Какой консенсус лучше для блокчейна, proof-of-work или proof-of-stake? Многие спорят об этом и приводят разные аргументы. В этой статье я рассмотрю основные преимущества и недостатки каждого варианта.

Это перевод поста из блога Bitcoin, дополненный комментариями наших экспертов. Эти комментарии выделены курсивом.

Что такое proof-of-work?

Proof-of-work (PoW) — децентрализованный алгоритм консенсуса, впервые представленный Bitcoin (BTC). На примере этой сети мы объясним, как работает консенсус.

Сеть Bitcoin требует, чтобы ее участники вкладывали в нее вычислительные мощности (например, GPU) для решения математических задач, сгенерированных произвольным образом. Это требуется для защиты сети от единоличного контроля и манипуляций.

Каждая транзакция в сети валидируется перед добавлением в блокчейн. Затем каждый блок валидируется майнерами, получающими вознаграждение в токенах BTC за вложенные вычислительные мощности. Поэтому консенсус и называется proof-of-work — «доказательство выполнения работы».

Этот алгоритм уже проверен временем, с его помощью в сети Bitcoin успешно про валидированы миллиарды транзакций. Поддерживая достоверность и надежность, proof-of-work доказал свою ценность как самый защищенный и децентрализованный алгоритм консенсуса.

Что такое proof-of-stake?

Алгоритм консенсуса proof-of-stake (PoS) используется блокчейн-сетями как альтернатива алгоритму PoW. В этом алгоритме владельцы криптовалюты лидируют транзакции блоков исходя из принадлежащего им числа монет (токенов). Поэтому консенсус называется proof-of-stake — «доказательство доли владения».

Валидаторы здесь выбираются случайным образом. Чтобы иметь возможность стать валидатором, нужно иметь на своем балансе определенное количество токенов, с которыми работает блокчейн-сеть.

Существует много разновидностей алгоритма PoS, например, delegated-proof-of-stake (PoS — «делегированное доказательство доли владения»). Все эти варианты применяются в различных блокчейн-сетях, но в основном работают по схожему принципу.

Когда в сети появляется готовый к обработке блок транзакций, протокол криптовалюты выбирает участника сети для валидации этого блока. Валидатор проверяет точность транзакций в блоке, и после этой проверки блок добавляется в блокчейн. За это валидатор получает вознаграждение в виде токенов сети.

Если же валидатор одобрит блок с неточными данными, он будет оштрафован на некоторое количество токенов сети. Такая ситуация возможна, поскольку в PoS не используется решение криптографических задач с помощью вычислительных мощностей, как в PoW.

В блокчейне Waves Enterprise может быть использована одна из разновидностей PoS — Leased-Proof-of Stake (LPoS). Этот консенсус сохраняет все преимущества PoS, а также мотивирует миноритарных владельцев токенов. Они могут безопасно сдавать свои токены в лизинг другим участникам сети, чтобы увеличить вероятность выбора их в качестве валидатора. При этом токены не покидают счетов арендодателей, и они получают часть комиссии за транзакции в блоке, провалидированном с их участием.

Какой механизм консенсуса лучше и почему?

И PoW, и PoS созданы, чтобы помогать нодам проверять все транзакции сети. Как только все ноды подтверждают валидность блока транзакций, он добавляется в блокчейн. Каждый алгоритм предлагает для этого свою последовательность действий.

В целом, proof-of-work намного лучше подходит для валидации транзакций, чем proof-of-stake, но здесь возникает вопрос затрат. Далее я расскажу, почему это так, и оценю связанные затраты.

Безопасность и подлинность данных

PoW превосходит PoS с точки зрения безопасности и сохранения подлинности данных. Это связано с тем, что в PoW данные связаны с обоснованным выбором ролей в сети. При проверке каждой отдельно взятой транзакции это обеспечивает защиту от обмана системы. Так реализуется модель нулевого доверия, где 100% транзакций верифицированы и записаны участниками сети в публичный реестр.

В этом абзаце уловить мысль автора непросто. Возможно, он имеет в виду, что в PoS токены могут иметь непрозрачное распределение, что делает этот консенсус менее прозрачным, чем PoW, где все просто упирается в  реальные деньги, которые вложены в покупку железа. 

Кроме того, высокая степень защиты PoW обусловлена тем, что сеть со временем становится все сложнее, и шанс ее взлома снижается. В конце концов, сеть становится невозможно взломать. Она мониторится участниками, которые материально заинтересованы в ее работе, поскольку вкладывают в нее свои вычислительные ресурсы. Это делает потенциальный взлом чрезвычайно дорогим.

