35. Czym jest Proof of Work (PoW), a czym Proof of Stake (PoS)?

To dwa mechanizmy konsensusu, czyli algorytmy, które zapewniają bezpieczne działanie blockchaina poprzez weryfikację i zatwierdzanie nowych transakcji. Zarówno Proof-of-Work (PoW), jak i Proof-of-Stake (PoS) mają na celu umożliwienie jedynie zweryfikowanym uczestnikom dodawanie nowych danych do łańcucha bloków.

W przypadku obu tych konsensusów, potencjalni użytkownicy sieci muszą udowodnić, że zaangażowali pewien zasób, który może być zarówno środkami finansowymi, jak i energią. Dzięki temu system może skutecznie przeprowadzić selekcję, wybierając tych uczestników, którzy są autentycznie zaangażowani w działanie sieci.

Niemniej jednak, główne różnice między Proof of Work, a Proof of Stake są znaczące. Oba algorytmy mają różne sposoby działania i cechy charakterystyczne. Jeżeli jesteś ciekaw, jakie to różnice i jak dokładnie działają oba te mechanizmy konsensusu, zapraszamy do lektury.

Czym jest Proof of Work i jak działa?

Proof of Work (PoW) to mechanizm konsensusu, w którym komputery rywalizują ze sobą, aby jako pierwsze rozwiązać skomplikowaną zagadkę matematyczną. W świecie kryptowalut ten proces nazywa się górnictwem, ponieważ zużywana energia i zasoby, potrzebne do rozwiązania zagadki, przypominają proces wydobycia surowców naturalnych w rzeczywistym świecie.

Działanie mechanizmu Proof of Work jest względnie proste. Wyobraźmy sobie, że górnik w sieci Bitcoin próbuje zgadnąć, jakie liczby należy pomnożyć, aby otrzymać wynik 55 236 962. Górnik próbuje różne kombinacje liczb, aż w końcu trafi na poprawne rozwiązanie. Gdy to się stanie, jego komputer przedstawia to rozwiązanie pozostałym komputerom w sieci. Te komputery weryfikują poprawność rozwiązania.

Interesujące jest to, że gdy jeden z górników jako pierwszy rozwiąże problem (przed innymi w sieci), może on stworzyć nowy blok i przesłać go do wszystkich węzłów w sieci. Każdy węzeł przeprowadza osobisty audyt dotychczasowej historii transakcji oraz nowego bloku. Jeśli wszystko jest poprawne, nowy blok jest dodawany do łańcucha. W ten sposób powstaje ciągły łańcuch transakcji. Za swoją pracę górnik jest nagradzany Bitcoinami.

Czym jest i jak działa Proof of Stake?

W mechanizmie konsensusu Proof of Stake (PoS) zamiast górników, mamy do czynienia z walidatorami. Walidatorzy odpowiadają za tworzenie nowych bloków w oparciu o ilość posiadanych przez nich tokenów, które zainwestowali w konkretny ekosystem. W przeciwieństwie do rywalizacji, charakterystycznej dla górników w Proof of Work, walidatorzy w Proof of Stake współpracują, aby zdecydować, który węzeł ma prawo do dodania nowego bloku.

W mechanizmie PoS to ilość posiadanych kryptowalut przez użytkownika zastępuje tradycyjną pracę górnika. Struktura stawek, w postaci posiadanych tokenów, stanowi zabezpieczenie sieci. Dlaczego? Uczestnik musi zakupić kryptowaluty, by je posiadać, a następnie stakować i zostać wybranym do tworzenia bloku oraz zdobycia nagrody.

Każdy uczestnik ekosystemu działającego w oparciu o PoS jest zobowiązany do inwestowania środków finansowych w kryptowaluty i w pewien sposób poświęcać swoje zasoby dla dobra sieci. Ci, którzy zainwestowali środki w kryptowaluty, aby zdobyć nagrodę, mają ścisły interes w pomyślnym rozwoju całej sieci.

Mechanizm PoS służy zapobieganiu niepożądanym atakom i fałszowaniu monet. Dlaczego? Ponieważ potencjalni hakerzy, którzy atakowaliby mechanizm Proof of Work, musieliby posiadać co najmniej 51% całej podaży monet oraz kontrolować co najmniej 51% węzłów w sieci. W przypadku PoS taki atak byłby znacznie trudniejszy do przeprowadzenia.

Proof-of-Work – zasady wydobycia bloku i bezpieczeństwo

W mechanizmie konsensusu Proof of Work (PoW), proces wydobycia nowego bloku wiąże się z ogromnym zużyciem energii elektrycznej. Cała sieć jest zabezpieczona w taki sposób, że tylko osoby, które mogą udokumentować wydanie pewnych zasobów w ekosystemie, otrzymują prawo do dodania nowego bloku do łańcucha.

