Проектирование архитектуры блокчейна
Основным вопросом при проектировании архитектуры блокчейна, представляющего собой децентрализованный протокол для трансферов с постоянно обновляемой базой данных, остаются два ключевых аспекта. Решение этих вопросов привело к появлению нескольких механизмов консенсуса — наборов правил, по которым участники децентрализованной сети согласовывают, как именно можно одобрять транзакции и включать их в новые блоки.
Proof-of-Work
Создатель Bitcoin, Сатоши Накамото, предложил механизм Proof-of-Work (PoW) в своем белом документе в октябре 2008 года. Согласно PoW, операторы узлов децентрализованной сети (майнеры) в условиях свободной конкуренции решают ресурсоемкие математические задачи, направленные на поиск хеша блока утвержденным методом. В случае успеха победивший майнер или пул получает возможность добавить найденный блок в цепочку и в качестве вознаграждения получает новые биткойны.
Проблемы Proof-of-Work
Спустя несколько лет после запуска Bitcoin стало очевидно, что принцип Proof-of-Work приводит к постоянному увеличению вычислительных мощностей, а следовательно, и к энергозатратам. Кроме того, из-за необходимости использования мощного оборудования доступность для майнинга снижалась.
Proof-of-Stake
11 июля 2011 года на популярном криптовалютном форуме Bitcointalk была предложена идея альтернативного механизма консенсуса для биткойна — Proof-of-Stake, или «доказательство доли». Предложение заключалось в том, что все участники децентрализованной сети получают права голоса в зависимости от доли от общего количества монет, которыми они владеют.
Уже в августе 2012 года этот новый механизм консенсуса был реализован в криптовалюте PPCoin. В этой системе новые монеты распределялись через майнинг, а транзакции могли обрабатывать любые узлы, владеющие криптовалютой PPC.
Та же гибридная схема консенсуса использовалась в других ранних PoS проектах, таких как Gridcoin и Blackcoin. Первой «чистой» PoS криптовалютой без майнинга стал блокчейн Nxt, запущенный 24 ноября 2013 года.
Механизм работы PoS
Механизм консенсуса Proof-of-Stake оказался настолько успешным и гибким, что в последующие годы был внедрён в сотни криптовалют в различных вариантах и модификациях. Согласно оригинальной концепции Proof-of-Stake, право управлять блокчейном предоставляется всем его участникам в зависимости от доли монет, которые они владеют.
Например, в криптовалюте Nxt с ее «каноническим» механизмом PoS все пользователи, имеющие хотя бы 1002 NXT в своем официальном кошельке NXT Client на протяжении последних 1440 блоков, имеют шанс сформировать новый блок. В этом случае каждый кошелек фактически является полноценным узлом и хранит свою собственную копию блокчейна.
Такой кошелек можно запустить на высокопроизводительном сервере, ноутбуке, микрокомпьютере Raspberry Pi или даже в облачном сервисе. Чем больше монет в кошельке NXT, тем выше вероятность того, что ему будет разрешено сформировать новый блок; таким образом, пользователь получит все сборы за транзакции в этом блоке.
Идеально, кошелек, владеющий 1% от общего количества монет, будет формировать 1% всех новых блоков.
Процесс создания блоков в Nxt и других ранних PoS криптовалютах назывался «форкингом», но этот термин редко использовался до сегодняшнего дня. Чтобы получить вознаграждение за участие в обеспечении безопасности сети, процесс хранения криптовалюты в кошельке называется «стекингом».
Во многих PoS криптовалютах отправка монет на стекинг подразумевает блокировку их в специальном смарт-контракте с невозможностью перемещения на определенный период времени, от нескольких часов до нескольких недель.
Переход на делегированный Proof-of-Stake
Использование механизма Proof-of-Stake, при котором практически любой держатель криптовалюты может стать производителем блока, позволяет обеспечить высокий уровень децентрализации и безопасности блокчейна. Однако, согласно трилемме блокчейна, за это приходится жертвовать производительностью.
В вышеупомянутой сети криптовалюты Nxt пропускная способность составляет всего 4 транзакции в секунду, что заметно ниже, чем у многих криптовалют, использующих консенсус PoW. Например, Dogecoin обрабатывает 33 транзакции в секунду.
