Telegram

PoW, PoS и PoA — плюсы и минусы популярных алгоритмов консенсуса в блокчейне

Криптовалюты функционируют на основе разных алгоритмов консенсуса. На слуху два из них — Proof-of-Work и Proof-of-Stake. Нередко еще упоминается в последнее время и Proof-of-Athority. В каждом из них предусмотрен свой механизм подтверждения выполненной работы. Преимущества и недостатки PoW, PoS и PoA позднее разберем по отдельности, однако сперва несколько слов о том, для чего вообще эти алгоритмы нужны.

Что такое алгоритмы консенсуса

В криптовалютных сетях существуют два вида сообщений — транзакции и блоки, которые сохраняются в распределённый реестр. Причем не просто распределенный, а еще и децентрализованный, в котором нет единого контролирующего органа.

Отправить транзакцию может кто угодно, достаточно подписать ее правильным ключом. И здесь алгоритмы не требуются. Создание блоков — процесс более трудоемкий. В каждый блок включается определенный набор транзакций, и все участники сети должны прийти к единому мнению, прежде чем он будет добавлен в цепочку. Вот тут и вступают в дело те или иные алгоритмы. Такой механизм продуман для защиты сети от злоупотреблений.

Что такое алгоритмы консенсуса
Алгоритмы консенсуса позволяют защитить криптовалютные системы от злоупотреблений

В одних системах узлы, которые занимаются верификацией, известны заранее. В других подключиться к процессу может кто-угодно и в любое время. Яркий представитель алгоритмов, используемых в первых системах — Proof-of-Stake. Во-вторых — Proof-of-Work. Именно последний применяется в самой популярной на сегодня криптовалюте — биткоине.

Proof-of-Work (PoW)

Proof-of-Work так и переводится — «Доказательство работы». Заговорили об этом алгоритме более 20 лет назад, хотя такой термин тогда ещё не упоминался. В 1993 году специалисты в области теории вычислительных машин Мони Наор (Moni Naor) и Синтия Дворк (Cynthia Dwork) высказали простую идею. Если человек хочет иметь доступ к тем или иным данным, он должен решить определенную задачу — сложную, но обязательно посильную. Это обезопасит ресурс от спама.

Через несколько лет идея получает развитие и в других проектах один из которых — Hashcash Адама Бэка, которого также занимал вопрос защиты от спама. В его системе при отправке электронной почты использовалось хеширование частичной инверсии. Таким образом массовая рассылка спамных имейлов в результате постоянных перерасчетов начинала потреблять много ресурсов и становилась неэффективной.

Само название Proof-of-Work упоминается в первый раз в 1999 году в журнале «Communications and Multimedia Security». Здесь выходит статья Ари Джуелса и Маркуса Якобссона «Proofs of Work and Bread Pudding Protocols».

Как работает

Тесная интеграция PoW с криптовалютным миром началась с биткоина. Участники, известные также как майнеры, при группировке транзакций просчитывают математические функции, именуемые хешем. Задача монотонная и возложена полностью на компьютеры — им для решения отводится определенный срок. Кто первым найдет искомое, вознаграждается монетами. У биткоина в настоящее время вознаграждение составляет 12,5 BTC. Достаются победителю и все комиссионные сборы за транзакции, включенные в блок.

Proof-of-Work

Proof-of-Work предусматривает выполнение сложной работы и быструю проверку результатов

Главные особенности PoW:

  • работа выполняется с помощью сложных вычислений, именуемых майнингом;
  • майнеры непрестанно соревнуются между собой;
  • майнер, первым вычисливший искомую функцию, получает вознаграждение в виде очередного транша монет.

Таким образом суть Proof-of-Work проста:

  • выполняемая работа должна быть сложной;
  • проверка результатов — простой и легкой благодаря прозрачности сети.

Если в блокчейн стремится добавить данные злоумышленник, его попытки будут проигнорированы другими участниками сети. Чтобы добиться успеха, ему потребуется сконцентрировать в своих руках огромные вычислительные мощности, раз за разом первым находить искомый хеш и подтверждать блоки. Этот вариант ещё известен под названием “атаки 51%”. Его опасаются, однако считают маловероятным, поскольку само оборудование дорогостоящее, а кроме того и энергии оно потребляет немерено. В результате такие попытки окажутся экономически неэффективными.

Что пошло не так…

Сатоши Накамото, создатель биткоина, при разработке первой криптовалюты взял в качестве основы наработки Hashcash и усовершенствовал их. Согласно задумке Накамото, сложность вычислений должна уменьшаться или, наоборот, увеличиваться в зависимости от текущей мощности сети. В качестве вычисляемой функции была взята SHA-256. Казалось бы, проблем возникнуть не должно, все продумано до мелочей.

На деле реалии оказались несколько иными. В погоне за вожделенными монетами криптодобытчики сперва мигрировали с CPU на GPU. Затем майнинговые фермы, состоящие из мощных видеокарт, специализированные устройства именуемые в народе асиками, фактически начали вытеснять с рынка добычи биткоина владельцев домашних ПК.