Nie jest to zaskoczeniem, że atak na sieć opartą na konsensusie PoW jest bardzo kosztowny i wymaga dużego nakładu czasu. Hakerzy chcący przeprowadzić taki atak musieliby nabyć specjalistyczny sprzęt do wydobycia kryptowalut oraz odpowiednio go skonfigurować. Co więcej, musieliby ponieść znaczne koszty związane z zużyciem energii elektrycznej. Następnie konkurowaliby z innymi górnikami, starając się rozwiązać skomplikowaną zagadkę i dodać nowy blok do łańcucha, przy użyciu fałszywych kryptowalut.

Taki nieuczciwy górnik, po rozwiązaniu zagadki, próbowałby przesłać nowy blok do reszty sieci. Węzły w sieci przeprowadzałyby niezależną weryfikację bloku i transakcji w nim zawartych. W przypadku wykrycia fałszywych kryptowalut, cały blok zostałby odrzucony zgodnie z zasadami konsensusu, które już znamy.  

Mechanizm Proof of Work skutecznie eliminuje możliwość fałszowania kryptowalut, chyba że atakujący kontroluje co najmniej 51% mocy obliczeniowej sieci oraz węzłów. Taka sytuacja jest niemalże niemożliwa.

Atak 51% mógłby zaistnieć jedynie w przypadku, gdyby jakaś jednostka, np. rząd, firma lub inny potężny podmiot, zgromadziła zasoby reprezentujące ponad 51% całkowitej mocy obliczeniowej sieci. Nawet wtedy prawdziwi uczestnicy sieci prawdopodobnie utworzyliby nową gałąź łańcucha (tzw. fork), a poprzedni łańcuch stałby się bezużyteczny. W ten sposób atak 51% zostałby udaremniony.

• Zdrowa konkurencja i możliwość wykorzystania energii odnawialnej

Z pewnością zdajesz sobie sprawę, że rywalizacja w dziedzinie wydobycia Bitcoina jest nadzwyczaj intensywna. Aby zminimalizować wydatki związane z zużyciem energii elektrycznej, przedsiębiorstwa wciąż poszukują nowych i bardziej wydajnych rozwiązań. Zastosowanie tańszych źródeł energii oraz zaawansowanych technologii prowadzi do szybszych i bardziej efektywnych metod wydobycia.

• Nowoczesna energia

Znakomitym tego przykładem są prowincje Syczuan i Yunnan, które wykorzystywały intensywne okresy opadów deszczu do produkcji znacznej ilości energii odnawialnej. Warto odnotować, że w 2019 roku Chiny generowały niemal 70% całego hashrate Bitcoina, a to właśnie dzięki takiej nietypowej strategii pozyskiwania energii. Niestety, w późniejszym czasie Chińska Republika Ludowa zakazała wydobycia Bitcoina na rzecz własnej cyfrowej waluty narodowej CBDC – yuana.

Na skutek tych zmian, chińscy górnicy przenieśli swoją działalność w rejony, gdzie koszty energii nadal pozostają niskie. Mówimy tu oczywiście o Kazachstanie.

• Bezpieczeństwo

Do tej pory mechanizm konsensusu proof of work jest uznawany za najbardziej sprawdzony sposób utrzymania bezpieczeństwa w rozproszonej sieci. Wynika to głównie z faktu, że cały proces wymaga kosztownego sprzętu, aby wystartować, a także ciągłych wydatków, w przeciwieństwie do pojedynczej inwestycji, charakterystycznej dla proof of stake.

Konsensus Proof-of-Work – wady

• Duże zużycie energii

Sieci oparte na konsensusie Proof of Work wykazują znaczące zużycie energii, co jest niezbędne w celu zapewnienia bezpieczeństwa. Jednakże krytycy wskazują, że to nadmierne wykorzystanie energii elektrycznej może być nieefektywne i nieodpowiedzialne z ekologicznego punktu widzenia.

• Problematyka odpadów elektronicznych (E-Waste)

Koparki wykorzystywane przez górników Proof of Work pracują ciągle, 24 godziny na dobę. Narażone są na trudne warunki środowiskowe, takie jak wilgoć, wysokie temperatury czy brak właściwej wentylacji. To prowadzi do krótkiej żywotności tych urządzeń, a w konsekwencji generuje dużą ilość odpadów elektronicznych.

Okres życia typowej koparki ASIC to zwykle od trzech do pięciu lat, pomimo ciągłych starań producentów, aby opracowywać nowsze i bardziej wydajne modele. To prowadzi do akumulacji dużych ilości “śmieci wydobywczych”.

• Ryzyko śledzenia

Duże zużycie energii w procesie wydobycia kryptowalut może być wykorzystane do śledzenia lokalizacji górników. Przy użyciu np. kamer termicznych możliwe jest monitorowanie obszarów o intensywnym zużyciu energii. To z kolei może naruszać prywatność użytkowników sieci opartej na Proof of Work.

Proof-of-Stake – zalety

• Efektywność i oszczędność energii

Mechanizm konsensusu proof of stake jest znacznie bardziej efektywny i oszczędny energetycznie. Wymagania sprzętowe są minimalne, wystarczy zwykły laptop, a oprogramowanie nie potrzebuje dużych zasobów.

