний день механизмы штрафов и слешинг экспоненциально повышают затраты на «атаку-51%», поэтому хакерам её не так уж и выгодно совершать.
Эпохи
Эпоха — это период времени, используемый для обозначения определенного события в блокчейне, например, добавления новых блоков, распределения вознаграждений стейкерам или смена «дежурных» валидаторов в сети. В PoW-сетях майнеры получают вознаграждение за каждый добытый блок в то время, как в PoS награды бывают раз в эпоху, которая может длиться от пары секунд до нескольких дней, в зависимости от правил сети.
Смена валидаторов обеспечивает дополнительную безопасность блокчейна: заранее неизвестно, какие ноды будут выбраны в следующую эпоху. При такой организации работы планировать атаку становится довольно проблематично.
Внедрение эпох позволило обрабатывать блоки «пакетами», а это нововведение дало ряд преимуществ:
- Помогло эффективнее предотвращать атаки на сеть и защитить её от двойного расходования: у валидаторов стало больше времени на проверку;
- Снизило нагрузку на сеть и повысило производительность блокчейна: за одну проверку валидаторы смогли обрабатывать больше данных;
- Защитило сеть во время отключения части валидаторов или выхода их из строя.
Примечание: двойное расходование — повторная трата активов, которых на самом деле не было в кошельке.
Резюмируем отличия между алгоритмами консенсусов в таблице:
| Критерий | Proof-of-Work | Proof-of-Stake |
| Кто добывает блоки? | Майнеры | Валидаторы |
| Требования для участия в консенсусе | Вычислительные ресурсы (хешрейт) и электроэнергия | Активы, заблокированные в смарт-контракте |
| Безопасность | Ресурсоемкие атаки, требующие колоссальных финансовых затрат | Атака на сеть потребует наличие половины монет от всей суммы активов, заблокированных в сети. Сообщество всё равно может провести контратаку |
| Награда за блок | Определяется в протоколе + комиссии | Определяется в протоколе + комиссии |
| Энергоэффективность | Нет | Да |
| Форки | Не требуются | Необходимы при критических конфликтах и ошибках. Пример — форк Ethereum после взлома протокола The DAO. |
История появления
В 2012 году разработчики Санни Кинг и Скотт Надал предложили концепцию Proof-of-Stake для решения проблемы высокого энергопотребления биткоин-майнинга. В то время на электроэнергию для майнинга Bitcoin требовалось около $150 000 в день. В настоящее время ежедневные расходы на поддержание работы самой популярной криптовалюты превышают $400 млн.
Впервые алгоритм консенсуса Proof-of-Stake реализовали в протоколе Peercoin, который создал Санни Кинг в 2013 году. Примечательно, что блокчейн Peercoin использует PoW вместе с PoS. В том же году был запущен проект Nextcoin, полностью основанный на алгоритме Proof-of-Stake.
На основе Proof-of-Stake позднее создали алгоритм консенсуса Delegated Proof-of-Stake. DPoS позволил любым холдерам стейкать криптовалюту, делегируя её валидаторам. Криптовалюта блокируется в кошельке, а делегатор получает вознаграждения пропорционально своей доле, отдавая небольшую сумму в виде комиссии с дохода. Делегатору не нужно запускать даже ноду: достаточно создать и пополнить кошелек, а затем делегировать свои средства. На алгоритме DPoS основаны блокчейны Solana, Tron, EOS, Tezos и Band Protocol.
Ещё позднее появились PoS-сети на основе Byzantine Fault Tolerance (BFT) и его модификаций — алгоритма византийской отказоустойчивости к ошибкам. Идея BFT заключается в том, что валидаторы могут отключаться от сети «по сценарию», не подвергая сеть рискам из-за сбоев и остановки.
Сети Cosmos и Avalanche используют улучшенный BFT под названием Tendermint. Этот алгоритм позволяет создавать децентрализованные PoS-/DPoS-сети на основе существующих блокчейнов. Благодаря Tendermint разработчикам не нужно создавать новый блокчейн с нуля.
Преимущества доказательства доли владения
Безопасность
PoS-сети, как и PoW, также подвержены «атакам 51%»: если валидаторы завладеют более, чем половиной всех застейканных монет, то смогут подставить альтернативную цепочку блоков взамен подлинной. Однако сообщество, находясь «в меньшинстве», может игнорировать форк злоумышленника и даже исключить валидатора из сети, уничтожив все его монеты.
Тем не менее, критики считают модель доказательства доли владения менее безопасной по сравнению с Proof-of-Work.
Снижения риска централизации
Отсутствие конкуренции не заставляет ноды объединяться для повышения шансов на получение награды: каждый валидатор и так получит свою долю. Такой подход приводит к увеличению числа узлов и, как следствие, повышению децентрализации сети. Например, в сети Ethereum количество валидаторов сегодня превышает 400 000. Стоит отметить, что в некоторых PoS-сетях это не так: BNB Chain допускает не более 41 валидатора, часть из которых по наблюдениям сообщества контролируется самой биржей Binance.
