Proof of Work vs. Proof of Stake: Základní rozdíly, plusy a mínusy

V tomto článku se vám pokusíme vysvětlit základní rozdíly mezi konsensem Proof of Work, který známe i pod zkratkou PoW a konsensem Proof of Stake (zkratka PoS).

Proof of Work můžete také znát jako „důkaz o práci“ a Proof of Stake zas jako „důkaz o vkladu / podílu“, standardně se používají pro tuto terminologii originální anglické výrazy.

Na konsensus Proof of Work funguje většina kryptoměn včetně Bitcoinu. Je to léty ověřený systém, který s sebou přináší výhody, ale i několik úskalí. Zájem o konsensus Proof of Stake stoupl zejména poté, co kryptoměna Ethereum prozradila svůj cíl přejít na tento algoritmus pro jeho několik nesporných výhod.

Co je to Proof of Work?

Proof of Work je protokol, jehož hlavním úkolem je odradit kybernetické útoky, jako například distribuovaný útok typu Denial-of-Service (DDoS), jehož cílem je vyčerpat zdroje počítačového systému odesíláním množství falešných požadavků.

Koncept Proof of work existoval ještě před vznikem kryptoměny Bitcoin a před tím, než se ho rozhodl použít pro Bitcoin jeho záhadný tvůrce Satoshi Nakamoto. Způsobil tím revoluci ve způsobu, jakým se dají ověřovat finanční transakce.

Jako první přišli s myšlenkou „důkazu o práci“ v rámci své publikace Cynthia Dworkova a Moni Noar v roce 1993, ale termín „Proof of Work“ byl vytvořen Markusem Jakobssenom a Arim Juelsom v dokumentu, který vznikl v roce 1999.

Proof of Work byl snad hlavní a nejdůležitější myšlenkou, s níž přišel Satoshi Nakamoto, když v roce 2008 publikoval Bitcoin white paper. Jednoduše z toho důvodu, že tento konsensus umožňoval důvěryhodnost a distribuovanost konsensu.

Důvěryhodný a distribuovaný konsensový systém znamená, že pokud chcete přijímat nebo odesílat peníze, nepotřebujete při tom důvěřovat třetím stranám. Transakce se realizuje výhradně mezi vámi a tím účastníkem, od kterého platbu přijmete nebo mu ji odešlete.

Pokud používáte tradiční způsoby plateb, důvěřovat třetím stranám naopak musíte, ať už jde o banky, nebo služby jako jsou Visa, Mastercard či PayPal. Tyto instituce si vedou vlastní soukromý registr, který uchovává historii všech transakcí a tedy i váš zůstatek na účtu. Pro ilustraci, pokud chcete odeslat peníze z vašeho účtu vašemu příteli, musíte důvěřovat vaší bance, že tuto transakci opravdu realizuje. Také musíte věřit, že banka nezkrachuje zda stát nenařídí zmrazení vašich účtů.

U Bitcoinu a několika dalších kryptoměn potřeba důvěry v třetí centralizovanou stranu (banka, stát, platební společnost) neexistuje. Každý může vlastnit kopii blockchainu (účetní knihy), takže nikdo nemusí důvěřovat třetím stranám, protože všichni mohou přímo verifikovat informace, které jsou v blockchainu napsány.

Proof of Work a těžba

Když půjdeme do této problematiky hlouběji, zjistíme, že konsensus Proof of Work vyžaduje nákladný výpočetní výkon, nazývaný také těžba (mining), který je třeba provádět, aby se mohly transakce v bitcoinové síti uskutečňovat. Během tohoto procesu se vlastně vytvářejí nové ověřené bloky (blocks), které se přidávají do řetězce (chain). Block + Chain = Blockchain.

Úkolem těžby je:

• Ověřit legitimitu transakce a zabránit takzvanému double-spending
• Vytvoření nových digitálních měn, které dostávají těžaři jako odměnu za to, že ověřují transakce

Co se děje v zákulisí?

V zákulisí se během provádění transakce v síti Bitcoinu (nebo u jiné kryptoměny, která používá konsensus Proof of Work) děje hned několik procesů:

• Všechny transakce se spojují do něčeho, co nazýváme blok
• Mineři (těžaři) ověřují, zda jsou transakce v rámci každého bloku legitimní
• Aby to mohli mineři udělat, musí řešit komplikovanou matematickou úlohu, která je známá jako důkaz o práci (proof-of-work). Při této práci pálí elektrickou energii, což je terčem kritiky Bitcoinu a jiných Proof of Work kryptoměn, protože část této energie pochází z neekologických elektráren – zejména těch, které vyrábějí energii za pomoci uhlí.
• Odměnu za tuto činnost dostane první miner (těžař), který vyřeší matematickou úlohu. Odměnou jsou nové vytěžené Bitcoiny. V roce 2021 jde o 6.25 BTC za jeden blok. Tato odměna se v polovině roku 2020 v rámci tzv. halvingu snížila z 12.5 BTC.
• Ověřené transakce se dostávají do veřejného blockchainu

Klíčovým bodem ověřování transakcí je zmiňovaná matematická úloha. Jejím klíčovým znakem je zase asymetrie. Provedená práce musí být dostatečné náročná na straně žadatele, ale snadno kontrolovatelná přes síť.

Mineři mezi sebou soutěží, aby byli první, kteří najdou řešení pro matematický problém, který se týká nového bloku, což je problém, který nelze vyřešit jiným způsobem než „hrubou silou“ (rozumějte co nejvyšším výpočetním výkonem). Když miner konečně najde řešení matematické „hádanky“, dostane zmíněnou odměnu ve formě nových Bitcoinů.

S těžbou se úzce pojí i pojem „Mining difficulty„, čili obtížnost těžby. Je to údaj, který určuje konkurenční povahu těžby. Čím více těžařů se bude snažit vytěžit nový blok, tím bude obtížnost těžby vyšší a naopak. Tato metoda zajišťuje, že náklady na tvorbu nových bloků stoupají, mineři se snaží zlepšit účinnost jejich těžebních zařízení a to vše udržuje pozitivní ekonomickou rovnováhu systému. Aktualizace mining difficulty se děje jednou za přibližně 14 dní po každých 2016 vytížených blocích. Jeden blok se vytěží v průměru za 10 minut.

Algoritmus Proof of Work nepoužívá jen Bitcoin, ale i mnoho dalších kryptoměn včetně Ethereum. V některých bodech existují sice odlišnosti, ale základní koncept je stejný. Ethereum však chce přejít na Proof of Stake a není jedinou kryptoměnou, která považuje tuto možnost ověřování transakcí za lepší.

Co je Proof of Stake

Proof of Stake, nebo pokud chcete „důkaz o vkladu / podílu“ je druhým způsobem, jak je možné potvrdit transakce a dosáhnout při tom distribuovaný konsensus.

Stále jde o algoritmus a účel je stejný jako u Proof of Work, ale proces dosažení konsenzu je zcela odlišný.

Proof of Stake byl poprvé zmíněný na bitcoinovém fóru v roce 2011 a první kryptoměnou, která používala tuto metodu byl PeerCoin v roce 2012. Následně se přidaly dnes už méně známé kryptoměny než ShadowCash, Nxt, BlackCoin, NuShares / NuBits, Qora či Nav Coin.

Na rozdíl od Proof of Work, kde algoritmus odměňuje minery, kteří řeší komplikované matematické problémy s cílem ověřit transakce a vytvořit nové bloky, u Proof of Stake je tvůrce nového bloku vybraný deterministickým způsobem v závislosti na jeho vkladu / podílu (stake). Je však třeba upozornit, že různé kryptoměny využívají různé principy konsensu Proof of Stake, což znamená, že mezi výběrem ověřovatelů (validátorů) existují určitě odlišnosti v závislosti na konkrétním řešení.

Žádné blokové odměny

U kryptoměn, které využívají Proof of Stake, se žádné nové bloky nevytvářejí. Všechny byly vytvořeny najednou a jejich číslo se nikdy nezmění. To znamená, že v systému Proof of Stake neexistuje žádná odměna za vytěžení nového bloku, jak je to u Bitcoinu či jiných kryptoměn, které používají konsensus Proof of Work. U Proof of Stake si těžaři účtují jen poplatky za transakce.

Z tohoto důvodu se u Proof of Stake neříká těžařům mineři, ale takzvaní forgers (padělatelé).

Na algoritmus Proof of Stake chce projít druhá nejhodnotnější kryptoměna současnosti Ethereum. Hlavním důvodem, proč se chtějí její developeři uchýlit k tomuto kroku, je skutečnost, že Proof of Work vyžaduje množství spotřebované energie. Existuje mnoho studií, které se věnují tomuto tématu a dokonce upozorňují na škodlivé vlivy těžby kryptoměn na přírodu. Tomuto tématu se budeme věnovat zvlášť, ale pointou je, že využívání Proof of Stake nabízí ekologičtější a levnější formu distribuované formy konsensu.

Zatímco Ethereum jako dvojka trhu přechod na Proof of Stake jen připravuje, existuje již několik kryptoměn, které na tomto konsensu fungují. Největšími jsou Cardano, Polkadot či Solana, ale je opět nutné upozornit, že každý projekt má svůj konsensus Proof of Stake do určité míry optimalizován pro své potřeby.

Který systém je bezpečnější?

Jakýkoliv počítačový systém by chtěl být neprolomitelný, tedy odolný hackerům. Konsensus Proof of Work má více než 12ti letou spolehlivou historii u robustnosti blockchainu Bitcoinu. Proof of Stake však ještě svou opravdu vážnou zatěžkávací fází neprošel. Je tedy dostatečné bezpečný na to, aby si získal důvěru lidí a mohl nahradit Proof of Work? Existují skeptici, kteří o tom pochybují.

Při používání Proof of Work jsou zlí aktéři na základě toho, jak systém funguje, automaticky odrazováni ekonomickou silou. Například blockchain Bitcoinu by se dal teoreticky ovlivnit tak, že byste získali kontrolu nad většinou hashovacího výkonu celé sítě (takzvaný 51% útok). Náročnost tohoto útoku by si však vyžadovala z vaší strany takovou obrovskou investici, že by se vám to prostě nevyplatilo a výrazně byste prodělali. Jednoduše by to nikomu nedávalo logiku.

Proof of Stake těžbu nových bloků a tedy obrovskou hashovací sílu nepotřebuje, proto čelí výzvě, aby byl přesto dostatečně neprůstřelný. Potenciální útočníci by totiž k provedení útoku na takovou síť nepotřebovaly až tak vysoký kapitál jako v případě Bitcoinu. Na druhou stranu (při předpokladu, že v projektu neexistuje jiná bezpečnostní díra) je třeba uznat, že by museli získat kontrolu nad dominantním množstvím celkových mincí dané Proof of Stake kryptoměny a vedle toho by museli jednat v jejím nezájmu, čímž by vlastně negativně ovlivňovaly i hodnotu těch mincí, které sami vlastní (jinak řečeno poškozovaly by tím sami sebe). Fanoušci Proof of Stake díky tomu zcela logicky argumentují, že i PoS konsensus přirozeně odrazuje od záměru škodit. Řešení PoS vedle toho zahrnují algoritmy, které trestají jakýkoliv pokus o nekalou činnost. Například validátor, který se pokusí podvádět, přijde o svůj celý vklad.

Jak bylo zmíněno i v úvodu kapitoly, bezpečnost Proof of Work je ověřena časem a PoS je jen mladým řešením. Kryptoměna Cardano, jejíž tržní kapitalizace je dostatečně atraktivní na pokus o útok, funguje na Proof of Stake konsensu od května 2020 a zatím nebyl u ní zaznamenán žádný pokus o úspěšné napadení. Pravdou ale je, že 12 letou historii jako Bitcoin za sebou prostě zatím nemá.

Je PoS méně férový než PoW?

Pokud jde o kritiku PoS, nemělo by se zapomínat na faktor přerozdělení bohatství směrem do budoucnosti. Boj o nové bitcoiny je totiž zjevně více fér a decentralizovanější než odměny vyplývající ze stakingu u PoS kryptoměn. Těžaři bitcoinu totiž musí neustále soutěžit se svou konkurencí, ať už starou nebo novou, aby vytěžili nové bitcoiny. Jejich konkurence přitom může přijít na trh i bez jakékoli předchozí účasti v systému. U Proof of Stake kryptoměn naopak čerpají ze stakingu největší benefit ti, kteří nasbírali dostatečné množství mincí včas – u zrodu dané kryptoměny nebo v časných letech její existence. A čím více těchto mincí vlastní, tím více vydělají v budoucnu i díky stakingu. Jinak řečeno bohatší budou ještě bohatšími. Proof of Stake kryptoměny tedy staví do zjevné výhody první osvojitelé, dokud Proof of Work je demokratický i v průběhu času.

Závěr

U Proof od Stake nemusí validátor transakcí využívat obrovský počítačový výkon a s tím spojenou enormní spotřebu energie. To může vést k růstu popularity Proof of Stake kryptoměn, nakolik působí ekologičtější. V těchto letech se bude dbát na enviro problematiku obrovský důraz a tak to může sehrát patřičnou roli i při rozhodování investorů, kterým projektem dají přednost. Na druhou stranu je třeba přiznat, že boj o nové bitcoiny, které se těží, působí více férově, než v případě PoS kryptoměn. Bitcoin a Proof of Work má také díky pálení elektrické energie přímé spojení s reálným světem, zatímco Proof of Stake kryptoměny fungují bez takového reálného kontaktu. To znamená, že zatímco v případě pokusu napadnout Bitcoin musíte reálné vykonávat nějakou činnost (pálit energii) v případě PoS konsensu vám stačí najít díru v samotném systému. Najít odpověď na to, který konsensus je tedy lepší, je nesmírně obtížné. Jedna strana přesvědčeně tvrdí, že PoS časem určitě selže (v bezpečnosti), zatímco druhá strana argumentuje, že bez PoS nenastane v sektoru kryptoměn skutečný pokrok.

zdroj: blockgeeks.com