Блокчейн. Принципы и основы

Доказательство владения

При анализе принципов защиты блокчейн-сетей при помощи алгоритма доказательства работы явным образом очерчиваются как ее преимущества, так и недостатки. Очевидным достоинством концепта является математическая строгость постановки вычислительной задачи, решение которой дает неоспоримое право на вознаграждение за создание блока. Одновременно с этим имеют место и негативные аспекты, а именно – высокие энергозатраты, которые используются достаточно нерационально, поскольку польза от полученных результатов вычислений заканчивается непосредственно в момент создания каждого нового блока. Понятно, что подобный метод достижения консенсуса в децентрализованных средах получает массу критических отзывов, связанных с неэффективным использованием энергоресурсов. Этой проблемой многие криптоэнтузиасты были озабочены еще со времен раннего периода работы сети Биткоин, заранее просчитывая ситуацию, при которой совокупные энергозатраты всей сети будут расти вместе с популярностью криптопроекта. Эта проблематика серьезно обсуждалась криптосообществом, когда в июле 2011 года на одном из самых популярных биткоин-форумов прозвучала революционная идея о том, что от энергозависимого майнинга можно все-таки отказаться. В качестве замены концепту доказательства работы была предложена модель «доказательства доли владения», которую в криптосообществе принято с тех пор называть Proof-of-Stake (PoS).

Автор идеи, укрывшийся за форумным псевдонимом Quantum Mechanic, сообщил о возможности использовать потенциал владения криптовалютой вместо контрибуции вычислительной мощности узлами сети, как это делается при обычном майнинге. Другими словами, было предложено выдать право создавать блоки тем узлам, на балансе которых располагалось значительное количество криптомонет в течение относительно продолжительного времени. Идея была полностью поддержана и развита криптосообществом. Примерно через год, в августе 2012 года, разработчиками Скоттом Нэдалом и Санни Кингом была представлена платежная система Peercoin. Это была первая блокчейн-сеть, добавившая элементы доказательства владения к привычному принципу доказательства работы, создав, таким образом, гибридный механизм консенсуса. Протокол Proof-of-Work (PoW) в сети Peercoin использовался для формирования новых денежных эмиссий в виде вознаграждения для майнеров, создающих блоки, наряду с транзакционными комиссиями – по аналогии с сетью Биткоин. Однако вместе с PoW блоками в сети могли появляться и блоки, которые создавались на основе принципа доказательства владения.

Для того чтобы создать блок, необходимо было провести действия, отдаленно напоминающие майнинг. Только вот создателей блоков на основе доказательства владения решили называть не майнерами, а валидаторами, то есть узлами, подтверждающими блоки. Сам же процесс создания блока стали называть форжингом или минтингом, от английских слов forging и minting, означающих «выковывать» и «чеканить». Прежде чем приступить к созданию блока, валидатору необходимо было показать, каким объемом криптомонет он владеет. Так же как и при майнинге, нужно было хешировать определенные параметры, такие как данные предыдущего блока, текущее время и адрес, на котором располагались принадлежащие валидатору средства. Полученный хеш сравнивался с произведением двух значений, которые представляли собой количество монет у валидатора и продолжительность владения ими. Как только удавалось получить хеш, меньший по значению, чем это произведение, блок считался созданным. Очевидно, что чем больше у валидатора монет и чем дольше он ими владел, тем выше шансы, что произведение этих чисел будет весьма велико и превысит случайно полученный хеш, который всегда можно рассматривать и как обычное число. Поскольку в процессе хеширования есть только один постоянно меняющийся параметр – время в полных секундах, то и сам хеш может меняться лишь один раз в секунду. Валидатор, создавший блок, непосредственное вознаграждение за это не получал, зарабатывая лишь совокупную комиссию от транзакций, помещенных им в блок.

Как следует из алгоритма создания блоков Proof-of-Stake, значительных энергозатрат для этого не требуется. Однако это не означает, что у данного типа консенсуса нет недостатков или неудобств. Валидатор, создающий блоки по принципу Proof-of-Stake, фактически замораживает средства на своем счету и вынужден не использовать их достаточно длительное время, чтобы не потерять накопленный потенциал для возможного создания блоков. Для самой сети это не очень хорошо, поскольку скорость обращения денег внутри нее может существенно замедлиться, что негативно скажется на возможностях ее использования и развития. Подобный метод создания блоков мотивирует узлы в первую очередь к накоплению, а не расходованию средств. Таким образом, их чрезмерная консолидация под контролем одного или нескольких узлов может привести к повышению степени централизации процессов управления сетью вопреки изначальному замыслу. Также на процесс создания блоков практически не оказывают никакого влияния узлы с относительно небольшой долей владения криптомонетами, поскольку у них практически отсутствуют шансы стать валидаторами в силу своего незначительного финансового потенциала.

