Розуміння Proof of Stake: як працює механізм консенсусу і чому він залишається спірним

Коли блокчейн-мережі працюють без традиційних посередників, їм потрібна надійна система для перевірки транзакцій і створення нових блоків. Саме тут на допомогу приходять механізми консенсусу, і одним із найбільш обговорюваних сьогодні є proof of stake. На відміну від попереднього proof of work, proof of stake дозволяє учасникам мережі — так званим валідаторам — підтверджувати транзакції, демонструючи свою прихильність до мережі через володіння криптовалютою, а не обчислювальну потужність. Цей механізм став центральним у багатьох системах блокчейн, найвідомішим з яких є перехід Ethereum у вересні 2022 року, проте він залишається предметом гарячих дискусій у галузі.

Як працює proof of stake як протокол консенсусу

Основний принцип proof of stake є елегантно простим: валідатори, які блокують криптовалюту — свій «стейк» — отримують право підтверджувати транзакції та створювати нові блоки. Процес відбору не є випадковим, а базується на ймовірності: валідатори з більшими ставками мають вищі шанси бути обраними для додавання наступного блоку до ланцюга.

Коли валідатор обирається, він повинен перевірити кожну транзакцію у блоці, переконавшись у її легітимності, запобігти подвійній витраті та підтвердити, що відправник має достатній баланс. Після підтвердження блок додається до блокчейну, а успішний валідатор отримує нові токени криптовалюти як нагороду. Ця структура винагород створює фінансовий стимул для чесної поведінки: валідатори, які намагаються схвалити шахрайські транзакції, ризикують втратити частину або весь свій стейк криптовалюти.

Консенсус у мережі proof of stake досягається, коли більшість валідаторів погоджуються зі станом блокчейну. Якщо валідатор подає блок, що суперечить більшості, цей блок відхиляється, а валідатор зазнає фінансових штрафів. Цей механізм — часто званий «slashing» — слугує стримуючим засобом проти зловмисної поведінки, роблячи недобросовісну діяльність економічно нерозумною.

Порівняння proof of stake і proof of work

Взаємовідносини між proof of stake і proof of work були центральними у розвитку блокчейну. Proof of work, механізм консенсусу Bitcoin, вимагає від майнерів розв’язувати складні математичні задачі — процес, що потребує значних обчислювальних ресурсів і електроенергії. Перший майнер, який розв’яже задачу, отримує право створити блок і отримати відповідну нагороду.

Обидва механізми намагаються розв’язати проблему «Битвого генерала» — як досягти згоди у розподіленій системі, де деякі учасники можуть бути ненадійними. Однак вони застосовують принципово різні підходи.

У proof of work безпека підтримується за рахунок високої обчислювальної складності атаки на мережу. Щоб успішно подвійно витратити монети у Bitcoin, зловмисник має контролювати понад 51% від загальної обчислювальної потужності мережі — що є економічно обтяжливим бар’єром, враховуючи мільярди доларів, інвестовані у майнингову інфраструктуру по всьому світу.

Proof of stake використовує іншу модель безпеки. Реалізація Ethereum застосовує «контрольні точки» (checkpoint blocks) через регулярні інтервали, а остаточність досягається, коли дві третини валідаторів схвалюють стан транзакції. Цей підхід усуває енергетичні витрати proof of work, зберігаючи безпеку через економічні штрафи.

Структури стимулів також суттєво різняться. Proof of work базується на позитивних стимулів: майнери отримують нагороди за чесну поведінку, але пропускають можливості при зловживанні. Proof of stake реалізує і позитивні нагороди, і негативні штрафи: валідатори отримують винагороди за правильну поведінку, але втрачають свій стейк, якщо діють недобросовісно. Це створює більш безпосередній фінансовий наслідок за порушення.

Проблема концентрації багатства

Незважаючи на заяви про ефективність, proof of stake викликає серйозні побоювання щодо децентралізації мережі. Основна проблема: ті, хто має більше багатства, отримують більше контролю та нагород.

У системі proof of stake валідатори з більшими володіннями криптовалюти обираються частіше для підтвердження блоків і отримання нагород. Це створює самопідсилювальний цикл: багаті валідатори отримують більше, накопичують більше крипти і мають ще більші шанси бути обраними у майбутньому. Результат часто називають «багаті стають багатшими», коли початкові нерівності багатства закріплюються і зростають з часом.

Дослідження аналітичних компаній з блокчейну фіксують цю концентрацію. Аналіз розподілу валідаторів Ethereum показує, що невелика кількість стейкінгових суб’єктів контролює непропорційно велику частку валідаторської сили. Це суперечить принципам децентралізації, що були однією з головних ідей блокчейн-технологій.

Ще одним фактором є «пре-майнинг» (pre-mine). Багато криптовалют на proof of stake, зокрема Ethereum, перед запуском розподілили значні обсяги токенів засновникам, раннім інвесторам і команді розробників. Ці ранні учасники починають з величезними перевагами, що ускладнює іншим учасникам здобути рівний контроль. Хоча у proof of work також можливий пре-майнинг, концентрація багатства у proof of stake є більш вираженою через відсутність постійних обчислювальних бар’єрів, що дозволяє раннім володінням безпосередньо впливати на контроль.