Так в 2011 году появилась функция PoW — Scrypt, которая легла в основу Лайткоина. Ее основная цель была — уравнять возможности майнеров. Из других функций стоит упомянуть Quark, Blake-256, Dagger-Hashimoto, CryptoNight. Последний применяется в широко известной на теневом рынке криптосистеме Monero. Он хорошо приспособлен для проведения вычислений с помощью процессоров.

Криптовалюты на PoW

Криптовалют, функционирующих на основе PoW, сегодня преобладающее количество. Помимо биткоина и Лайткоина его также использует Ethereum — впрочем уже в следующем году он планирует переходить на Proof-of-Stake. Также в этот список входят:

  • Peercoin;
  • ByteCoin;
  • Namecoin;
  • Decred;
  • Dogecoin;
  • Feathercoin и многие другие.

Преимущества

Proof-of-Work обеспечивает высококачественную защиту сети. К примеру, случаев взлома блокчейна биткоина доселе не было. Необходимость в одних криптовалютах использовать дорогостоящее оборудование для сложных математических расчетов, а в других — присоединиться к майнингу любому пользователю с домашним ПК, не позволяет злоумышленникам злоупотреблять возможностями сети.

Недостатки

Главный и существенный недостаток — выполняемая работа требует огромных затрат ресурсов и при этом не несет никакой польз обществу. Гонка за новыми монетами превратила индустрию майнинга в ненасытного монстра, поглощающего громадное количество ресурсов. Тысячи миллионы долларов тратятся не только на закупку оборудования.

Согласно исследованиям, сегодня майнинг одних только биткоинов и Эфириума потребляют электроэнергии не меньше Исландии или Иордании. Если объединить криптодобытчиков в воображаемую страну, то по этому параметру они окажутся на 71 месте среди всех государств мира.

Хотя справедливости ради стоит отметить, что отдельные криптовалюты проводят полезные для общества вычисления и не расходуются энергию впустую. Например, майнеры PrimeCoin находят простые числа особого вида. В FoldingCoin просчитывается третичная структура белка и т.д.

Proof-of-Stake (PoS)

Абсолютно иной подход к функционированию сети предлагает алгоритм Proof-of-Stake — «Подтверждение доли». Здесь не нужны специальные устройства для добычи — новый блок формирует владельцы токенов (stackeholders), которые имеют на счету большое количество (долю) монет. Кто это будет — определяется случайным образом. Шансы каждого конкретного холдера зависят от сложности сети и количества коинов на балансе. Чем больше токенов — тем выше и вероятность стать создателем очередного блока.

Proof-of-Stake
При использовании Proof-of-Stake блоки создают владельцы монет с наибольшим балансом

Впервые упомянут алгоритм PoS был еще в 2011 году на специализированном форуме Bitcointalk. Окончательный вариант представили миру в 2012 году. Первопроходцем стала криптовалюта PeerCoin, которая в то время еще называлась PPCoin. Сегодня данный алгоритм чаще всего находит свое применение в криптовалютах, все токены которых выпускаются на начальном этапе и дополнительной эмиссии не предусматривается. А создатели блоков вознаграждение получают в виде комиссионных отчислений. Существует даже специальный термин, применяемый к майнингу в сети PoS — форджинг.

В чистом виде Proof-of-Stake можно встретить редко. Чаще всего используются его модификации — Leased Proof of Stake (LPoS) и Delegated Proof of Stake (DPoS).

Leased Proof of Stake — это не что иное как «Арендованное подтверждение доли».  Иными словами, простые участники сети могут сдавать крупным нодам в аренду свои монеты. Выгоды очевидны для всех — арендаторы увеличивают свой баланс, а соответственно вероятность стать создателей следующего блока. Арендодатели получаются часть вознаграждения, которым нода с ними делится. При этом пользователи в любой момент могут отозвать свои средства и потратить их по своему усмотрению. Яркий пример реализации LPoS — криптовалюта Waves.

Delegated Proof of Stake переводится как «Делегированное подтверждение доли». При таком подходе владельцы токенов выбирают из списка ноды, которым предоставляют право формировать новые блоки. Также они могут влиять и на другие параметры сети, например, голосовать за внесение изменений в систему. Подобный алгоритм применяется в BitShares.

Из других криптовалют, использующих Proof-of-Stake, отметим:

  • FargoCoin;
  • Novacoin;
  • ShadowCash;
  • BlackCoin;
  • Nxt.

Как уже упоминалось выше, на PoS собирается переходить и Эфир. Причина проста — чрезмерное потребление электроэнергии негативно сказывается на окружающей среде. А потому создатели Эфириума считают Proof-of-Stake более экологичным, а также дешевым вариантом функционирования платформы.

Как уже упоминалось выше, на PoS собирается переходить и Эфир. Причина проста — чрезмерное потребление электроэнергии негативно сказывается на окружающей среде. А потому создатели Эфириума считают Proof-of-Stake более экологичным, а также дешевым вариантом функционирования платформы.

