Proof of Work против Proof of Stake: выживет только один?
Для удобства, в данной статье мы используем английские сокращения:
- PoW (от: Proof of Work) для метода доказательства выполнения работы.
- PoS (от: Proof of Stake, также «стекинг») для метода доказательства доли владения.
Также обращаем ваше внимание, что ссылки внутри статьи ведут на англоязычные ресурсы.
Метод (также и принцип) доказательства работы (англ. Proof of Work или, сокращённо, PoW) по-прежнему уверенно удерживает статус консенсусного алгоритма, к которому наиболее часто прибегают популярные криптовалютные сети.
Однако в последние годы некоторые блокчейны стали предпринимать попытки переключиться между системами — к примеру, Ethereum, который планирует полностью пересесть на принцип доказательства доли владения (англ. Proof of Stake или, сокращённо, PoS) к 2022 году, что должно посодействовать масштабируемости проекта. А новые блокчейны и вовсе в массе своей используют PoS, его варианты или обновления.
Сравнивая принципы доказательства выполнения работы (PoW) и доказательства доли владения (PoS), мы попытаемся спрогнозировать будущее и определить перспективы, которые открываются перед ними на ближайшие годы.
Прямое сравнение: PoW против PoS
Чтобы помочь вам лучше понять разницу между двумя методами, я взгляну на них под разными углами, с точки зрения последовательности, энергопотребления, участников, а также систем распределения вознаграждения.
Последовательность блокчейна
Блокчейн представляет из себя цепочку блоков, состоящих из транзакций. Первый блок называется первичным (англ. genesis block), за ним выстраиваются следующие блоки. Каждый следующий блок связан с предыдущими, что делает повторную трату ранее израсходованных «цифровых монет» маловероятной.
Последовательность в PoW
Конкурируя за добавление следующего блока в цепь, те из майнеров, кто предпочитает крипто-блокчейны на основе метода PoW (Биткойн, к примеру), используют оборудование, обладающее значительной вычислительной мощностью, и потребляют энергоресурсы.
Существует так называемое «правило самой длинной цепочки», когда нет уверенности в том, что последний добавленный блок станет последним в цепочке. Существует вероятность, что другой майнер добавит два последовательных блока быстрее конкурентов и сделает предыдущий блок недействительным. В таком случае одна цепочка становится длиннее предыдущей. Поэтому майнерам биткойнов необходимо дождаться не менее шести подтверждений транзакций (или добавления шести блоков), что сделает транзакцию окончательной.
Последовательность в PoS
Метод PoS, являясь одной из ближайших альтернатив PoW, сортирует блоки один за другим в хронологическом порядке, но он не предполагает каких-либо физических усилий или энергоемких процессов. Здесь также нет конкуренции между валидаторами, или, иными словами, участниками-«аудиторами».
В PoS генерация одного блока занимает не 10 минут, как в случае с Биткойном, но одну или две секунды.
Энергопотребление
Создавая Биткойн, Сатоси Накамото вряд ли мог предположить, какой масштаб приобретёт его творение и насколько энергозатратными будут связанные с ним процессы.
Сейчас по миру разбросано огромное количество промышленных майнинговых «ферм», которыми, используя хеш-функции, руководят замотивированные получить вознаграждение в битках ASIC-майнеры. Можно сказать, что индивидуальный майнинг на персональном компьютере остался в прошлом.
Энергопотребление при PoW
Здесь кроется основная разница между протоколами PoW и PoS.
В поисках особого случайного однократно используемого числа (англ. nonce), майнеры решают сложные математические функции (процесс называется хешированием), чтобы получить право создать новый блок и добавить его в цепочку. Чтобы выиграть эту гонку, необходимы сотни и тысячи единиц специализированного ASIC-оборудования, а это, в свою очередь, требует чудовищных энергозатрат.
В настоящее время уровень потребления энергии в процессе майнинга одного только Биткойна сопоставим с таковым в средней по величине стране (например, с уровнем Норвегии или Аргентины). Если бы Биткойн был страной, объём его энергопотребления входил бы в мировой рейтинг топ-30! По данным исследователей из Кембриджского университета, годовое потребление энергии BTC достигает примерно 121 тераватт-часа (ТВтч).
