Även om Bitcoins (BTC) transaktionshistorik är säkert sekvenserad med hjälp av proof-of-work (PoW), förbrukar den mycket elektricitet och antalet transaktioner som den kan hantera samtidigt är begränsat. Som ett resultat har nya konsensusmekanismer med fokus på den mindre energiintensiva metoden uppstått, där proof-of-stake (PoS)-modellen är en av de mest framträdande. Dessa konsensusmekanismer gör det möjligt för datornätverk att samarbeta samtidigt som de förblir säkra.
Blockkedjenätverk måste lösa flera problem för att fungera effektivt. Till exempel, utan en central myndighet som banker eller FinTechs (t.ex. PayPal) i mitten, måste decentraliserade kryptovalutanätverk säkerställa att ingen part i ett nätverk spenderar samma pengar flera gånger. Dessutom förhindrar konsensusmekanismen att nätverket spåras ur genom en hård gaffel.
Men i en centraliserad organisation som en bank kontrollerar styrelsen för beslutsfattare eller tillsynsmyndigheter sådana aktiviteter. Medan krypto är baserat på en gemenskap, så blockkedjan måste nå konsensus för att verifiera transaktionerna och blockeringen.
Proof-of-work och proof-of-stake är de två huvudsakliga konsensusmekanismerna som för närvarande används av decentraliserade finansprojekt (DeFi) för att kryptografiskt få konsensus om kryptovalutanätverk. När Satoshi Nakamoto skapade Bitcoin (den första kryptovalutan), behövde de ta reda på ett sätt att verifiera transaktioner utan inblandning av en tredje part. För att uppnå detta använde de en konsensusmekanism som kallas proof-of-work för att tillåta nätverk att komma överens om vilka transaktioner som är giltiga.
Tvärtom är proof-of-stake (PoS) en modern konsensusmetod som driver nyare DeFi-projekt och kryptovalutor. Vissa projekt börjar med PoS direkt eller går över till PoS från PoW. Men att bygga ett PoS-konsensusnätverk direkt är en betydande teknisk fråga, och det är inte så enkelt som att använda PoW för att få nätverkskonsensus.
Proof-of-work föreslogs först 1993 för att bekämpa spam-e-postmeddelanden på ett nätverk och överbelastningsattacker. PoW-konceptet populariserades sedan av Satoshi Nakamoto för att validera nya block i Bitcoin-nätverket 2008.
PoW är baserat på nätverksanvändares förmåga att bevisa att en beräkningsuppgift har utförts. För att svara på en matematisk ekvation används en viss beräkningskraft som kallas en nod, och när ekvationen är löst valideras ett nytt block i kedjan. En nod är vilken fysisk enhet som helst som en persondator som kan ta emot, skicka eller vidarebefordra data inom ett nätverk av andra verktyg.
Lösaren som svarar snabbast på ett matematikpussel kommer att skapa en kryptografisk länk mellan nuvarande och tidigare block och tjäna lite nypräglat kryptomynt. Denna process är känd som gruvdrift, och lösare är kända som gruvarbetare. Det är genom deras gemensamma ansträngningar som en blockchain hålls säker för alla inblandade parter. Dessutom kallas beräkningsuppgiften att lösa själva pusslet proof-of-work.
En blockchain är ett system som består av en serie block ordnade i kronologisk ordning baserat på en transaktionsorder som kallas blockchain ordering. Genesis-blocket, eller block noll, är det första blocket i en PoW-blockkedja, som är hårdkodad i programvaran. Detta block hänvisar per definition inte till ett tidigare block. De efterföljande blocken som laddas upp till blockkedjan hänvisar alltid tillbaka till de tidigare blocken och innehåller en fullständig och uppdaterad reskontrakopia.
Genom ett tävlingslopp där vissa deltagare eller gruvarbetare uppmuntras att använda beräkningsresurser för att skicka in legitima block som passar nätverkets regler, väljer PoW-algoritmer vem som får ändra redovisningen med de nya posterna. Huvudboken håller reda på alla transaktioner och organiserar dem i successiva block så att ingen användare kan spendera sina pengar två gånger. För att undvika manipulering distribueras huvudboken, vilket gör att andra användare snabbt kan avvisa en ändrad version.