PoS более уязвим для взлома и атак. Теоретически, если участник сети или группа участников получат контроль над 51% ее токенов, они смогут контролировать и изменять весь блокчейн. Эта атака известна как «атака 51%».

Хотя атака 51% при алгоритме PoW выглядит как нечто из области фантастики, объединение крупнейших пулов биткоин-майнеров могло бы дать им необходимое большинство.

Владение сетью

Модель PoW требует значительных затрат на майнинг, что позволяет при ее использовании обеспечить более децентрализованную структуру. Биткоин здесь — отличный пример. Сеть биткоина полностью децентрализована. Ни один человек, организация или страна не контролируют её. Сетью владеют и управляют тысячи нод по всему миру, образуя децентрализованную и защищенную систему.

Децентрализованность биткоина преувеличена. Большая часть мощностей сети сосредоточена в нескольких гигантских пулах. С другой стороны, такие пулы меньше всего заинтересованы в том, чтобы скомпрометировать сеть, ведь они вкладываются в неё больше всего.

Инфраструктура на основе PoS более централизована. Участники сети, имеющие больше токенов (или средств на их покупку), получают все больший контроль над сетью с каждым новым полученным  токеном.  

Это опасно, так как группа участников, получившая 51% токенов, может изменить блокчейн для получения личной выгоды. Разве подобные системы уже не создавали проблем? Откройте глаза — мы живем в подобной системе довольно давно и смотрите, куда это нас привело.

Число известных форков биткоина действительно гораздо ниже, но к концу этого пункта автор, видимо, уже выходит за предмет обсуждения. 

Распределение вознаграждений и равенство участников

Согласно модели PoW, майнеры получают дивиденды за решение сложных математических задач — награду за блок и иногда комиссии за транзакции. Это стимулирует участников верным образом, поскольку ноды соревнуются за решение задачи для получения награды.

Получить награду становится все сложнее, поскольку решение каждой следующей задачи требует все больше вычислительной мощности. Это делает сеть более защищенной, а потенциальные атаки на нее — более затратными. 

Ценность криптовалюты растет, соответственно, растет и награда участникам сети. Каждый майнер имеет равные шансы получить награду, что обеспечивает безопасность и устойчивость сети. Алгоритм стимулирует правильное поведение и предотвращает форки — альтернативные цепочки, которые могут возникнуть при обновлении протокола.

В модели PoS участники стремятся получить вознаграждение, только чтобы увеличить свой баланс и в будущем иметь еще большие шансы на вознаграждение. Это ведет к централизации сети, когда участники с бо́льшим балансом получают больший контроль над блокчейном. В блокчейнах, которые не мониторятся, это ведет к росту угроз безопасности и уязвимости даже для сравнительно недорогих атак.

Этот довод справедлив и для PoW, где майнеры точно так же вкладывают деньги в увеличение мощностей своего майнинг-пула и тем самым делают всю сеть более централизованной.

Проверка временем

Алгоритм PoW прошел проверку временем, и сеть Bitcoin — наглядное тому доказательство. За 13 лет эта сеть ни разу не была взломана и скомпрометирована. Это самая мощная сеть в мире, сохранившая подлинность данных, надежность и безопасность.

С другой стороны, модели PoS появились позднее и все еще находятся на ранних этапах развития как с технической точки зрения, так и в процессе принятия рынком. Многие сомневаются в моделях консенсуса на основе PoS, поскольку многие из них пока не успели полностью протестировать.

Энергопотребление

Избыточное энергопотребление сетей на консенсусе PoW обсуждают широко. Это негативно влияет на окружающую среду и приводит к дополнительным тратам. Да, это действительно так: сети на основе PoW потребляют гораздо больше энергии, чем на PoS. Это связано с тем, что сеть становится сложнее и требует все больше вычислительных мощностей для решения все более сложных математических задач. Такова цена функционирования хорошо защищенной сети.

Любая финансовая система, которая ставит безопасность во главу угла, потребляет много энергии. Фиатные валюты, к примеру, потребляют гораздо больше энергии, чем системы на основе консенсуса PoW. Привычная экономика опирается на бумажные деньги, их производство требует ресурсы и вносит большой вклад в загрязнение окружающей среды. Если вы посчитаете, сколько энергии потребляют банки, их офисы, хранилища, транспорт и другие элементы инфраструктуры, традиционная банковская система становится куда менее экологичной по сравнению с сетью Bitcoin.