Основні критики механізмів proof of stake

Крім концентрації багатства, існує низка інших викликів, що заслуговують серйозної уваги:

Обмеження децентралізації: у proof of work безпека мережі залежить не лише від майнерів, а й від повних вузлів, якими керують окремі учасники. Ці вузли підтверджують блокчейн і теоретично можуть відхилити будь-який ланцюг із недійсними блоками. Прикладом є блоковий конфлікт Bitcoin 2017 року, коли оператори вузлів ініціювали рух «soft fork», що запобігало реалізації змін протоколу майнерами. Це показало, що майнери не можуть одностайно контролювати мережу. Моделі proof of stake не мають такої подвійної системи безпеки, покладаючись переважно на валідаторів без рівнозначних перевірок вузлами.

Уразливість до атаки 51%: атака proof of work, що вимагає контролювати половину обчислювальної потужності, є економічно важкою. Атака proof of stake, що вимагає контролю 51% стейкованих токенів, є значно дешевшою і легшою для зловмисників.

Проблема «Nothing-at-Stake»: теоретично, валідатори у proof of stake мають мало що втратити, ставлячи на кілька суперечливих версій блокчейну одночасно. Якщо одна версія стане канонічною, вони отримують нагороду; якщо інша — теж отримують нагороду. Це може ускладнити досягнення консенсусу, хоча сучасні системи зазвичай мають запобіжники від цього сценарію.

Складність і ризики інженерії: існує кілька варіантів proof of stake — делегований PoS, leased PoS, чистий PoS — кожен із яких намагається вирішити різні проблеми. Це ускладнює систему і підвищує ймовірність появи несподіваних вразливостей і ризиків безпеки. Зростання складності системи зазвичай збільшує ймовірність збоїв.

Реальність впливу на довкілля: хоча часто стверджують, що proof of stake є більш екологічним за proof of work, насправді він просто змінює джерела енергії, а не усуває їх. Енергоспоживання концентрується у дата-центрах і валідаторських вузлах, а при одночасній роботі тисяч блокчейнів із неефективними системами proof of stake їхній сумарний вплив на довкілля стає значним — хоча й у іншій формі, ніж у proof of work.

Біткоїн і його proof of work залишаються непохитними

Після переходу Ethereum у вересні 2022 року на proof of stake, активісти довкілля почали просувати подібні зміни для Bitcoin. Кампанія Greenpeace «Change the Code», фінансована блокчейн-компаніями, зокрема Ripple Labs, прямо закликала Bitcoin відмовитися від proof of work і зменшити його «екстремальне енергоспоживання».

Однак дизайн Bitcoin відображає свідомий вибір зробити ставку на безпеку і децентралізацію, а не на мінімізацію енергоспоживання. Механізм proof of work, навпаки, активно стимулює розвиток і впровадження відновлюваних джерел енергії. Майнер Bitcoin постійно шукають дешевшу електроенергію, створюючи попит на «заблоковану» енергію — гідроелектростанції у віддалених районах, газові факели, що інакше б спалювалися, вітрові та сонячні станції у місцях без підключення до мережі. Цей ринок сприяє підвищенню енергоефективності та розвитку відновлюваних джерел.

Крім того, кодова база Bitcoin була архітектурно спроектована з урахуванням опору до змін протоколу. Перехід від proof of work до proof of stake вимагав би консенсусу тисяч незалежних розробників, майнерів і вузлів — що є практично неможливим через сильну прихильність спільноти до безпеки proof of work.

Висновок: співіснування у різноманітній екосистемі блокчейнів

Дискусія між proof of stake і proof of work відображає глибші питання про те, які якості важливіші у монетарній системі. Обидва механізми вирішують основну проблему розподіленої згоди, але оптимізовані під різні цінності.

Proof of stake ставить на перше місце ефективність і швидкість транзакцій, і його успішно застосовують у кількох великих мережах. Proof of work цінує безпеку через обчислювальні докази і опір централізації, навіть якщо це коштує енергії.

Замість того щоб проголошувати переможця, екосистема криптовалют виграє від підтримки обох систем. Постійна прихильність Bitcoin до proof of work, незважаючи на зовнішній тиск, демонструє, що різні механізми консенсусу можуть співіснувати і виконувати різні функції. Для тих, хто цінує захист багатства, фінансову інклюзію і стабільні монетарні принципи, proof of work пропонує властивості, які proof of stake не може повністю повторити: справжню децентралізацію через різноманітність апаратного забезпечення, прозору безпеку через інвестиції у роботу і опір концентрації багатства, притаманний системам на основі стейку.

Зі зрілістю технологій блокчейн, переваги цих конкурентних підходів і надалі формуватимуть розвиток галузі та вибір мереж на багато років уперед.