Proof of Work vs. Proof of Stake: Różnice Między Nimi

W tym artykule postaramy się wyjaśnić podstawowe różnice pomiędzy konsensusem Proof of Work, znanym również jako PoW, a konsensusem Proof of Stake (w skrócie PoS). Proof of Work może być również znany jako „Dowód Pracy”, a Proof of Stake jako „Dowód Stawki”, ale standardowymi terminami stosowanymi w tej terminologii są oryginalne terminy angielskie.

Większość kryptowalut, w tym Bitcoin, działa na zasadzie konsensusu Proof of Work. Jest to sprawdzony w czasie system, który niesie ze sobą zalety, ale też kilka pułapek. Zainteresowanie konsensusem Proof of Stake wzrosło szczególnie po tym, jak kryptowaluta Ethereum ujawniła, że chce przejść na ten algorytm ze względu na jego kilka niezaprzeczalnych zalet.

Co to jest Proof of Work?

Proof of Work to protokół, którego głównym celem jest powstrzymanie cyberataków, takich jak ataki typu DDos (distributed denial-of-service), których celem jest wyczerpanie zasobów systemu komputerowego poprzez wysyłanie szeregu fałszywych żądań. Koncepcja Proof of Work istniała jeszcze przed powstaniem kryptowaluty Bitcoin i zanim jej tajemniczy twórca Satoshi Nakamoto postanowił zastosować ją w Bitcoinie. W ten sposób zrewolucjonizował sposób, w jaki można weryfikować transakcje finansowe.

Proof of Work był prawdopodobnie głównym i najważniejszym pomysłem, na który wpadł Satoshi Nakamoto, kiedy opublikował białą księgę Bitcoina w 2008 roku. Po prostu dlatego, że ten rodzaj konsensusu pozwalał na uzyskanie zaufanego i rozproszonego konsensusu.

Zaufany i rozproszony system konsensusu oznacza, że jeśli chcesz otrzymać lub wysłać pieniądze, nie musisz ufać osobom trzecim, że będą one chciały to zrobić. Transakcja jest zawierana wyłącznie między Tobą a uczestnikiem, od którego otrzymujesz lub wysyłasz płatność.

Jeśli korzystasz z tradycyjnych metod płatności musisz zaufać osobom trzecim, niezależnie od tego, czy są to banki, czy serwisy takie jak Visa, Mastercard czy PayPal. Instytucje te prowadzą swój własny, prywatny rejestr, w którym przechowują historię wszystkich transakcji, a więc i stan twojego konta. Dla przykładu jeśli chcesz wysłać pieniądze ze swojego konta do przyjaciela, musisz zaufać swojemu bankowi, że faktycznie dokona transakcji. Musisz też ufać, że bank nie zbankrutuje lub że państwo nie zarządzi zamrożenia twoich kont.

W przypadku Bitcoina i kilku innych kryptowalut potrzeba zaufania trzeciej, scentralizowanej stronie (bankowi, państwu, firmie płatniczej) nie istnieje. Każdy może posiadać kopię blockchaina (księgi głównej), więc nikt nie musi ufać osobom trzecim, ponieważ każdy może bezpośrednio zweryfikować informacje zapisane w blockchainie.

Proof of Work i Górnictwo

Kiedy zagłębimy się w tę kwestię okaże się, że konsensus Proof of Work wymaga kosztownej mocy obliczeniowej, zwanej też miningiem, aby transakcje w sieci bitcoin mogły być dokonywane. Podczas tego procesu nowe zweryfikowane bloki (bloks) są faktycznie tworzone i dodawane do łańcucha (chain). Block+Chain=Blockchain.

Celem górnictwa jest:

• Weryfikacja zasadności transakcji i zapobieganie tzw. podwójnemu wydawaniu pieniędzy
• Tworzenie nowych walut cyfrowych, które górnicy otrzymują jako nagrodę za weryfikację transakcji

Jak to dokładnie działa?