Энергоэффективность
Валидаторы несут лишь небольшие расходы за содержание ноды. Они не покупают дорогостоящее оборудование, поэтому у них отсутствует необходимость в компенсации затрат. Как только валидаторы застейкают активы, нода начнет обрабатывать транзакции и генерировать прибыль.
Обычно сети предусматривают фиксированную награду за блок и доход с комиссий, но такие правила установлены далеко не везде. Например, в сети Эфириум доход валидаторов формируется только с комиссий, а награда за блок отсутствует. Кроме того, часть монет «сжигается», и общая эмиссия актива сокращается.
Примечание: под общей или суммарной эмиссией понимают совокупное количество доступных на рынке монет. Уменьшение эмиссии приводит к дефляции и может стать драйвером роста криптовалюты. Валидаторы могут получить дополнительную выгоду от роста курса криптовалюты.
Использование экономических стимулов
Валидаторы блокируют свои средства в контракте без возможности вывода в течение, как правило, 2–3 недель (конкретный срок может зависеть от выбранной блокчейн-сети).
Примечание: время блокировки монет в разных сетях называется «анстейк-периодом» или «периодом анбондинга».
Механизм PoS устроен так, что в случае обвала цены стейкеры не смогут быстро вывести и продать свою криптовалюту на рынке. При этом сама транзакция «анстейка» видна в момент вывода активов из контракта, а не фактической разблокировки их в кошельке после окончания анстейк-периода. Благодаря этому все пользователи увидят отказ валидатора от своего «вклада» заранее: незаметно вывести монеты, опередив всех, не получится.
Недостатки
Одной из главных проблем в PoW-сетях стал высокий порог входа в майнинг, а именно – дороговизна оборудования: стоимость таких аппаратов начинается от $2000-$3000. Кроме того, энергоэффективность ASIC-устройств для майнинга Биткоина и других криптовалют на базе Proof-of-Work со временем падает, поэтому оборудование необходимо периодически обновлять. Сбыть б/у устройства не так просто, ведь не все покупатели захотят рискнуть их приобрести из-за сильного износа.
Proof-of-Stake создавали с целью снизить порог входа участников сети, которые хотят добывать блоки. Только разработчики не учитывали стоимость криптовалют при расчете минимальной суммы для стейкинга. Получилось так, что в некоторых сетях порог входа превышает десятки тысяч долларов, который увеличивается ещё сильнее по мере роста курса криптовалюты.
PoS-сети сложнее в организации. Усложнения в разработке могут приводить к большому количеству ошибок и, как следствие, повлиять на работу сети. Кроме того, этот алгоритм консенсуса намного моложе Proof-of-Work, а значит недостаточно испытан. Например, в январе 2022 года сеть Solana переставала работать 9 раз.
PoS-сети подвержены разным видам атак:
- Long-Range-Attack или атака дальнего действия: в ней группа валидаторов создает альтернативную цепочку блоков, конфликтующую с основной. Такие атаки еще называют «Ничего на кону» или Nothing at Sake (NoS). Добавление двух конфликтующих цепочек блоков в сеть приведет к двойному расходованию. Противодействовать Long-Range-Attack помогает свойство завершённости — невозможность отменить и/или изменить подтвержденные транзакции;
- Атаки типа «реорганизации»: валидаторы-злоумышленники «перетасовывают» и добавляют нужные, либо удаляют неугодные им блоки. Становится возможно заменить уже добавленные блоки в сеть, но скорость подтверждения блоков в PoS-сетях делают атаку «реорганизации» маловероятной;
- «Лавинные атаки»: поддельные блоки «вытесняют» подлинные. Нейтрализуется правилами алгоритмов выбора форка.
Большое количество валидаторов не спасут блокчейн-сеть от централизации, если в кошельках узкой группы будет сосредоточена критическая сумма активов. Решение этой проблемы пытаются найти уже сейчас. Так, многие блокчейны со смарт-контрактами стали работать по принципу Децентрализованной Автономной Организации (DAO). Любое решение в этих сообществах принимается путём голосования.
В DAO тоже есть свои недостатки. Дело в том, что вес голоса зависит от количества потраченной на него криптовалюты. Такая возможность позволяет «китам» продвигать выгодные им предложения, монополизируя любое голосование. Приведем в пример одно из голосований на Uniswap: из 20 млн UNI, участвующих в голосовании, 19 млн (95%) принадлежало всего 7 пользователям.
Топ-10 блокчейнов на Proof-of-Stake
- Ethereum (с 2022 года);
- BNB Chain;
- Cardano;
- Polkadot;
- Avalanche;
- Cosmos;
- Toncoin;
- Aptos;
- Near Protocol;
- Algorand.
Заключение
Proof-of-Stake обладает большим потенциалом по сравнению с устаревшим Proof-of-Work, но усложненная организация блокчейн-сетей приводит к большему количеству потенциальных проблем и рисков. Безопасность PoS-сетей во многом зависит от качества изначального проектирования блокчейна.
Блокчейны на PoS обеспечивают высокую гибкость в изменении существующей архитектуры сети, так как в них разработчики могут внедрять обновления без создания новой цепочки — форка.