• Wysoka przepustowość

W tym systemie walidatorzy są wybierani na podstawie ilości posiadanych kryptowalut, bez konieczności rywalizacji w rozwiązywaniu trudnych zagadek. Algorytm wybierający walidatorów działa znacznie szybciej niż w przypadku proof of work, co przekłada się na szybsze przetwarzanie transakcji.

• Brak cenzury

Rozwiązywanie zagadek przez walidatorów Proof of Stake może odbywać się przy użyciu zwykłego laptopa. Dzięki temu walidatorzy mogą pracować z dowolnego miejsca, kontrolując globalnie rozproszoną sieć, bez konieczności posiadania magazynu wypełnionego koparkami.

• Niska bariera wejścia

Działanie jako walidator w mechanizmie Proof of Stake wymaga jednorazowego zakupu kryptowalut, które służą jako wkład. Nie jest konieczne inwestowanie w kosztowny sprzęt górniczy ani jego utrzymanie. To obniża barierę wejścia do udziału w sieci, co może przyciągać większą liczbę uczestników.

Proof-of-Stake – ograniczenia

• Skalowanie

Obecnie mechanizmy Proof of Stake nie osiągnęły jeszcze takiej skali jak sieć Bitcoin. Niemniej jednak coraz więcej ekosystemów przechodzi na ten rodzaj konsensusu. Systemy PoS mają potencjał do skalowania w przyszłości.

• Konsolidacja kryptowalut

Jednym z częstych argumentów przeciwników Proof of Stake jest obawa o koncentrację dużych ilości kryptowalut u kilku walidatorów. Same założenia tego mechanizmu skłaniają do posiadania jak największej ilości monet, aby zwiększyć szansę na wydobycie bloku i uzyskanie nagrody.

• Mniejsze bezpieczeństwo

Wspomniana wcześniej niska bariera wejścia do roli walidatora może skutkować większą liczbą uczestników w ekosystemie. Większa ilość walidatorów może obniżyć ogólną bezpieczeństwo sieci, ponieważ ryzyko ataków może wzrosnąć. To zjawisko musi być kontrolowane, aby zachować integralność sieci.

Kim jest górnik, a kim walidator w sieci blockchain?

Górnik to komputer, który uczestniczy w procesie wydobywania nowych bloków w mechanizmie konsensusu Proof of Work. Jego zadaniem jest rozwiązanie skomplikowanych zagadek matematycznych poprzez wykonywanie intensywnych obliczeń. Ten proces wymaga znacznej ilości energii elektrycznej i zasobów sprzętowych. Górnik, który jako pierwszy rozwiąże zagadkę i dodanie nowego bloku do łańcucha, zostaje nagrodzony kryptowalutami, zazwyczaj w postaci Bitcoina.

Walidator to odpowiednik górnika, działający w mechanizmie konsensusu proof of stake. Walidatorzy stawiają swoje posiadane kryptowaluty jako zabezpieczenie dla sieci. W zamian za to, że stawiają swoje monety, mają szansę na tworzenie nowych bloków transakcji oraz na ich weryfikację. To zabezpieczenie jest gwarancją, że walidatorzy będą działać zgodnie z zasadami sieci, a w przypadku, gdy złamałyby one te zasady, ich stawka zostanie utracona. Walidatorzy otrzymują nagrody za swoje zaangażowanie w proces zabezpieczania i utrzymywania sieci blockchain.

Oba konsensusy mają swoje miejsce w świecie kryptowalut. Nie ma jednoznacznej odpowiedzi, który z nich jest lepszy. Wiele kryptowalut, szczególnie tych nowszych, niż Bitcoin w swoim działaniu używa Proof of Stake. Działają stabilnie i mają niższe koszty.

Jednak znajdą się krytycy tego systemu, którzy będą twierdzić, że im więcej monet w systemie PoS posiadasz, tym więcej władzy możesz mieć.

Z drugiej strony proof of work również zbiera bęcki. Mowa o mało prawdopodobnym ataku 51% czy bardzo złym wpływie na środowisko.

Pamiętaj jednak, że mechanizm konsensusu, z którego korzysta kryptowaluta to tylko jeden z wielu czynników, który musisz wziąć pod uwagę, inwestując w dane aktywa.

Podsumowanie

Mechanizmy konsensusu, tj. Proof of Work i proof of stake, stanowią kluczowe algorytmy wpływające na funkcjonowanie sieci blockchain. Pełnią one istotną rolę w procesie synchronizacji danych, dodawania nowych bloków oraz zapewniania bezpieczeństwa sieci. W ramach tych mechanizmów określana jest kolejność w jakiej komputery mogą dodać nowe bloki do łańcucha. Zarówno Proof of Work, jak i Proof of Stake są skuteczne, choć nie istnieje jednoznaczna odpowiedź na pytanie, który z nich jest lepszy. Wybór pomiędzy nimi zależy od konkretnych cech danego projektu oraz priorytetów, takich jak wydajność, bezpieczeństwo i zrównoważony rozwój.