Podczas wykonywania transakcji w sieci Bitcoin (lub w każdej innej kryptowalucie wykorzystującej konsensus Proof of Work) zachodzi kilka procesów:

• Wszystkie transakcje są łączone w coś, co nazywa się blokiem
• Górnicy (miners) weryfikują, czy transakcje w każdym bloku są zgodne z prawami.
• Aby tego dokonać, górnicy muszą rozwiązać skomplikowany problem matematyczny zwany proof-of-work. Wykonując tę pracę, spalają energię elektryczną, która stała się obiektem krytyki ze strony Bitcoina i innych kryptowalut Proof of Work, ponieważ część tej energii pochodzi z nieekologicznych elektrowni – szczególnie tych, które wytwarzają energię przy użyciu węgla.
• Pierwszy górnik, który rozwiąże zadanie matematyczne zostanie nagrodzony za tę aktywność. Nagrodą są nowe wydobyte bitcoiny. W 2022 roku jest to 6,25 BTC na blok. Nagroda ta została zmniejszona w połowie 2020 roku w ramach tzw. halvingu z 12,5 BTC (halving odbywa się co cztery lata).
• Zweryfikowane transakcje są wprowadzane do publicznego blockchaina

Kluczowym punktem weryfikacji transakcji jest wspomniany wcześniej problem matematyczny. Jego kluczową cechą jest z kolei asymetria. Wykonywana praca musi być wystarczająco wymagająca po stronie żądającego, ale łatwa do sprawdzenia przez sieć.

Górnicy rywalizują ze sobą, aby jako pierwsi znaleźć rozwiązanie problemu matematycznego związanego z nowym blokiem, problemu, którego nie da się rozwiązać w żaden inny sposób niż „brute force”. (czytaj: największa możliwa moc obliczeniowa). Kiedy górnik w końcu znajdzie rozwiązanie matematycznej „łamigłówki”, otrzyma wspomnianą wcześniej nagrodę w postaci nowych bitcoinów.

Z górnictwem ściśle związane jest pojęcie „trudności górniczej”, czyli trudności wydobycia. Jest to liczba, która decyduje o konkurencyjnym charakterze górnictwa. Im więcej górników próbuje wydobyć nowy blok, tym wyższa jest trudność wydobycia i na odwrót. Ta metoda sprawia, że koszt tworzenia nowych bloków rośnie, górnicy starają się poprawić wydajność swojego sprzętu górniczego, a wszystko to utrzymuje pozytywną równowagę ekonomiczną systemu. Aktualizacja trudności wydobycia następuje raz na około 14 dni, po każdych 2016 wydobytych blokach. Jeden blok jest wydobywany średnio w ciągu 10 minut.

Algorytm Proof of Work jest wykorzystywany nie tylko przez Bitcoina, ale także przez wiele innych kryptowalut, w tym Ethereum. Choć w niektórych punktach występują różnice, podstawowa koncepcja jest taka sama. Ethereum chce jednak przejść na Proof of Stake i nie jest jedyną kryptowalutą, która uważa, że jest to lepsza opcja weryfikacji transakcji.

Czym jest Proof of Stake.

Proof of Stake, lub jak kto woli „dowód stawki” to drugi sposób na potwierdzenie transakcji i osiągnięcie rozproszonego konsensusu w całym procesie. Jest to nadal algorytm i jego cel jest taki sam jak Proof of Work, ale proces dochodzenia do konsensusu jest zupełnie inny. Po raz pierwszy o Proof of Stake wspomniano na forum bitcoina w 2011 roku, a pierwszą kryptowalutą, która użyła tej metody był PeerCoin w 2012 roku. Następnie dodano mniej znane kryptowaluty, takie jak ShadowCash, Nxt, BlackCoin, NuShares/NuBits, Qora czy Nav COin.