I praktiken identifierar användare manipulering med hjälp av hash, som är långa rader av siffror som fungerar som bevis på arbetet. Hashfunktionen är en enkelriktad funktion, vilket innebär att den bara kan användas för att kontrollera att data som genererade hashen matchar originaldata.
Därefter verifierar noder transaktioner, förhindrar dubbla utgifter och beslutar om de föreslagna blocken ska läggas till i kedjan eller inte. Handlingen att göra betalningar två gånger med samma valuta för att lura mottagaren av dessa medel kallas dubbla utgifter. Dubbla utgifter skulle orsaka förödelse på nätverket och eliminera en av dess mest värdefulla egenskaper:oföränderlighet, decentralisering och tillitslöshet.
Proof-of-work gör dubbla utgifter otroligt svårt eftersom att ändra någon del av blockkedjan skulle innebära att alla efterföljande block återupptas. Eftersom maskineriet och kraften som krävs för att utföra hashfunktionerna är dyra, gör det omöjligt för användare att monopolisera nätverkets bearbetningskapacitet.
Dessutom, för att skapa konsensus och säkra legitimiteten för transaktioner som registreras i blockkedjan, kombinerar ett PoW-protokoll beräkningskraft med kryptografi.
Gruvarbetare tävlar om att utveckla det korrekta svaret på de matematiska problemen under hashprocessen för att producera nya block. Gruvarbetare uppnår detta genom att gissa en hash, som är en rad pseudoslumptal. En kryptografisk hash (t.ex. SHA-256) är en typ av text- eller datafils signatur. För en text ger SHA-256 en nästan unik 256-bitars (32-byte) signatur.
När den kopplas till data i blocket och bearbetas genom en hashfunktion, måste hashen generera ett resultat som uppfyller protokollets angivna krav.
Gruvarbetarna som vann hashen sänder den sedan till nätverket, så att andra gruvarbetare kan kontrollera om svaret är korrekt. Om svaret är korrekt läggs blocket till i blockkedjan och gruvarbetaren får blockbelöningen. Till exempel är den nuvarande blockbelöningen för Bitcoin-brytning 6,25 Bitcoin.
I PoW måste gruvarbetare betala mycket pengar för el för att lösa komplexa matematiska pussel och bearbeta ett block på nätverket. Elen används för att driva de maskiner som genererar digitala tillgångar genom processen att verifiera transaktioner, så kallad gruvdrift. Dessutom är energiutgifter avgörande för nätverkets säkerhet, eftersom det gör det möjligt att hålla ett korrekt register över transaktioner och följa en specificerad, trovärdig penningpolitik.
Dessutom hålls nätverket säkert eftersom bedrägeri av kedjan kräver att en illvillig aktör tar över 51 % av nätverkets datorkraft. Om en blockkedja hamnar i ett proof-of-work-system måste gruvarbetare välja om de vill flytta till det nyare splittrade blockchain-nätverket eller fortsätta att stödja den ursprungliga blockkedjan.
En gruvarbetare skulle behöva dela sina beräkningsresurser mellan de två sidorna av gaffeln för att stödja båda blockkedjorna. Som ett resultat, genom ett ekonomiskt incitament, förhindrar proof-of-work-system naturligtvis ständig gaffel och uppmanar gruvarbetarna att välja den sida som inte vill skada nätverket. Å andra sidan, om du är sårbar för en attack på 51 % eller om du inte är den viktigaste myntinnehavaren för någon utbytbar hashalgoritm, kan individer på ett större mynt vända sin hårdvara mot dig och ta dig ut, och du kan inte längre tjäna ett incitament.
Dessa egenskaper lämpar sig för spelteorin, där gruvarbetare måste agera strategiskt för att optimera sin investeringsavkastning. Människor, som gränsade rationalitetstillstånd, kommer alltid att välja den enklaste lösningen. Att flytta till en nyare kedja gör det svårare. Därför hjälper spelteorin oligopol att undvika intern korruption och fatta logiska beslut.