Чтобы найти компромисс между децентрализацией и производительностью, была предложена концепция делегирования, которая позволяет нескольким кошелькам делегировать свои монеты и права голоса нескольким вычислительным узлам.
В 2013 году Дэниел Лаример, американский программист и криптопредприниматель, использовал эту концепцию для создания механизма Delegated Proof-of-Stake (DPoS). Он был впервые реализован в блокчейн-платформе BitShares и затем в других известных криптопроектах, таких как EOS, Cardano, Tezos и др. Сегодня функция делегирования стала стандартом в отрасли и используется практически во всех реализациях PoS.
Вознаграждение в DPoS
В DPoS владельцы криптовалют могут выбрать не участвовать в сети самостоятельно и передать свои монеты валидаторам — профессиональным участникам, которые управляют узлами блокчейна. В ответ валидаторы обязуются выплачивать владельцам монет вознаграждение, часто за вычетом небольшой комиссии.
В зависимости от архитектуры блокчейна количество валидаторов, участвующих в производстве блоков, может значительно варьироваться. Обычно запуска валидатора требует специального оборудования с постоянным доступом в интернет, а также значительное количество родных монет сети. Например, валидатор в сети Ethereum должен иметь не менее 32 ETH, а валидатор Tezos — не менее 8000 XTZ.
Чтобы компенсировать узлам затраты на верификацию транзакций и генерацию новых блоков, большинство PoS блокчейнов имеют вознаграждение, которое выплачивается в родных монетах сети. Как правило, его размер фиксирован для каждого блока, но может варьироваться в зависимости от текущих параметров сети.
Например, в блокчейн-платформе Tron, супер-представитель (как называется валидатор в этом случае), который сгенерировал следующий блок и обработал транзакции, получает 32 TRX. Он делит часть этой суммы с пользователями, которые вложили свои TRX в стекинг и таким образом проголосовали за него.
Критика PoW и переход на PoS
Высокая энергозатратность майнинга криптовалют, работающих по алгоритму PoW, на протяжении многих лет подвергалась критике. Согласно исследованию Кембриджского центра альтернативных финансов, майнинг биткойнов отвечает за выброс 0,1% от всего антропогенного углекислого газа. Именно этот фактор стал одним из основных аргументов в попытках запретить майнинг в разных странах.
К концу 2021 года майнинг криптовалют был под запретом в Китае. В марте 2022 года Европейский парламент вынес на голосование вопрос о запрете криптовалют. Хотя законопроект не был поддержан, это обозначило тренд на выталкивание PoW из правового поля.
Энергетическая эффективность PoS
С момента успешного перехода сети Ethereum на консенсус Proof-of-Stake 15 сентября 2022 года потребление энергии сети уменьшилось почти в 2000 раз, или на 99,95%. В связи с этим обсуждение перехода популярных PoW криптовалют на PoS развернулось с новым усердием.
Еще в декабре 2021 года разработчики мем-криптовалюты Dogecoin анонсировали ее скорый переход на алгоритм Proof-of-Stake, при этом Виталик Бутерин, соучредитель Ethereum, предложил свою помощь в этом процессе.
Electric Coin Company, разработчик анонимной криптовалюты Zcash, также обсуждает с сообществом перспективы перехода на PoS. По словам основателя Зюко Уилкокса, это не только улучшит безопасность и энергетическую эффективность блокчейна, но и поможет привлечь владельцев ZEC к управлению протоколом.
Сложности перехода биткойна на PoS
Самые большие сомнения касаются возможности перехода на PoS в случае биткойна. Во-первых, первая криптовалюта не имеет единого разработчика. Несколько независимых групп разработчиков обсуждают все предложенные новшества, поэтому даже реализация самой незначительной из них может вызвать споры и занять годы; во-вторых, переход на PoS не будет поддержан майнинг-пулами, которые рискуют потерять доходы.
Примечательно, что еще в 2020 году группа разработчиков запустила форк Bitcoin PoS, но крипто-сообщество просто проигнорировало это предложение. В свою очередь, сторонники PoW подчеркивают более высокий уровень безопасности этого алгоритма: благодаря текущему, чрезвычайно высокому уровню децентрализации сети биткойна, она практически неуязвима для внешних атак.
