Приходя к консенсусу: Proof-of-Work против Proof-of-Stake

Когда я впервые заинтересовался криптовалютой, я сразу же был очарован этой технологией, и мне пришлось копать глубже и изучать все, что можно. Я узнал о том, как транзакции записываются в глобальную децентрализованную книгу, и эти транзакции являются неизменяемыми  — это означает, что их нельзя остановить или отменить  — что делает их устойчивыми к цензуре и очень безопасными.

Как технофил, родившийся во времена коммутируемого Интернета, я всегда был одержим тем, как все работает. Меня волнует то, как, почему и каким образом системы могут развиваться. Я и не подозревал, что мир блокчейна, криптовалюты и Web3 предоставит больше информации, чем я знал, что с ней делать.

Одна из первых вещей, которые я узнал, это то, что Биткойн поддерживает свою децентрализацию посредством процесса, называемого майнингом Proof-of-Work. Вы, наверное, слышали, что это не очень хорошо для окружающей среды, что это медленно и расточительно; или, возможно, вы слышали, что он децентрализован, эгалитарен и безопасен. В каком-то смысле оба верны, а в каком-то нет.

В этой статье я хочу взглянуть на то, что такое Proof-of-Work, и сравнить его с другим методом защиты и децентрализации блокчейнов, о котором вы, возможно, слышали, который называется Proof-of-Stake.

Итак, давайте углубимся в это

Доказательство чего?

Я начну с того, что заложу небольшую основу для этого обсуждения, так как для некоторых читателей это может быть введением в то, что, по общему признанию, является довольно сложным предметом. Как я упоминал в недавнем посте, Proof-of-Work (PoW) и Proof-of-Stake (PoS) обычно называют механизмами консенсуса, однако на самом деле это неправильное название. Это механизмы сопротивления Сибиллы и составляют лишь половину полного механизма консенсуса, используемого данным блокчейном.

Согласно Ethereum.org, устойчивость Сивиллы «измеряет, насколько протокол справляется с атакой Сивиллы. Атаки Сивиллы — это когда один пользователь или группа притворяются многими пользователями. Устойчивость к этому типу атак важна для децентрализованной цепочки блоков и позволяет майнерам и валидаторам получать одинаковое вознаграждение в зависимости от вложенных ресурсов. . Proof-of-Work и Proof-of-Stake защищают от этого, заставляя пользователей тратить много энергии или вносить много залога. Эти меры защиты являются экономическим сдерживающим фактором для атак Sybil».

Поскольку сопротивление Сивиллы лежит в основе защиты блокчейна, неудивительно, что выбор механизма становится очень напряженным. Интересно, однако, что многие люди не до конца понимают, как они работают, чем они отличаются и насколько похожи друг на друга.

Ниже я кратко объясню, как работает Proof-of-Work…, чем отличается Proof-of-Stake, и, наконец, я докажу, что у него больше преимуществ. Но какой?

PoW: как это работает?

В основе сетей Биткойн, Эфириум, Flux (и многих других) лежит механизм, называемый Консенсус Накамото. Впервые описанное в официальном документе 2008 года псевдонимом шифропанка (или группы шифропанков) по имени Сатоши Накамото, это сочетание сопротивления Proof-of-Work Sybil и * Правило самой длинной цепочки* для поддержания канонической истории блокчейна было — и является — новаторским.

Помимо жаргона, в простейшем виде это выглядит следующим образом:

Используя специализированное оборудование, такое как компьютерные графические карты (GPU) или специализированные интегральные схемы ([ASIC] (https://en.bitcoin.it/wiki/ASIC)), сети, такие как Биткойн, требуют, чтобы те, кто проверяет транзакции, предоставили доказательства того, что они выполнили трудную и энергоемкую задачу.

Эта функция называется майнинг, и майнеры участвуют в гонке, чтобы найти чрезвычайно случайное число, называемое одноразовым номером.

Nonce — это недостающая часть криптографической головоломки, которая удерживает текущий блок от финализации, чтобы следующий блок мог стать доступным. Учитывая предполагаемую скорость выполнения транзакций, первый майнер, решивший головоломку, получает награду за блок: заранее определенную выплату за программную инфляцию, распределяемую в соответствующем блоке.

Те, у кого больше вычислительной мощности (называемой хешрейтом), с большей вероятностью получат вознаграждение за блок. Чтобы достичь такой вычислительной мощности, майнерам — а чаще майнинговым компаниям или пулам — потребуется приобретать больше оборудования и расходовать больше энергии.

Здесь обычно начинаются споры об энергетике.

Экологически настроенные люди обеспокоены тем, что использование энергии Proof-of-Work порождает огромный углеродный след. В конце концов, большая часть мира по-прежнему получает энергию от ископаемого топлива.

Интересно, что [данные] (https://coinshares.com/research/bitcoin-mining-network-2022), похоже, не подтверждают этот аргумент, поскольку многие майнинговые предприятия открывают магазины там, где энергия дешевле всего: рядом с плотинами гидроэлектростанций. , солнечные и ветряные электростанции и другие возобновляемые источники энергии. Это также демонстрирует, что Proof-of-Work не зависит от типа используемой энергии. И, что интересно, сама идея о том, что Proof-of-Work может служить средством монетизации энергии, создает некоторые уникальные возможности. Например, солнечная, ветровая, геотермальная и приливная энергия обычно производят больше энергии, чем они могут использовать или хранить, создавая так называемую бесполезную энергию.

Эта энергия может быть сохранена (по мере совершенствования технологии аккумуляторов), но даже в этом случае может оказаться более целесообразным направить часть или весь этот избыток на майнинг. Причина? Создание инфраструктуры возобновляемых источников энергии обычно требует государственных субсидий, что замедляет темпы ее развертывания. Принимая во внимание, что операции, которые могут монетизировать застрявшую энергию, могли бы гипотетически финансировать себя, возможно, полностью устраняя необходимость в субсидиях.

Это лишь одна из многих интересных идей, каждая из которых заслуживает дальнейшего изучения. Вот [интересный документ от Square & Ark Invest] (https://assets.ctfassets.net/2d5q1td6cyxq/5mRjc9X5LTXFFihIlTt7QK/e7bcba47217b60423a01a357e036105e/BCEI_White_Paper.pdf), который стоит проверить на эту тему. Теперь к Proof-of-Stake

Что поставлено на карту с PoS?

Как мы видели выше, Proof-of-Work по своей сути сводится к обмену капитала (инвестиции в оборудование и имущество, текущие затраты на энергию) за возможность проверки блоков и, таким образом, получения вознаграждения. Это делается окольным путем, который создает многочисленные внешние эффекты, некоторые положительные, как обсуждалось выше, и некоторые отрицательные, к которым мы вернемся позже.

Proof-of-Stake построен вокруг этой оценки. Его сторонники утверждают, что если все, что на самом деле происходит в системе PoW, заключается в том, что кто-то ставит на карту свой капитал, инвестируя в оборудование, имущество и энергию, то почему бы просто не поставить на карту сам капитал?

С тех пор, как Peercoin впервые внедрил его в 2012 году, Proof-of-Stake (PoS) превратился в наиболее часто используемый метод защиты от Sybil для криптовалют и других проектов, основанных на блокчейне. За исключением Биткойна, Эфириума и Лайткойна, почти все самые известные блокчейны (Polygon, Avalanche, Tezos, Cardano, Solana) используют Proof-of-Stake.

Более того, сам Ethereum быстро приближается к долгожданному переходу с PoW на PoS.

По сути, для запуска валидатора Ethereum Proof-of-Stake требуется либо некоторое базовое компьютерное оборудование (очевидно достаточно Raspberry Pi) и либо 32 $ ETH (около 80 000 долларов США по сегодняшним ценам), заложенные в смарт-контракте; или любую сумму в ETH, внесенную в пул ставок — я вернусь к этому в следующем посте.

Валидаторы Proof-of-Stake поощряются к честному участию для получения вознаграждения. В большинстве случаев они лишены стимула атаковать систему с помощью наказания, называемого [Slashing] (https://averybitcoin.com/ethereum-staking-slashing/). Это автоматизированный процесс, встроенный в протокол ставок, который сжигает часть поставленного капитала тех, кто нарушает любой из небольшого набора четко определенных правил.

В случае системы Ethereum [Casper FFG] (https://arxiv.org/pdf/1710.09437.pdf) у злоумышленников будет только три шанса, прежде чем они урежут всю свою долю. Этот метод предотвращения мошенничества/цензуры снижает необходимость разветвления цепи в случае атаки. Однако это остается вполне жизнеспособным вариантом в случае продолжительной атаки 51%.

Proof-of-Work или Proof-of-Stake — кто победит?

Хотя самая простая апелляция к, возможно, ненужной трате энергии на Proof-of-Work часто используется как оправдание того, почему Proof-of-Stake лучше, я не собираюсь следовать этому повествованию.

Proof-of-Work может работать и идеально подходит для некоторых блокчейнов. Излишне говорить, что это дает возможность монетизировать застрявшую энергию, субсидировать зеленую энергию и в то же время децентрализовать вычисления блокчейна. Однако есть несколько областей, в которых я считаю, что PoS превосходит PoW, и мы рассмотрим их ниже.

Примечание. Несмотря на то, что я сформулировал свое мнение за бесчисленные часы изучения информации из технических документов, интервью и размышлений по этому вопросу, многое из того, к чему я пришел, совпадает с точками зрения, высказанными Чарльзом Хоскинсоном в этой клип из интервью с Лексом Фридманом. Поэтому я рекомендую смотреть его в качестве дополнения к этой статье.

Эгалитарное участие

Хотя некоторые могут утверждать, что барьер для того, чтобы стать валидатором Ethereum (80 000 долларов США по сегодняшней цене), выше, чем для того, чтобы стать майнером биткойнов (ASIC начального уровня можно купить примерно за 5000 долларов США), это немного вводит в заблуждение. Как я упоминал выше, те, кто выигрывает большинство вознаграждений за блок, имеют наибольшую хэш-мощность, а поскольку увеличение хэш-мощности выигрывает от экономии за счет масштаба, более крупные операции получают непропорционально большую выгоду. Это создает петлю обратной связи, которая усиливает централизацию.

Точно так же те, у кого есть доступ к дешевой энергии, например, правительства, могут легко создавать крупные операции по добыче полезных ископаемых. В небольших масштабах это кажется хорошей вещью. Сальвадор, например, использует свою прибыль в биткойнах (возобновляемых за счет геотермальной операции на вершине вулкана) для предоставления общественных благ своим гражданам. Но представьте, например, несколько стран с большим количеством энергии в своем распоряжении, таких как Россия, Китай, Саудовская Аравия, объединяющие усилия для проведения атак 51% на систему и цензуры транзакций своих противников.

Это подводит меня к следующему пункту…

Безопасность

Не все Proof-of-Work выполняются ASIC на плотно упакованных складах. Многие мелкие участники вполне могут внести свой вклад в безопасность сети. В гипотетическом сценарии, когда у каждого гражданина мира есть один или несколько майнеров, уровень децентрализации обеспечит невероятную безопасность. Однако в существующей системе, а в некоторых отношениях даже в этой гипотетической системе, крупные операции по добыче полезных ископаемых по-прежнему будут легкой мишенью.

Например, если завтра неэкономический субъект (кто-то, кто больше заботится об уничтожении сети блокчейна, чем об экономических издержках, которые он понесет; например, правительство), решит попытаться атаковать сеть Биткойн, обнаружив крупномасштабные операции и, таким образом, большая часть хэш-мощности очень проста из-за следа, оставленного их потреблением энергии.

В системе Proof-of-Stake валидаторы фактически невидимы. У них есть блокчейн-адреса, которые можно отследить, но их энергетический след не больше, чем у обычного компьютера. Его можно быстро и легко перемещать по городу, по стране и за границу.

Это подводит меня к следующему пункту.

Аппаратное обеспечение

Хотя все сосредотачиваются на энергопотреблении работающих блокчейнов, они упускают гораздо более важный момент: используемое оборудование имеет срок годности. Со временем он изнашивается и становится менее прибыльным. В некоторых случаях его ремонтируют и перепродают майнерам-любителям, что является прекрасным способом продлить его жизнь. Но, тем не менее, место последнего упокоения всей этой техники – полигон. Биткойн в настоящее время обслуживает лишь небольшую часть населения, но требует огромного количества специализированного оборудования, работающего при высоких температурах 24 часа в сутки.

По мере масштабирования вероятность выхода этих электронных отходов из-под контроля неоспорима.

Оборудование для майнинга также имеет проблему с централизацией. Популярные ASIC производятся лишь небольшой горсткой компаний, которые сами могут действовать злонамеренно или, что более вероятно, стать мишенью для государственного вмешательства. Компании, производящие видеокарты, такие как NVIDIA, уже продемонстрировали предрасположенность к блокировке своих собственных карт. И, конечно же, они делают это не просто так. Спрос на видеокарты для создания ферм для майнинга изменил рынки и сделал покупку карты для игр или профессиональных приложений чрезвычайно дорогостоящей.

Это подводит меня к моей последней мысли о внешних последствиях использования хэш-мощности для майнинга.

Почему?

Если вы согласны с тем, что как Proof-of-Work, так и Proof-of-Stake в равной степени зависят от капитала, и, таким образом, затраченное оборудование, возможно, не добавляет достаточной ценности процессу, то не будет ли более этичным объединять эту вычислительную мощность для других ценных вещей, таких как медицинские исследования с открытым исходным кодом или моделирование решений по изменению климата, или, по крайней мере, использование всех этих графических карт для демократизации доступа к 3D-рендерингу, например, что [Render Network] (https://www. rendertoken.com/) стремится сделать?

По моему скромному мнению, было бы. Но это только я.

Надеюсь, я дал немного пищи для размышлений. Я вижу потенциальные варианты использования обоих механизмов. А вы?

Также опубликовано здесь