Trots ovanstående fördelar kan PoW vara ganska kostsamt och ineffektivt när det gäller resursanvändning. Gruvarbetare måste klara av en mängd olika utgifter, inklusive den senaste utrustningen som snabbt slits ut. Gruvdrift tenderar att producera mycket värme och kan ta upp orimlig elektricitet, beroende på var gruvarbetaren befinner sig. Dessutom stiger systemets transaktionsavgifter när nätverket blir överbelastat.
2011 föreslogs ett nytt tillvägagångssätt på Bitcointalk-forumet för att ta itu med ineffektiviteten i PoW-konsensusmekanismen och minska mängden beräkningsresurser som krävs för att driva blockchain-nätverket. Istället för att utföra påtagligt arbete bygger detta koncept på att det finns en verifierbar andel i ekosystemet.
För att uttrycka det på ett annat sätt, för att validera transaktioner på kryptonätverket, behöver en användare bara visa att de äger en viss mängd kryptovaluta-tokens som är inbyggda i blockkedjan. Denna typ av konsensusmekanism som används av blockkedjenätverk för att uppnå distribuerad konsensus kallas proof-of-stake konsensusmekanismen.
Till exempel satsar gruvarbetare A 30 mynt, gruvarbetare B satsar 50 mynt, gruvarbetare C satsar 75 mynt och gruvarbetare D satsar 15 mynt. Miner C skulle ges prioritet att skriva och validera följande block i detta fall. I motsats till blockbelöningen i proof-of-work kommer Miner C att samla in transaktionsavgifter, d.v.s. nätverksavgifter.
Genesisblocket är det initiala blocket i en PoS-blockkedja som också är hårdkodad i programmet. De efterföljande blocken som laddas upp till blockkedjan hänvisar alltid tillbaka till de tidigare blocken och innehåller en fullständig och uppdaterad reskontrakopia.
I PoS-nätverket tävlar inte gruvarbetare om rätten att lägga till block. Istället för att utvinnas kallas blocken ofta för "mintade" eller "smidda".
PoS-blockkedjor, till skillnad från PoW-blockkedjor, begränsar inte vem som kan föreslå block baserat på energianvändning. Trots de höga energikraven för PoW-blockkedjor, eliminerar nya konsensusmekanismer som proof-of-stake behovet av gruvdrift.
Provision-of-stake-systemet har flera fördelar jämfört med proof-of-work-schemat, inklusive högre energieffektivitet eftersom gruvblock inte använder mycket energi. Dessutom behöver du inte toppmodern teknik för att skapa nya block. Proof-of-stake resulterar i att nätverket har fler noder.
Fler noder i ett nätverk hjälper till att utveckla styrningsnormer som ger en starkare immunitet mot centralisering. I PoS-system möjliggörs detta av en högre grad av hårdvaruoberoende. Som ett resultat av detta ses proof-of-stake ofta som den konsensusalgoritm som minst sannolikt leder till nätverkscentralisering.
Användare som vill övervägas för inkludering i processen att lägga till block i en PoS-blockkedja måste satsa, eller låsa, en specifik mängd av nätverkets kryptovaluta i ett unikt kontrakt. Deras odds att bli vald som nästa blockproducent bestäms av mängden kryptotillgångar de har satsat på. Om användare agerar illvilligt kan de förlora sin insats som ett resultat av deras handlingar.
PoS kan inkludera andra avgörande element som inte alltid gynnar de rikaste noderna, inklusive hur länge en nod har satsat sina pengar, såväl som ren randomisering. Blockbelöningen i PoS hänvisar till en nätverksavgift som beviljas av blockkedjan till den person som skickar in ett giltigt block, liknande PoW-mekanismen.
I PoS baseras blockval på myntägande; därför erbjuds insatstjänster av börserna, som tillåter användare att satsa krypto för deras räkning i utbyte mot mer konsekventa belöningar. Flera intressenter kan gå med i en insatspool för att slå samman sina datorresurser och maximera sina chanser att bli belönade. För att uttrycka det på ett annat sätt, de slår samman sin insatskraft under verifieringen och valideringen av nya block för att maximera sina chanser att få blockbelöningar.