Однако я бы не назвал это бессмысленной «жертвой», скорее — технологией защиты самого блокчейна криптовалют. Согласно ещё одной кембриджской работе, 39% энергии, уходящей на хеширование, приходится на возобновляемые источники, что подтверждается разработкой программного обеспечения, которую ведёт инициатива Crypto Climate Accord. Да, Биткойн по-прежнему требует много энергии, но её могут вырабатывать ветряные и солнечные электростанции.
Энергопотребление при PoS
В PoS-сетях нет конкуренции за предложение нового блока на основе энергопотребления. Но все же PoS-майнерам необходимо постоянно обслуживать свои компьютеры и обеспечивать доступ в Интернет, что тоже требует некоторых затрат.
Поскольку PoS-блокчейнам требуется гораздо меньше энергии, запуск сети обходится дешевле. Но операторы пулов и валидаторы по-прежнему могут извлекать выгоду, так как пропускная способность количества транзакций намного выше, и даже при более низкой комиссии за транзакцию управляющие сетью всё равно вознаграждаются. На сегодняшний день, альтернатив PoS с точки зрения стабильности, похоже, не существует.
Участие
Участие в PoW
Для того, чтобы стать участником сети PoW, пользователю придётся приобрести весьма дорогое оборудование для майнинга. Чем крупнее вложение, тем выше шанс создания нового блока. Это станет преимуществом для игроков, которые уже используют свои майнинговые машины, или даже для тех, кто имеет доступ к новым технологиям и обновлённым версиям ASIC или GPU, используемым для майнинга в PoW-сетях.
Участие в PoS
В PoS все пользователи, владеющие определённым токеном, могут участвовать в алгоритме консенсуса. В сети с более низкими барьерами каждый может стать валидатором или производителем блоков. Проекты, где функционируют стекинг-пулы, такие как Cardano или Polkadot, позволяют пользователям поручить управление своими токенами какому-либо пулу или хорошо зарекомендовавшему себя валидатору.
Условием участия для стекинг-пулов или валидаторов в сетях PoS является владение определённым количеством (долей) токенов и их удержание в течение определённого времени. Валидаторы рискуют потерять свою долю при использовании любых вредоносных методик, таких, как двойное расходование или скоординированные атаки в сети.
Системы распределения вознаграждения
Распределение вознаграждений в PoW
В сети Биткойн майнеры получают вознаграждение за каждый блок, оно состоит из комиссии за транзакцию и фиксированной цены за новый блок. Однако каждые 4 года, после майнинга определенного количества блоков, сумма эта урезается вдвое. Такой процесс называется халвинг (halving, «уполовинивание», «уменьшение в два раза») и включён в исходный код протокола Биткойн.
Благодаря халвингу инфляция Биткойна с течением времени снижается. В какой-то момент она достигнет 0%, то есть, майнеры добудут все из существующих 21 миллиона «цифровых монет» BTC.
В результате халвинга «монет», используемых для вознаграждений, цена биткоинов удваивается, либо увеличивается комиссия за транзакции — в противном случае майнеры не смогли бы извлекать прибыль и отключили бы оборудование.
Так происходит из-за того, что размер блока определён, и обновления, такие как схема аутентификации Шнорра, помогут улучшить текущее количество транзакций в секунду, однако для растущего числа пользователей этих мер будет недостаточно.
Пропускная способность Ethereum на данный момент составляет 25 т/сек, но реализация PoS и завершение сегментирования позволит совершать сотни и даже тысячи транзакций в секунду.
Распределение вознаграждений в PoS
Сети PoS вознаграждают пользователей, которые предлагают действительный блок в цепочку блоков. Вознаграждения различаются от блокчейна к блокчейну.
Некоторые состоят только из комиссий за транзакции, другие первые несколько лет выдаются из специального бюджета, пока сеть не станет более «обкатанной» и не сможет обеспечивать достаточное количество транзакций, комиссия за которые покроет расходы валидаторов.
Степень инфляции или дефляции «цифровых монет» PoS различна для каждого протокола, и даже управление цепочкой может со временем претерпеть изменения, поэтому я не стану дальше углубляться в данную тему для этой статьи.
В то время как в PoW вознаграждение в виде новых «монет» и комиссий за транзакции получают исключительно майнеры, в PoS его может получить любой пользователь, даже тот, кто сам не участвует в консенсусе и не входит в какой-либо пул, а также и «ходлеры» (от англ. HODL, интернет-мем, сленговое слово, описывающее тех, кто покупает криптовалюты и удерживает их вне зависимости от рыночной ситуации. HODL иногда расшифровывается как аббревиатура hold on for dear life — «купи и держи», «удерживай любой ценой», — но на самом деле понятие возникло из-за крайне удачной и забавной опечатки в слове hold). Вот почему распределение токенов в PoS более справедливо.