Для устранения этих недостатков была разработана модификация протокола Proof-of-Stake, где были представлены механизмы делегирования полномочий валидаторов от рядовых участников сети к избранным ими узлам. Каждый узел посредством специальной транзакции может отдать свой голос одному или нескольким потенциальным кандидатам в валидаторы. Получившие большинство голосов узлы-делегаты могут и не обладать значительным количеством монет, но зато они готовы контрибуцировать свои вычислительные возможности для поддержания стабильной работы сети, получая за это относительно скромную транзакционную комиссию. Подобный принцип назвали «делегированным доказательством владения» (DPoS), и именно эта форма протокола Proof-of-Stake впоследствии получила наиболее широкое распространение в проектах, которые решили отказаться от энергозатратного алгоритма доказательства работы.

Отличие DPoS от классической формы доказательства владения состоит в том, что валидаторы, получившие право делегирования, уже не перебирают хеши, чтобы найти подходящее его значение. Вместо этого они формируют очередь из подобных им делегатов, чтобы договориться о строгом порядке формирования блоков. Каждому из валидаторов выделяется определенный временной период, в течение которого он имеет право создать блок, принимаемый всей сетью. Сам период может быть довольно коротким и исчисляться единицами секунд – это зависит от протокола сети и того, насколько большую пропускную способность участники сети хотят получить для своих транзакций. В случае если по какой-то причине валидатор пропустил свою очередь, право создания блока переходит к следующему по порядку валидатору. Сам порядок имеет единые для всех правила формирования, при этом каждый валидатор вычисляет его самостоятельно. Понятно, что у всех валидаторов этот рассчитанный порядок должен в точности совпадать, иначе работа сети может быть нарушена.

Преимущества формы Proof-of-Stake с делегированием полномочий очевидны. Во-первых, узлы с незначительными балансами имеют хотя и косвенное, но пропорциональное своему финансовому балансу влияние на выбор узлов-валидаторов. В своей совокупной массе эти узлы с большой вероятностью не позволят крупным игрокам захватить и централизовать процессы управления сетью. Непосредственным созданием блоков будут заниматься узлы, наилучшим образом для этого предназначенные и облеченные доверием большинства узлов сети. И, наконец, что также немаловажно, отсутствует необходимость блокирования на счетах больших объемов криптосредств, чтобы валидатор имел возможность постоянно доказывать свою финансовую состоятельность и получать таким образом права на создание блоков в сети.

Это не означает, что концепт доказательства владения не имеет потенциальных проблем. Этот протокол также может быть подвержен различным атакам, одной из которых теоретически может стать знакомая нам «Атака 51 %». Правда, в отличие от систем с доказательством работы, где требуется захватить не менее половины всей вычислительной мощности сети, в случае с Proof-of-Stake необходимо получить контроль над половиной и более всех криптомонет проекта. Однако последствия такой атаки имеют схожую негативную природу в обоих концептах, поскольку автоматически приводят к подрыву доверия к сети в целом и обесцениванию локальной криптовалюты, разоряя и самого атакующего.

Одной из возможных сложностей на пути данной формы консенсуса может быть атака Nothing at stake, или «ничего на кону». Подобная ситуация происходит, когда недобросовестный валидатор пытается создать и подписать блоки в различных ответвлениях цепочки, которые образовались случайным или намеренным образом. В случае с доказательством работы такое поведение майнера нерационально, поскольку он таким образом распределяет свою вычислительную мощность между ветвлениями и уменьшает собственные шансы на создание блока в любом из них. В модели доказательства владения он, напротив, ничем не рискует, поскольку не затрачивает ни средств, ни вычислительных ресурсов на создание блоков в конкурирующих ответвлениях. А между тем подобная деятельность гарантированно приведет к нарушению консенсуса, к которому сеть в итоге не сможет прийти. Каждый проект, использующий модель Proof-of-Stake, пытается противостоять этой проблеме с различной степенью эффективности.

Еще одним важным свойством Proof-of-Stake в его классической форме является отсутствие аналога вознаграждения за майнинг. Поскольку майнинга как такового нет, то отсутствуют и серьезные инфраструктурные затраты на его поддержание. Поэтому считается, что поощрением валидатора может быть только собираемая транзакционная комиссия. Однако в этом случае возникает известная дилемма «курицы и яйца»: если нет майнинговых эмиссий, то откуда вообще возьмутся деньги в системе? Этот вопрос различные проекты, желающие использовать принцип доказательства владения, решают по-разному. Некоторые идут по пути, который проложил пионерский Proof-of-Stake проект – Peercoin. В нем, как уже упоминалось, была реализована гибридная модель консенсуса, когда ранние блоки создавались при помощи майнинга с доказательством работы. Затем к ним стали «подмешивать» блоки, созданные валидаторами посредством протокола доказательства владения. После чего PoS блоки начали доминировать в цепочке, а PoW применялся только для того, чтобы совершить дополнительную эмиссию, объем которой постоянно сокращался по мере роста общего количества монет в системе. Известны также проекты, которые решили не интегрировать у себя протокол доказательства работы вообще, а всю эмиссию создали в первом, генезисном блоке, разместив ее на адресах, контролируемых разработчиками. Впоследствии эти монеты постепенно были проданы новым участникам сети, сформировав таким образом внутрисетевое денежное обращение. В этом случае проекты, как правило, использовали модель DPoS, которая позволяла быстро и эффективно формировать блоки с транзакциями.