W przeciwieństwie do Proof of Work, gdzie algorytm nagradza górników, którzy rozwiązują skomplikowane problemy matematyczne w celu weryfikacji transakcji i tworzenia nowych bloków, w przypadku Proof of Stake twórca nowego bloku jest wybierany w sposób deterministyczny, w zależności od jego stawki. Należy jednak zauważyć, że różne kryptowaluty wykorzystują różne zasady konsensusu Proof of Stake, co oznacza, że istnieją zdecydowane różnice w doborze weryfikatorów (walidatorów) w zależności od konkretnego rozwiązania.

Nie ma nagród za bloki

W przypadku kryptowalut, które wykorzystują Proof of Stake, nie są tworzone nowe bloki. Wszystkie zostały stworzone w tym samym czasie i ich liczba nigdy się nie zmienia. Oznacza to, że w systemie Proof of Stake nie ma nagrody za wydobycie nowego bloku, tak jak ma to miejsce w przypadku Bitcoina czy innych kryptowalut, które używają konsensusu Proof of Work. W przypadku Proof of Stake górnicy pobierają jedynie opłaty transakcyjne.

Z tego powodu Proof of Stake nie nazywa górników minerami, ale tak zwanymi forgerami. Druga najcenniejsza obecnie kryptowaluta, Ethereum, planuje przejść na algorytm Proof of Stake. Głównym powodem, dla którego jego twórcy chcą uciec się do tego kroku, jest fakt, że Proof of Work wymaga dużej ilości zużytej energii. Istnieje wiele badań, które poruszają ten temat, a nawet ostrzegają przed szkodliwym wpływem wydobywania kryptowalut na środowisko naturalne. Zajmiemy się tym tematem osobno, ale chodzi o to, że używanie Proof of Stake oferuje bardziej ekologiczną i tańszą formę rozproszonego konsensusu.

Podczas gdy Ethereum, jako druga kryptowaluta na rynku dopiero wkrótce przechodzi na Proof of Stake, istnieje już wiele kryptowalut, które działają w oparciu o ten konsensus. Największe z nich to Cardano, Polkadot i Solana, ale należy zauważyć, że każdy z tych projektów ma swój konsensus Proof of Stake zoptymalizowany do pewnego stopnia pod kątem swoich potrzeb.

Który system jest bezpieczniejszy?

Każdy system komputerowy pragnie być nie do złamania, czyli odporny na hakerów. Konsensus Proof of Work ma za sobą ponad 12 lat niezawodnej historii, jeśli chodzi o solidność blockchaina Bitcoina. Proof of Stake nie przeszedł jednak jeszcze przez fazę naprawdę poważnego obciążenia. Czy jest on więc wystarczająco bezpieczny, by zdobyć zaufanie ludzi i zastąpić Proof of Work? Są sceptycy, którzy w to wątpią.

Kiedy używasz Proof of Work, działania złych podmiotów są automatycznie odstraszane przez siłę ekonomiczną opartą na sposobie działania systemu. Na przykład blockchain Bitcoin mógłby teoretycznie zostać naruszony przez przejęcie kontroli nad większością mocy obliczeniowej całej sieci (tzw. atak 51%). Jednak trudność tego ataku wymagałaby tak dużej inwestycji ze strony organizatora ataku, że byłoby to po prostu nieopłacalne. To po prostu nie miałoby sensu dla nikogo.

Proof of Stake nie wymaga wydobywania nowych bloków, a tym samym ogromnej mocy obliczeniowej (hashing power), więc mimo to stoi przed wyzwaniem zapewnienia sobie wystarczającej stabilności. W końcu potencjalni atakujący nie potrzebowaliby tak dużego kapitału jak w przypadku Bitcoina, aby przeprowadzić atak na taką sieć. Z drugiej strony (zakładając, że w projekcie nie ma żadnej innej luki w zabezpieczeniach), trzeba przyznać, że musieliby oni przejąć kontrolę nad dominującą liczbą wszystkich monet danej kryptowaluty Proof of Stake, a dodatkowo musieliby działać bezinteresownie, przez co faktycznie negatywnie wpłynęliby na wartość monet, które sami posiadają (innymi słowy, sami by sobie zaszkodzili w tym procesie). To sprawia, że dla zwolenników Proof of Stake całkiem logiczne jest twierdzenie, że konsensus PoS również w naturalny sposób zniechęca do wyrządzania szkód. Rozwiązania PoS zawierają ponadto algorytmy, które karzą wszelkie próby zmowy. Na przykład walidator, który próbuje oszukiwać, traci całą swoją pulę pieniędzy (stake).

