Algorytm konsensusu proof of work (PoW) jest stosowany w technologii blockchain. Używają go między innymi dwie największe sieci kryptowalutowe, a mianowicie Bitcoin (BTC) oraz Ethereum (ETH). Jednak Ethereum, protokół leżący u podstaw kryptowaluty ether, planuje w tym roku przejście na algorytm proof of stake (PoS), co całkowicie zrewolucjonizuje zasady działania sieci. Po aktualizacji praca górników przestanie być istotna, a zapotrzebowanie na energię niezbędne do utrzymania stabilności ETH ma spaść nawet o 98%.

• PoW (dowód pracy) i PoS (dowód stawki) to dwa podstawowe algorytmu konsensusu, czyli protokoły na bazie których działają sieci blockchain
• Pierwszy z nich bazuje na pracy górników, drugi natomiast do utrzymania stabilności wykorzystuje staking tokenów
• Sieć Ethereum obecnie przygotowuje się do porzucenia protokołu bazującym na pracy, na protokół bazujący na stawce

PoW, czyli dowód pracy

Cynthia Dwork i Moni Naor po raz pierwszy przedstawiły koncepcję PoW w 1993 roku, choć Markus Jakobsson nadał jej nazwę w 1999 roku. Bitcoin jest najbardziej znaną implementacją proof of work czyli dowodu pracy i to na jej przykładzie wyjaśnimy tę koncepcję.

Transakcje w blockchainie BTC są zgrupowane w puli pamięci zwanej „mempool”, a blok jest tworzony co 10 minut. Każda transakcja w mempoolu wymaga weryfikacji, którą przeprowadzają „górnicy”. Proces weryfikacji transakcji nazywany jest „wydobywaniem”. Użytkownik Bitcoin żądający transakcji przekazuje dane górnikowi, który następnie przystępuje do weryfikacji transakcji i umieszcza ją w następnym dostępnym bloku. Aby jednak włączyć transakcję do następnego bloku, górnik musi znać kryptograficzną wartość skrótu ostatniego zarejestrowanego bloku, ta jest jednak ukryta.

Aby znaleźć hash ostatniego bloku, górnik musi wypróbować jedną liczbę po drugiej wykorzystując moc obliczeniową komputera. Górnicy są nagradzani ułamkiem Bitcoina, a więc jest to proces oparty na rywalizacji. Zwycięski górnik to ten, który pokona wszystkich innych w grze i rozwiąże matematyczną łamigłówkę. Po znalezieniu hasha ostatniego zarejestrowanego bloku górnik ogłasza go w sieci, aby inne węzły mogły go zweryfikować, i po weryfikacji tworzy nowy blok z transakcjami w mempoolu.

PoS, czyli dowód stawki

W przypadku algorytmu PoS to grupa węzłów (nodów) decyduje się na stakowanie (postawienie, zablokowanie) własnych kryptowalut na poczet walidacji transakcji. Węzły te nazywane są „stakerami”. Im większa kwota stawki i im dłuższy czas jej obowiązywania, tym większe szanse na to, że staker będzie odpowiedzialnym za zatwierdzenie transakcji. Jego zarobek będzie bazował na prowizjach transakcyjnych.

Wszystkie kryptowaluty w ramach PoS są już utworzone i nie wymagają wydobycia. Eliminuje to konieczność rozwiązywania skomplikowanych zagadek kryptograficznych. Odpada też konieczność ciągłego unowocześniania sprzętu komputerowego i problem rosnących kosztów energii oraz jej rosnącego zużycia.

Nie ma też potrzeby angażowania całej sieci w proces zatwierdzania transakcji, co poprawia skalowalność. PoS umożliwia wdrożenie innego rozwiązania technologicznego, które nosi nazwę „sharding”. Pierwotnie koncepcja ta pochodzi z zarządzania bazami danych, gdzie oznacza przechowywanie różnych partycji bazy danych w oddzielnych instancjach serwera w celu zwiększenia wydajności, w blockchainie sharding oznacza przechowywanie poziomych części sieci w oddzielnych grupach węzłów. Ponieważ żaden węzeł nie widzi całej sieci, sharding nie może być zaimplementowany w połączeniu z algorytmem PoW.

Dlaczego sieć Ethereum postawiła na dowód stawki?

„Proof-of-stake (PoS) to mechanizm konsensusu, którego Ethereum będzie używać po The Merge. Ethereum odchodzi od proof-of-work (PoW) na rzecz proof-of-stake, ponieważ jest on bezpieczniejszy, mniej energochłonny i lepszy do wdrażania nowych rozwiązań skalujących. Chociaż przejście na proof-of-stake zawsze było planowane, jest ono również bardziej złożone niż proof-of-work, a dopracowanie tego mechanizmu zajęło lata badań i rozwoju. Obecnie wyzwaniem jest wdrożenie proof-of-stake w sieci Ethereum Mainnet. Proces ten nosi nazwę „The Merge”.” – napisano na stronie Ethereum w krótkim wyjaśnieniu dotyczącym przejścia z PoW na PoS.

Twórcy Ethereum od początku przy tworzeniu sieci wierzyli, że gdy ta osiągnie odpowiedni poziom wzrostu, możliwa będzie zmiana protokołu. Miała ona stać się również niezbędna w celu lepszej skalowalności. Obecne wykorzystanie Ethereum pokazuje, że mieli oni rację: przez powszechność wykorzystania ETH w DeFi, NFT i innych projektach opłaty transakcyjne są niezwykle wysokie, podobnie jak zapotrzebowanie na energię. PoS ma rozwiązać te problemy.

W systemie proof-of-stake wprowadzono szereg ulepszeń w stosunku do systemu proof-of-work. Jak podaje Ethereum.org:

• lepszą wydajność energetyczną – nie ma potrzeby zużywania dużej ilości energii na obliczenia proof-of-work
• niższe bariery wejścia na rynek, mniejsze wymagania sprzętowe – nie ma potrzeby posiadania drogiego sprzętu, aby mieć szansę na tworzenie nowych bloków
• zmniejszone ryzyko centralizacji – proof-of-stake powinien prowadzić do zwiększenia liczby węzłów zabezpieczających sieć
• ze względu na niskie zapotrzebowanie na energię mniejsza emisja ETH jest wymagana, aby zachęcić do uczestnictwa
• kary ekonomiczne za niewłaściwe zachowanie sprawiają, że ataki w stylu 51% są wykładniczo bardziej kosztowne dla atakującego w porównaniu z proof-of-work

Według obecnych ustaleń przejście z PoW na PoS, czyli The Merge, ma mieć miejsce w okolicach III-IV kw. br. Miejsce mają jednak pewne opóźnienia i data jest przesuwana.