Сеть, основанная на консенсусе PoW, не требует никаких физических ресурсов — лишь вычислительные мощности для поддержания блокчейна. Таким образом, хоть Bitcoin и потребляет много энергии, он гораздо более экологичен по сравнению с традиционными фиатными валютами. Это шаг вперед. Переезд финансовых систем в сеть Bitcoin не только сделает их более эффективными и защищенными, но и позволит эффективнее бороться с глобальным потеплением.

Автор лукавит, пытаясь так просто исключить вопрос вычислительных мощностей. Биткоин, конечно, не требует печати и перевозки бумажных денег, но бесперебойная масштабная цифровая инфраструктура ему необходима. И каждому пользователю такой финансовой системы потребуется свое устройство для переводов, хотя бы смартфон. Производство такого количества техники вполне может оказать сопоставимый вред окружающей среде. Здесь можно провести параллели со сравнением автомобилей на электродвигателях и ДВС. Консенсус PoS, не привязанный к вычислительным мощностям, здесь однозначно выглядит привлекательней.  

Как я писал выше, PoW — это отличная система, сама по себе поощряющая инновации в том числе и в сфере энергетики. За последние несколько лет энергопотребление сети было значительно оптимизировано за счет возобновляемой энергии, а также энергии, которая в противном случае все равно была бы потрачена зря.

Согласно отчету Global Bitcoin Mining Data, в первом полугодии 2021 года для майнинга биткоина использовались преимущественно возобновляемые источники энергии. Фактически сеть Bitcoin потребляет только 0.122% мировой энергии. В третьем квартале эффективность майнинга выросла на 23%, а доля возобновляемых источников энергии — на 3%.

За последние семь лет эффективность майнинга в сети Bitcoin выросла в 7 раз, то есть на 4237%. Согласно отчету, в Bitcoin Mining Council ожидают, что в ближайшие четыре года эффективность майнинга вырастет в три раза, а потом еще в два раза за тот же период. Получается, что сеть Bitcoin не только более энергоэффективна, чем все банковские системы сегодня — ее превосходство только увеличится в ближайшие восемь лет.

Награды за майнинг биткоина высоки, что стимулирует майнеров искать альтернативные источники энергии. В свою очередь, это поощряет развитие возобновляемых источников. Поскольку наибольшие затраты в сети Bitcoin идут на электричество, майнеры постоянно ищут самые дешевые и чистые источники энергии, чтобы максимально увеличить прибыль.

Фактически майнинг биткоина можно признать самой «зеленой» индустрией в мире. Большинство майнинговых ферм сосредоточено в районах с доступной возобновляемой энергией. Такие источники становятся все более популярны, поскольку они чище и дешевле традиционных. Многие эксперты верят в перспективы возобновляемых источников энергии и в то, что они, в конце концов, сместят источники традиционные. Майнинг биткоина — локомотив этих изменений. Энергопотребление сети здесь — лишь небольшая цена за те экономические и социальные преимущества, которые дает система. Bitcoin здесь оправдывает все затраты.

Огромное энергопотребление — это действительно недостаток PoW, неудивительно, что ему посвящен самый большой подраздел. Возможно, благодаря описанным автором перспективам этот недостаток будет постепенно сходить на нет.

Заключение

Если вы сопоставите преимущества и затраты сетей на основе консенсуса PoW, то поймете, что первая чаша весов явно перевешивает. PoW — отличный алгоритм, честный, защищенный и обеспечивающий правильное для развития сети стимулирование. За последние несколько лет энергопотребление Bitcoin значительно снизилось, растет доля возобновляемой энергии и энергии, которая в противном случае была бы утеряна зря.

Сеть биткоина, основанная на консенсусе PoW, прошла проверку временем уже в течение 13 лет. Это исчерпывающее доказательство того, насколько эффективна эта модель. Сеть, основанная на равенстве, безопасности, децентрализации и консенсусе PoW, обречена на успех.

Мнение автора статьи, естественно, может не совпадать с нашим мнением. Специфика Waves Enterprise такова, что наш подход к выбору консенсуса сильно отличается. Сейчас мы готовим пост о том, как сами выбирали консенсус для сети (их, кстати, у нас несколько) — и в итоге пришли к разработке своего варианта на основе CFT.