Удастся ли PoS вытеснить PoW?
Немного истории. Метод PoW возник задолго до PoS, и второй задумывался как улучшенная версия первого, обеспечивая защиту от DoS-атак и спама. PoW «родился» в 2008 году, когда Сатоси Накамото опубликовал свою статью о Биткойне.
Функциональная реализация PoS, которая в определённой степени улучшила PoW, была представлена в 2012 году криптовалютой Peercoin. С тех пор технология, лежащая в основе PoS, многократно обновлялась исследователями и разработчиками.
При оценке методов PoW и PoS также необходимо рассмотреть вариант использования каждого алгоритма; так, например, большое количество смарт-контрактов лучше использовать с блокчейнами криптовалют PoS.
Как только блокчейн решит так называемую трилемму масштабируемости, безопасности и децентрализации, он станет мощным ответом на сети PoW, которым как раз масштабируемости и не хватает.
Решив вопрос с предложением нового блока, сеть с хорошо защищённой криптографической «лотереей» будет тратить на эту операцию секунды, а не 10 минут, как Биткойн. Тогда блокчейны PoS превзойдут PoW, что поможет обеспечить строго ограниченную пропускную способность транзакций.
А с увеличением числа пользователей масштабируемость Биткойна на первом слое, а также и других блокчейнов PoW, у которых всё отлично с безопасностью, станет представлять проблему. В этом блокчейны криптовалют PoS представляются мне более успешными.
Уживётся ли протокол PoW в мире экологического активизма?
На массовое внедрение криптовалюты влияет экологический активизм — главным образом потому, что Биткойн и другие сети PoW очень энергоёмки, даже учитывая необходимость обеспечить защиту сети, или принимая во внимание право каждого человека тратить энергию, за которую он заплатил, в своих целях.
Достаточно посмотреть на Илона Маска и его часто меняющееся мнение о криптовалютах. Сначала он объявляет, что Tesla купила криптовалюту и начнёт принимать биткойны в качестве платежа за свои автомобили. Затем он делает финт ушами и опровергает свои слова, говоря, что ничего подобного не произойдёт, пока биткойн-майнеры не начнут использовать исключительно возобновляемую энергию.
Что касается возможности сосуществования обоих алгоритмов, то, думаю, нет особого смысла сравнивать PoW и PoS.
Определённые шаги и решения могут раз и навсегда разрешить этот негативный экологический аспект криптографии. Технологический рост индустрии блокчейнов приводит к более высокому потреблению энергии, но её можно извлекать из возобновляемых источников, таких как энергия ветра или солнца, и отказаться от использования угля и нефти. Как только начнётся разворот в этом направлении, люди пересмотрят своё отношение и согласятся, что криптовалюты на верном пути.
Займёт ли переход к возобновляемым источникам энергии ещё два года или даже пять лет? Скорее всего. Но сроки не так уж важны. Самое важное здесь — распространить информацию и приблизиться к цели сделать криптовалюты экологически чистыми, заглушая аргументы оппонентов.
Сейчас я не вижу необходимости отказываться от блокчейнов криптовалют PoW. В худшем случае произойдет отток принципиально слабых пользователей и инвесторов, и, думаю, я смогу с этим жить. Считаю, что в будущем найдётся место для «монет» как PoS, так и PoW.
Влияние на операторов платформ PoS и PoW и пользовательский опыт
Если смотреть на PoW и PoS с точки зрения масштабируемости транзакций, то на первом слове PoW конкурировать не способен. Финализация транзакций, занимающая от нескольких минут до нескольких десятков минут, а не секунд, — очевидное неудобство.
Разумеется, блокчейны PoW применимы к крупным транзакциям, которые не нарушают временные рамки. Но это сильно ограничивает пользователей децентрализованных финансовых сервисов или торговых платформ, где время исполнения заявок играет важнейшую роль, особенно при большой волатильности цен.
Арбитраж, различные типы криптовалют на разных биржах — всё это требует быстрого реагирования и финализации транзакций. Понятно, что даже операторы платформ включают некоторый резерв времени, чтобы быть уверенным в финальности транзакции, иначе возникает проблема двойной траты.