Frågan om stora mängder slöseri med energiresurser har tagits upp i PoS. Dessutom är PoS-baserade system mycket mer skalbara än PoW-baserade system, och transaktioner godkänns mycket snabbare. Skalbarhet innebär att systemet uppnår högre transaktioner per sekund (TPS) än specifika, nuvarande system genom att ändra systemets parameter eller ändra dess konsensusmekanism.
PoS-nätverket uppnår skalbarhet genom att etablera konsensus innan blocken konstrueras, vilket möjliggör bearbetning av tusentals förfrågningar per sekund med mindre än en millisekunds fördröjningspik.
Proof-of-stake, å andra sidan, har sina egna svårigheter. Nätverket är till exempel fortfarande föremål för dominans av de mest betydande tokeninnehavarna. Detta ger mer kraft till tidiga användare och personer med mest pengar.
Eftersom konceptet fortfarande är relativt nytt, kan det ha nackdelar som ännu inte är uppenbara för kryptogemenskapen. Detta paradigm, till skillnad från proof-of-work, har ingen meritlista vad gäller prestanda. Dessutom avskräcks inte gaffeln automatiskt av system med bevis-av-tagning. En validerare kommer att få sin insats dubblettkopia på den nyligen splittrade blockkedjan när en blockkedja splittras
Dilemmat "ingenting på spel" uppstår när en validerare loggar ut på båda sidor om en gaffel, vilket gör att de potentiellt kan dubbelspendera sina mynt och samla in dubbelt så många transaktionsavgifter som en retur.
Det framgår av de föregående förklaringarna att båda konsensusmekanismerna har fördelar och nackdelar. De har alla samma väsentliga mål som de som anges ovan, men de använder olika metoder för att uppnå det.
Den kritiska skillnaden mellan olika konsensusmekanismer är hur de delegerar och belönar transaktionsverifiering. Andra skillnader förklaras i tabellen nedan.
Konsensusmekanismen är avgörande för den distribuerade designen av ett blockkedjenätverk eftersom det minskar centraliseringen av de enheter som ansvarar för att validera transaktioner. För att behålla ett blockkedjenätverks oföränderliga, förtroendelösa och distribuerade egenskaper krävs en fullt fungerande konsensusmekanism.
Vilken typ av konsensus som krävs beror på ett nätverks behov. Till exempel krävs arbetsbevis för att förebygga bedrägerier, säkerhet och förtroendeskapande i ett nätverk. Gruvarbetare (eller oberoende databehandlare) kan inte vilseledas om en transaktion på grund av skyddet från PoW. Proof-of-work är en metod för att säkra en kryptotillgångs transaktionshistorik samtidigt som det ökar svårigheten att ändra data över tid.
Kravet på en deltagande nod som visar att arbetet är slutfört och skickat kvalificerar det att lägga till nya transaktioner i blockkedjan, vilket skyddar all skadlig aktivitet.
Om det finns många kopior av blockkedjan på nätverket hjälper PoW till att identifiera den mest legitima kopian. Slutligen, bevis på arbete är avgörande för att bygga en distribuerad klocka som gör att gruvarbetare fritt kan komma in i och ut ur nätverket samtidigt som en konstant drifthastighet bibehålls.
På liknande sätt är nätverksprestanda och säkerhet betydande konsekvenser av att använda en PoS-baserad mekanism. PoS används när hög transaktionshastighet krävs för transaktioner i kedjan per sekund och faktisk avveckling av nätverksöverföring. Dessutom kommer validerare sannolikt att äga betydande mängder av nätverkstoken, vilket ekonomiskt stimulerar dem att hålla kedjan säker.
Det finns dock vissa tvivel om styrkan hos PoS och PoW-säkerhet mot hot. Därför skapas en valideringsmekanism som kallas proof-of-space, eller (Chia-projektet) för att validera transaktioner på ett säkert sätt. Chia använder en proof-of-space och proof-of-time konsensusmekanism för att lösa några av de centraliseringsproblem som plågar PoW- och PoS-blockkedjor.