Jak również wspomniano we wstępie rozdziału, bezpieczeństwo Proof of Work jest sprawdzone, a PoS jest tylko młodym rozwiązaniem. Kryptowaluta Cardano, której kapitalizacja rynkowa jest wystarczająco atrakcyjna by podjąć próbę ataku, działa na konsensusie Proof of Stake od maja 2020 roku i nie odnotowała jeszcze żadnych udanych prób ataku. Prawda jest jednak taka, że po prostu nie ma jeszcze takiej 12-letniej historii jak Bitcoin.

Czy PoS jest mniej sprawiedliwy niż PoW?

Gdy mowa o słabości PoS, nie należy zapominać o czynniku redystrybucji bogactwa w kierunku przyszłości. W rzeczywistości walka o nowe bitcoiny jest wyraźnie bardziej sprawiedliwa i zdecentralizowana niż nagrody ze stakowania w kryptowalutach PoS. W rzeczywistości górnicy bitcoinów muszą nieustannie rywalizować ze swoimi konkurentami, starymi lub nowymi, aby wydobywać nowe bitcoiny. Jednocześnie ich konkurenci mogą wejść na rynek bez wcześniejszego uczestnictwa w systemie. Z drugiej strony, w przypadku kryptowalut Proof of Stake ci, którzy zgromadzili wystarczającą liczbę monet na wczesnym etapie – przy narodzinach kryptowaluty lub w pierwszych latach jej istnienia – czerpią największe korzyści ze stakowania. A im więcej tych monet posiadają, tym więcej zarobią w przyszłości dzięki stakowaniu. Innymi słowy, im są bogatsi tym są bogatsi jeszcze bardziej. W ten sposób Proof of Stake daje oczywistą przewagę tym, którzy przyjmują system jako pierwsi, podczas gdy Proof of Work jest demokratyczny i wyrównany.

Podsumowanie

Dzięki Proof of Stake, osoby zatwierdzające transakcje nie muszą korzystać z ogromnej mocy obliczeniowej i związanego z tym ogromnego zużycia energii. Może to doprowadzić do wzrostu popularności kryptowalut typu Proof of Stake, ponieważ działają one w bardziej ekologiczny sposób. W tych latach duży nacisk będzie kładziony na kwestie środowiskowe, więc może to również odgrywać istotną rolę w podejmowaniu przez inwestorów decyzji, które projekty będą preferowane. Z drugiej strony trzeba przyznać, że walka o nowe bitcoiny, które są wydobywane wygląda bardziej sprawiedliwie niż w przypadku kryptowalut PoS. Bitcoin i Proof of Work mają także bezpośredni związek ze światem rzeczywistym dzięki wykorzystaniu energii elektrycznej, podczas gdy kryptowaluty Proof of Stake działają bez takiego kontaktu ze światem realnym.

Oznacza to, że o ile w przypadku próby ataku na Bitcoin musisz faktycznie wykonać jakąś akcję (zużyć energię), o tyle w przypadku konsensusu PoS wystarczy znaleźć dziurę w samym systemie. Znalezienie odpowiedzi na pytanie, który konsensus jest lepszy jest więc niezwykle trudne. Jedna strona przekonująco argumentuje, że PoS z pewnością z czasem zawiedzie (w kwestii bezpieczeństwa), podczas gdy druga strona twierdzi, że bez PoS nie będzie prawdziwego postępu w sektorze kryptowalut.