Техно-усовершенствования сетей PoS улучшают взаимодействие с пользователем на криптобиржах, и я полностью поддерживаю идею реализации всё большего количества криптовалют PoS, а не тех, которые используют алгоритм консенсуса PoW.
Пример: Ожидаемый переход Ethereum от PoW к PoS
С ростом числа пользователей Ethereum начал испытывать проблемы, связанные с масштабированием, что увеличивает комиссию за транзакции. Один блок может содержать около 15 транзакций в секунду, что немного для сети, которая является платформой для взаимозаменяемых и невзаимозаменяемых токенов, смарт-контрактов, децентрализованных приложений и обычно служит основой для движения DeFi.
Одно из решений прошлых лет — увеличить лимит на газ для блока (указывает, сколько транзакций поместится в блоке).
Но это не конечное решение, и нам придётся дождаться реализации новой версии Ethereum: Ethereum 2.0, часто также называемой Serenity.
Основное изменение по сравнению с версией 1.0 — переход алгоритма консенсуса с PoW на PoS, не зависящий от майнинга на специализированных аппаратных устройствах, а выбирающий транзакции, одобренные валидаторами. Такой ход увеличит пропускную способность и сэкономит много энергии.
Второе существенное изменение — это так называемые Shard Chains (от англ.: sharding — сегментирование, shard — осколок), по которым будет распределяться работа сети, что позволит обрабатывать заказы с гораздо большим количеством транзакций и, как следствие, снизить комиссию за транзакции.
Неизвестно, успеют ли создатели реализовать все сложные этапы преобразования v.2.0, если они стремятся уложиться в ожидаемые сроки к 2022 году или несколько позже. Однако, если они достигнут успеха без серьёзных осложнений и задержек, весь крипто-мир сделает шаг вперед. Количество транзакций в секунду увеличится с нескольких десятков до нескольких тысяч, а в сочетании со вторыми слоями и до сотен тысяч.
PoS и PoW: Подведём итоги
Противостояние PoW и PoS — захватывающее зрелище. Конечная цель успешной сети блокчейнов должна заключаться в поиске бескомпромиссного решения так называемой трилеммы блокчейна, треугольника с жизненно важными характеристиками на каждой из его вершин: безопасность, децентрализация и масштабируемость.
Маловероятно, что вы станете использовать свои «монеты» стоимостью в тысячи или даже миллионы долларов в небезопасной сети, правда?
Безопасность — краеугольный камень, без которого ни один блокчейн успеха не добьётся.
Низкий уровень децентрализации также является причиной не на шутку озаботиться. В централизованных сетях на дальнейшие события может влиять одно лицо или группа крупных игроков. По прихоти руководителя централизованной сети ваши средства могут заморозить, вы можете потерять возможность их перемещения. Серьёзная угроза.
Единая точка отказа (англ.: SPOF, single point of failure) также является вопросом безопасности.
Допустим, проблемы на двух пиках треугольника решены. Теперь на сцену выходит масштабируемость. Вы можете обеспечить безопасность и децентрализовать блокчейн, но без надлежащего уровня масштабируемости он будет слишком долгим и дорогим в использовании.
На мой взгляд, PoS — это естественная эволюция PoW, потому что данный метод решает проблему масштабируемости, чем печально известны PoW-сети, а это особенно актуально сейчас, когда количество новых пользователей стремительно растёт. Биткойн, будучи первой сетью PoW, может, и удовлетворял потребности тысяч пользователей, но теперь отправлять токены по всей планете хотят миллионы новоприбывших и проблема масштабирования требует неотложного внимания.
Я наблюдаю за переходом Ethereum к версии 2.0 и радуюсь, когда появляются новости и техническая информация. Будем надеяться, что обновления пройдут гладко и без неоправданных задержек, потому что подобный переход обязательно принесёт важные долгосрочные последствия.
Двинется ли Биткойн в сторону PoS? Думаю, сейчас в этом необходимости нет, особенно если учесть, что здесь разработчики более консервативны, чем в других проектах. Биткойн — первая криптовалюта, принадлежащая людям, и это логично, если система сперва понаблюдает за сложным обновление Ethereum.
Но… Всё может быть. Поживём и увидим, что случится с методами доказательства выполнения работы и доказательства доли владения.