Что такое Proof of Stake (PoS): обзор, стейкинг, сравнение с PoW

4 августа 2020 года команда Ethereum запустила тестовую сеть Medalla, главная задача которой — обеспечить переход платформы на алгоритм Proof of Stake, или PoS.

Что такое Proof of Stake

В отличие от централизованных систем, где источник истины определяется контролирующим субъектом, распределенные системы полагаются на большое количество автономных органов власти, узлов (или нод), которые сотрудничают для обслуживания системы. Алгоритм консенсуса — это  механизм, с помощью которого узлы в распределенных сетях приходят к соглашению о том, что является последней и точной записью данных, например, какая транзакция легитимна.

Proof of Stake, или PoS — один из таких алгоритмов. Его суть в том, что проверку легитимности транзакции осуществляют специальные узлы, валидаторы, которых выбирают на основе комбинации нескольких факторов: количество монет в кошельке валидатора (он же стейк), возраст стейка и рандомизация.

Проверка нового блока происходит так:

1. Валидатор делает ставку: блокирует часть монет в кошельке. Обычно  система устанавливает некий минимальный порог для такой ставки.

2. Когда системе нужно сгенерировать новый блок, она выбирает валидатора, который сделал ставку и находится в сети. Выбор валидатора может быть либо псевдослучайным (PoS), либо осуществляться по очереди (DPoS).

3. Валидатор проверяет блок, добавляет его в цепочку и получает награду. Процесс формирования нового блока называют форжингом.

4. Если валидатор замечен в мошенничестве, например, в попытке провести двойную трату, его ставка изымается в пользу системы.

Вознаграждение формируется не из сгенерированных монет, как в алгоритме PoW (например, в сети Биткоин), а из совокупных комиссий, которыми участники оплатили услуги валидации своих транзакций. Размер вознаграждения определяется конкретным механизмом PoS, криптовалютой и другими факторами. Процесс зарабатывания монет валидаторами получил название стейкинг.

Как появился Proof of Stake

Впервые о PoS заговорили на форуме bitcointalk.org году в 2011. Пользователь под ником QuantumMechanic создал топик Proof of stake instead of proof of work. Автор писал: «Под доказательством доли я подразумеваю то, что вместо того, чтобы ваш «голос» за принятую историю транзакций взвешивался по доле вычислительных ресурсов, которые вы привносите в сеть, он взвешивается по количеству биткоинов, которыми вы владеете». По мнению QuantumMechanic это даст следующие преимущества:

• Более быстрое и определенное подтверждение транзакций.

• Не нужно покупать оборудование для майнинга, которое могут конфисковать (тогда статус криптовалют еще был полулегальным).

• Более надежная система «права голоса», которая формироваться снизу вверх, а не как сейчас: произвольно и / или централизованно.

• PoS предоставит «право голоса» всем участникам путем делегирования их монет (т.е. голосов) доверенным узлам — делегатам.

Идея QuantumMechanic понравилась сообществу bitcointalk, которые не только ее приняли, но и развили. Кроме того, со временем в Proof of Stake увидели ряд других преимуществ, например, снижение потребления электроэнергии и большая выгода в сетях блокчейна, где все монеты уже сгенерированы.

Первое практическое воплощение Proof of Stake произошло в 2012 году в блокчейне Peercoin, который использовал гибридный алгоритм PoW / PoS, где PoW нужен был лишь для эмиссии монет, тогда как PoS отвечал за валидацию транзакций. Детально  эта модель консенсуса описана в работе Санни Кинга и Скотта Надаля PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency с Proof-of-Stake.

В 2014 году Даниель Люмьер доработал алгоритм, создав механизм Delegated Proof of Stake доказательства доли владения (DPoS). Он был впервые реализован в сети Bitshares и оказался настолько эффективным, что и другие криптовалюты стали постепенно на него переходить. Помимо Bitshares, Люмьер в последующем создал блокчейны Steem и EOS, которые также используют DPoS.

Основные разновидности PoS

Сегодня есть много вариаций алгоритма PoS. Самый популярный — Delegated Proof of Stake (DPoS), суть которого в том, что пользователи сети могут делегировать свои монеты другим участникам, мастернодам, голосуя таким образом за валидаторов в обмен на долю от их прибыли. Доход голосующего обычно зависит от размера его вклада в общие голоса мастернодов — чем он больше, тем выше доход.

Другие популярные вариации алгоритма PoS:

• Leased PoS (LPoS). Участники могут сдавать свои токены в аренду другим участникам. Переданные в аренду монеты увеличивают «вес» узла, давая ему больше шансов на генерацию нового блока и получение награды. В обмен на токены узлов-арендодателей узел-арендатор делится с ними своей наградой.

• Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT). Отказоустойчивый византийский протокол, когда держатели монет выбирают «счетоводов», которые и отвечают за генерацию новых блоков и достижение консенсуса.

• Proof of Importance. При выборе валидаторов используется механизм, который учитывает число монет на счету, время нахождения узла-валидатора онлайн и его активность, т. е. количество транзакций за последнее время.

• Casper. Гибридный алгоритм Эфириум, которой должен перевести сеть с PoW на PoS с небольшими модификациями. Например, если валидатор поддержит пустую форковую цепочку блокчейна, то он будет отвечать не только своей ставкой, но и суммой, равной двойной трате транзакции.

• Proof of Stake Velocity (PoSV). Механизм консенсуса блокчейна Reddcoin, где вознаграждение валидатора зависит не только от доли владения монетами, но и от скорости выполнения работы.

Proof of Stake vs Proof of Work

Последнее слово

Хотя Proof of Stake имеет несколько недостатков, этот алгоритм оказался превосходным по сравнению с Proof of Work с точки зрения простоты майнинга и энергоэффективности, поэтому следует ожидать дальнейшего роста интереса к PoS. Впрочем, для того чтобы это стало действительно популярным трендом, необходимо показать эффективность алгоритма в топовом проекте, например, в Ethereum 2.0. Так что будем ждать результатов тестирования Medalla и перехода Эфира на PoS.