POW против POS: комплексный взгляд на алгоритмы консенсуса

Алгоритм консенсуса является одним из самых фундаментальных компонентов любой сети блокчейн. 

Это процесс, посредством которого все узлы в децентрализованной системе согласовывают проверенное состояние реестра и защищают его от таких угроз, как двойное расходование или вредоносные изменения. 

С момента появления Bitcoin более десяти лет назад Proof-of-Work (POW) стал доминирующим механизмом консенсуса, лежащим в основе большинства публичных блокчейнов. 

Однако по мере развития отрасли возникли опасения по поводу воздействия POW на окружающую среду и давления централизации. В результате многие новые проекты теперь изучают альтернативные схемы консенсуса, такие как Proof-of-Stake (POS).

В этой углубленной статье мы всесторонне проанализируем и сравним принципы работы механизмов консенсуса POW и POS. Мы рассмотрим их модели безопасности, требования к инфраструктуре, экономические стимулы и профили устойчивости. 

К концу вы должны четко понимать компромиссы между этими двумя подходами и то, какой из них лучше подходит для разных приоритетов проектирования блокчейна.

Что подразумевает Proof-of-Work

Доказательство выполнения работы впервые было представлено Синтией Дворк и Мони Наор в их статье 1993 года «Ценообразование посредством обработки или борьба с нежелательной почтой». 

Позднее он был популяризирован создателем биткоина Сатоши Накамото как способ выпуска новых монет, обработки транзакций и достижения распределенного консенсуса в децентрализованной сети блокчейнов.

POW требует от майнеров расходования реальных вычислительных ресурсов для решения криптографических головоломок и проверки блоков. 

Тот, кто первым решит головоломку, получает право опубликовать следующий действительный блок и получить награду за майнинг. 

Этот процесс увеличения потребления электроэнергии для выполнения бессмысленных, но сложных вычислений и есть «доказательство» — оно подтверждает, что майнер приложил реальные усилия для обеспечения безопасности сети. 

Ключевые атрибуты военнопленного включают в себя:

Модель безопасности

Принцип POW основан на предположении, что ни один майнер или майнинговый пул не получит более 51% общей вычислительной мощности. Эти масштабные инвестиции в оборудование служат сдерживающим фактором для атак.

Требования к инфраструктуре

Для прибыльного майнинга алгоритмов Power Works (POW) требуется специализированное ASIC-оборудование и доступ к дешевой электроэнергии. Это привело к централизации майнинга.

Экономические стимулы

Майнеры мотивированы защищать сеть посредством вознаграждений за блоки и комиссий за транзакции. По мере снижения вознаграждений для поддержания безопасности необходимо будет увеличивать комиссии. 

Воздействие на окружающую среду

Энергопотребление сетей POW, таких как Bitcoin, за последние годы выросло экспоненциально из-за гонки вооружений в области майнингового оборудования. Такая зависимость от электроэнергии приводит к значительным экологическим издержкам.

Что подразумевает Proof-of-Stake

Механизм Proof-of-Stake был впервые предложен в качестве альтернативного механизма консенсуса Санни Кингом и Скоттом Надалем в 2012 году.

В POS-системах создатель следующего блока выбирается с помощью различных комбинаций случайного выбора и богатства или возраста (т.е. того, как долго удерживаются токены). 

Основные отличия по сравнению с POW включают в себя:

Модель безопасности

Вместо вычислительной мощности безопасность основана на предположении, что стейкеры не будут вести себя ненадлежащим образом или атаковать сеть из-за своих инвестиций, находящихся на кону. Условия штрафования используются для наказания за злонамеренное поведение.

Требования к инфраструктуре

Для работы POS не требуется специализированное оборудование для майнинга или крупные дата-центры. Валидаторы могут размещать свои узлы на обычном потребительском оборудовании.

Экономические стимулы

Участники получают вознаграждение за блок и транзакционные комиссии за честное участие в достижении консенсуса. Их доля используется для случайного выбора валидаторов и определения влияния. 

Воздействие на окружающую среду

Проверка новых блоков требует ничтожно мало энергии по сравнению с майнингом по методу POW, поскольку не требует затратных вычислений с доказательством выполнения работы. Сети POS значительно более устойчивы.

Сравнение моделей

Теперь, когда мы понимаем основную механику POW и POS, давайте проведем более глубокое сравнение по нескольким ключевым параметрам:

Безопасность.

В основе POW лежит расходование ресурсов в качестве сдерживающего фактора, в то время как POS опирается на экономические стимулы, чтобы избежать сокращения расходов. Оба подхода могут работать, но POS всё ещё относительно новый и не опробован в крупных масштабах.

Децентрализация

Майнинг POW естественным образом со временем приводит к централизации, поскольку крупные игроки могут добиться экономии за счёт масштаба. POS может противостоять этому, позволяя участвовать с гораздо меньшими затратами.

Эффективность

POW тратит огромное количество энергии на бессмысленные вычисления. POS обеспечивает тот же уровень безопасности при значительно меньших затратах ресурсов. 

Стоимость

Инфраструктура POW требует значительных первоначальных инвестиций в специализированное майнинговое оборудование и эксплуатационные расходы. POS практически не требует текущих расходов для обычных пользователей, за исключением первоначальной суммы стейкинга.

Увеличить пропускную способность

Сети POW сталкиваются с проблемами масштабируемости из-за ограничений по времени блока. Многие цепочки POS-терминалов могут обрабатывать значительно больше транзакций в секунду благодаря таким инновациям, как шардинг. 

Стабильность

Зависимость POW от постоянно растущего потребления электроэнергии создаёт серьёзные экологические проблемы. POS обеспечивает ту же безопасность, оставляя лишь незначительную долю углеродного следа.

Гибкость

POS обеспечивает большую гибкость проектирования, позволяя настраивать такие параметры, как минимальные суммы ставок, формулы вознаграждений и условия сокращения ставок, в соответствии с различными приоритетами сети.

Дорога впереди

Механизмы консенсуса POW и POS имеют свое место в современном ландшафте блокчейнов в зависимости от уникальных приоритетов и компромиссов. 

POW, скорее всего, продолжит обеспечивать безопасность крупных сетей, таких как Bitcoin, которые ставят абсолютную децентрализацию превыше всего. 

Между тем, внедрение POS-терминалов будет расти, поскольку все больше проектов признают их преимущества в плане эффективности, устойчивости и гибкости дизайна.

В будущем отрасль станет свидетелем постоянных инноваций, объединяющих лучшие аспекты этих двух подходов. 

Со временем мы можем увидеть, как сети военнопленных включают в себя элементы POS для противодействия тенденциям централизации. 

Между тем, новые разработки POS-терминалов будут сосредоточены на реальных испытаниях и дальнейшем совершенствовании условий сокращения сроков для достижения «доказательства безопасности» в масштабе. 

Заключение

Хотя POW со временем доказал свою надежность, проблемы долгосрочной устойчивости и давление централизации делают POS привлекательной альтернативой для многих новых блокчейн-проектов. 

При условии продолжения исследований и реальных испытаний POS потенциально может заменить POW в качестве доминирующей модели консенсуса в будущем.