Преимущества PoS

Данный алгоритм имеет ряд очевидных выгод:

  • Нет расхода энергии — при использовании PoS ресурсы не тратятся впустую. Компьютер хоть и должен быть включен, однако он не проводит сложных вычислений и, соответственно, не потребляет много электричества.
  • Отсутствует стремление наращивать вычислительные мощности.
  • Необходимость иметь крупную долю токенов в наличии предохраняет от атаки на сеть. Если злоумышленник начнет скупать монеты, их стоимость незамедлительно отреагирует на это и начнет активно расти. А это сделает дальнейшую скупку токенов крайне невыгодной.
  • Если кому-либо правдами или неправдами все же удастся собрать на балансе целое состояние, атакующий рискует сам пострадать от своей же атаки, поскольку устойчивость системы будет нарушена.

Недостатки PoS

Даже если у пользователей не будет злонамеренных целей атаковать сеть, мотивация самой системой к накоплению все большего количества токенов может привести к тому, что превалирующая часть монет окажется в руках ограниченного круга лиц. Последствия такого предсказать не составит труда. Во-первых, пользователи попросту не заинтересованы тратить монеты. Во-вторых, они смогут начать диктовать свои условия другим участникам системы. А в-третьих, такую сеть уже назвать децентрализованной сложно.

Слабым местом алгоритма Proof-of-Stake является существование такой проблемы как Nothing-at-Stake — пустой стек. Злоумышленник имеет все шансы начать расходовать несуществующие ресурсы и в результате создать альтернативное ответвление блокчейна с более длинной цепочкой блоков. При поддержке других майнеров он может осуществлять «двойное расходование средств», отклонять те или иные платежи.

В зависимости от того как далеко успеет зайти атакующий, он может заменить как последние блоки цепи, так дойти до самого начала истории сети.

Proof-of-Authority (PoA)

Proof-of-Authority можно перевести как «Доказательство полномочий». Данный алгоритм чаще всего применяется в частных или корпоративных блокчейнах, в которых с успехом заменяет PoW. Здесь записи в распределенный реестр добавляют исключительно узлы, которые получили на это изначально разрешение.

Преимущества

Использование PoA исключает возможность атаки, поскольку валидаторы проверены на этапе получения полномочий и являются надежными.

Недостатки

С применением PoA теряется главная задумка распределенных сетей — децентрализованность, поскольку принимать активное участие в системе может ограниченный круг лиц.

Альтернативные варианты

Помимо этих наиболее распространенных алгоритмов достижения соглашения, существуют и другие подходы к поиску консенсуса в криптовалютах.

  • Proof of Importance — в такой системе участников вознаграждают за целый ряд факторов среди которых не только размер их баланса, но и репутация пользователя, количество полученных и отправленных транзакций и т.д.
  • Proof of Burn — переводится как «доказательство сжигания». Суть проста — на специальный адрес пользователь отправляет определенное количество монет. После этого потратить их не представляется возможным, но вместо этого даруется право добывать токены наравне с другими участниками сети, «сжегшими» монеты подобным же образом.
  • Proof of Storage — участники выделяют на диске определенное количество места, которое другие пользователи сети используют в качестве облачного хранилища данных. В ответ получают возможность добывать токены.
  • Proof of Activity — в русском языке известно как «доказательство активности». Здесь успешно соседствуют друг с другом PoS и PoW.
  • Proof-of-Capacity. Главная идея этого алгоритма — «мегабайты как ресурсы». Чтобы стать майнером в такой сети, требуется предоставить общий доступ к части своего жесткого диска.

Заключение

Сказать какой алгоритм выгоднее и эффективнее — в настоящее время сложно. У каждого из них есть свои сторонники и противники, которые готовы отстаивать свою правоту. Разработчики отдельных криптовалют поступили мудрее и создали гибридный вариант, в котором удачно совместили Proof-of-Stake и Proof-of-Work. В таких системах монеты генерируются с помощью PoW, после чего в работу вступает PoS и уже отвечает за поддержание сети.

Подписывайтесь на наши социальные сети:

Оцените качество статьи:

(2 голоса, в среднем: 5 из 5)
  1. 5
  2. 4
  3. 3
  4. 2
  5. 1
Комментарии | 2
Комментариев (2)
  • Carin

    ИМХО POW в чистом виде изживает себя. На примере биткоина уже видно, как крупные пулы уже пытаются, и довольно учпешно, манипулировать. Но и POS. казавшаяся выходом из положения, как оказалась, не идеальна. Поэтому так много новых предложений. Это значит, что выход рано или поздно все же будет найден.




    0



    0
    18 декабря 2017
  • Jora

    В конечном итоге, практическая ценность алгоритмов консенсуса измеряется в динамике капитализации монет, использующих их. И, хотя. сегодня POW явно опережает всех остальных по абсолютным показателям, но альтернатив уже слишком много. А значит, оптимальный вариант алгоритма – дело времени.




    0



    0
    15 декабря 2017
  • Оставить комментарий


    Наши друзья и партнеры: