Selvom Bitcoins (BTC) transaktionshistorik er sikkert sekventeret ved hjælp af proof-of-work (PoW), bruger den meget elektricitet, og antallet af transaktioner, den kan håndtere på én gang, er begrænset. Som et resultat er der opstået nye konsensusmekanismer med fokus på den mindre energikrævende metode, hvor proof-of-stake (PoS) modellen er en af de mest fremtrædende. Disse konsensusmekanismer gør det muligt for computernetværk at samarbejde, mens de forbliver sikre.
Blockchain-netværk skal løse flere problemer for at fungere effektivt. For eksempel, uden en central myndighed som banker eller FinTechs (f.eks. PayPal) i midten, skal decentraliserede cryptocurrency-netværk sikre, at ingen part i et netværk bruger de samme penge flere gange. Desuden forhindrer konsensusmekanismen netværket i at blive afsporet gennem en hård gaffel.
I en centraliseret organisation som en bank kontrollerer bestyrelsen for beslutningstagere eller tilsynsmyndigheder imidlertid sådanne aktiviteter. Mens krypto er baseret på et fællesskab, så skal blockchain nå en konsensus for at verificere transaktionerne og blokeringerne.
Proof-of-work og proof-of-stake er de to vigtigste konsensusmekanismer, der i øjeblikket bruges af decentraliserede finansieringsprojekter (DeFi) til kryptografisk at opnå konsensus om kryptovaluta-netværk. Da Satoshi Nakamoto skabte Bitcoin (den første kryptovaluta), var de nødt til at finde ud af et middel til at verificere transaktioner uden involvering af en tredjepart. For at opnå dette brugte de en konsensusmekanisme kaldet proof-of-work for at tillade netværk at blive enige om, hvilke transaktioner der er gyldige.
Tværtimod er proof-of-stake (PoS) en moderne konsensusmetode, der driver nyere DeFi-projekter og kryptovalutaer. Nogle projekter begynder med PoS med det samme eller går over til PoS fra PoW. Men at opbygge et PoS-konsensusnetværk med det samme er et betydeligt teknologisk problem, og det er ikke så enkelt som at bruge PoW til at opnå netværkskonsensus.
Proof-of-work blev først foreslået i 1993 for at bekæmpe spam-e-mails på et netværk og denial-of-service-angreb. PoW-konceptet blev derefter populært af Satoshi Nakamoto for at validere nye blokke i Bitcoin-netværket i 2008.
PoW er baseret på netværksbrugeres kapacitet til at bevise, at en beregningsopgave er udført. For at besvare en matematisk ligning bruges en vis computerkraft kendt som en node, og når ligningen er løst, valideres en ny blok på kæden. En node er enhver fysisk enhed som en personlig computer, der kan modtage, sende eller videresende data inden for et netværk af andre værktøjer.
Løseren, der besvarer et matematik-puslespil hurtigst, vil skabe et kryptografisk link mellem den nuværende og tidligere blokke og tjene nogle nyslåede kryptomønter. Denne proces er kendt som minedrift, og løserne er kendt som minearbejdere. Det er gennem deres samlede indsats, at en blockchain holdes sikker for alle involverede parter. Desuden kaldes den beregningsmæssige opgave med at løse selve dette puslespil proof-of-work.
En blockchain er et system, der består af en række blokke arrangeret i kronologisk rækkefølge baseret på en transaktionsordre kaldet blockchain-bestilling. Genesis-blokken, eller blok nul, er den første blok i en PoW-blokkæde, som er hårdkodet ind i softwaren. Denne blok henviser per definition ikke til en tidligere blok. De efterfølgende blokke, der er uploadet til blockchain, henviser altid tilbage til de tidligere blokke og indeholder en komplet og opdateret hovedbogskopi.
Gennem et konkurrenceløb, hvor nogle deltagere eller minearbejdere opfordres til at bruge beregningsressourcer på at indsende legitime blokke, der passer til netværkets regler, vælger PoW-algoritmer, hvem der skal ændre hovedbogen med de nye poster. Hovedbogen holder styr på alle transaktioner og organiserer dem i på hinanden følgende blokke, så ingen bruger kan bruge deres penge to gange. For at undgå manipulation distribueres hovedbogen, hvilket giver andre brugere mulighed for hurtigt at afvise en ændret version.
I praksis identificerer brugere manipulation ved hjælp af hashes, som er lange rækker af tal, der fungerer som bevis på arbejdet. Hash-funktionen er en envejsfunktion, hvilket betyder, at den kun kan bruges til at kontrollere, at de data, der genererede hashen, matcher de originale data.
Derefter verificerer noder transaktioner, forhindrer dobbeltforbrug og beslutter, om de foreslåede blokke skal tilføjes til kæden. Handlingen med at foretage betalinger to gange med den samme valuta for at bedrage modtageren af disse midler er kendt som dobbeltudgifter. Dobbeltforbrug ville skabe kaos på netværket og eliminere en af dets mest værdifulde funktioner:uforanderlighed, decentralisering og tillidsløshed.
Proof-of-work gør dobbeltforbrug utroligt vanskeligt, fordi ændring af enhver del af blockchain ville indebære genudvinding af alle efterfølgende blokke. Fordi det maskineri og den nødvendige kraft til at udføre hash-funktionerne er dyre, gør det det umuligt for brugere at monopolisere netværkets behandlingskapacitet.
Ydermere, for at skabe konsensus og sikre legitimiteten af transaktioner registreret i blockchain, kombinerer en PoW-protokol beregningskraft med kryptografi.
Minearbejdere konkurrerer om at udvikle det rigtige svar på de matematiske problemer under hashing-processen for at producere nye blokke. Minearbejdere opnår dette ved at gætte en hash, som er en række pseudorandom-numre. En kryptografisk hash (f.eks. SHA-256) er en type tekst- eller datafils signatur. For en tekst giver SHA-256 en næsten unik 256-bit (32-byte) signatur.
Når den kobles med dataene i blokken og behandles gennem en hash-funktion, skal hashen generere et resultat, der opfylder protokollens angivne krav.
Minearbejderne, der vandt hashen, udsender den derefter til netværket, så andre minearbejdere kan kontrollere, om svaret er korrekt. Hvis svaret er nøjagtigt, tilføjes blokken til blockchain, og minearbejderen modtager blokbelønningen. For eksempel er den nuværende blokbelønning for Bitcoin-minedrift 6,25 Bitcoin.
I PoW skal minearbejdere betale mange penge for elektricitet for at løse komplekse matematiske gåder og behandle en blok på netværket. Elektriciteten bruges til at drive de maskiner, der genererer digitale aktiver, gennem processen med at verificere transaktioner, kaldet minedrift. Desuden er energiforbrug afgørende for netværkets sikkerhed, da det giver det mulighed for at føre en nøjagtig registrering af transaktioner og overholde en specificeret, troværdig pengepolitik.
Yderligere holdes netværket sikkert, fordi bedrageri af kæden ville kræve en ondsindet aktør til at overtage 51 % af netværkets computerkraft. Hvis en blockchain bliver splittet i et proof-of-work-system, skal minearbejdere vælge, om de vil flytte til det nyere forked blockchain-netværk eller fortsætte med at understøtte den originale blockchain.
En minearbejder ville være nødt til at dele deres beregningsressourcer mellem de to sider af gaflen for at understøtte begge blockchains. Som et resultat, gennem et økonomisk incitament, forhindrer proof-of-work-systemer naturligvis konstant forgrening og opfordrer minearbejderne til at vælge den side, der ikke ønsker at skade netværket. På den anden side, hvis du er sårbar over for et angreb på 51 %, eller hvis du ikke er på den mest betydningsfulde møntholder for nogen udskiftelig hashing-algoritme, kan personer på en større mønt vende deres hardware mod dig og tage dig ud, og du kan ikke længere tjene et incitament.
Disse egenskaber egner sig til spilteorien, hvor minearbejdere skal handle strategisk for at optimere deres investeringsafkast. Mennesker, ligesom afgrænsede rationalitetstilstande, vil altid vælge den enkleste løsning. At flytte til en nyere kæde gør tingene sværere. Derfor hjælper spilteori oligopoler med at undgå intern korruption og træffe logiske beslutninger.
På trods af ovenstående fordele kan PoW være ret dyrt og ineffektivt med hensyn til ressourceforbrug. Minearbejdere skal klare en række forskellige udgifter, herunder det nyeste udstyr, der hurtigt bliver slidt. Minedrift har en tendens til at producere meget varme og kan opsamle ublu elektricitet, afhængigt af placeringen af minearbejderen. Desuden stiger systemets transaktionsgebyrer, når netværket bliver overbelastet.
I 2011 blev en ny tilgang foreslået på Bitcointalk-forummet for at adressere ineffektiviteten af PoW-konsensusmekanismen og reducere mængden af beregningsressourcer, der kræves for at drive blockchain-netværket. I stedet for at udføre håndgribeligt arbejde er dette koncept baseret på eksistensen af en verificerbar andel i økosystemet.
For at sige det på en anden måde, for at validere transaktioner på kryptonetværket, behøver en bruger kun at vise, at de ejer en bestemt mængde kryptovaluta-tokens, der er hjemmehørende i blockchain. Denne type konsensusmekanisme, der bruges af blockchain-netværk til at opnå distribueret konsensus, kaldes proof-of-stake konsensusmekanismen.
For eksempel sætter minearbejder A 30 mønter, minearbejder B sætter 50 mønter, minearbejder C sætter 75 mønter og minearbejder D sætter 15 mønter. Miner C ville få prioritet til at skrive og validere den følgende blok i dette tilfælde. I modsætning til blokbelønningen i proof-of-work, vil Miner C opkræve transaktionsgebyrer, dvs. netværksgebyrer.
Genesisblokken er den indledende blok i en PoS-blokkæde, der også er hårdkodet ind i programmet. De efterfølgende blokke, der er uploadet til blockchain, henviser altid tilbage til de tidligere blokke og indeholder en komplet og opdateret hovedbogskopi.
I PoS-netværket konkurrerer minearbejdere ikke om retten til at tilføje blokke. I stedet for at blive udvundet, omtales blokkene ofte som "slået" eller "smedet."
PoS blockchains, i modsætning til PoW blockchains, begrænser ikke, hvem der kan foreslå blokke baseret på energiforbrug. På trods af de høje energikrav til PoW blockchains, eliminerer nye konsensusmekanismer som proof-of-stake behovet for minedrift.
Profit-of-stake-systemet har flere fordele i forhold til proof-of-work-ordningen, herunder større energieffektivitet, da mineblokke ikke bruger meget energi. Derudover behøver du ikke top-of-the-line teknologi for at skabe nye blokke. Proof-of-stake resulterer i, at netværket har flere noder.
Flere noder i et netværk hjælper med at udvikle styringsnormer, der giver en stærkere immunitet over for centralisering. I PoS-systemer er dette muliggjort af en højere grad af hardwareuafhængighed. Som et resultat heraf ses proof-of-stake ofte som den konsensusalgoritme, der mindst vil føre til netværkscentralisering.
Brugere, der ønsker at komme i betragtning til at blive inkluderet i processen med at tilføje blokke til en PoS-blockchain, skal satse eller låse en specifik mængde af netværkets kryptovaluta i en unik kontrakt. Deres odds for at blive valgt som den næste blokproducent bestemmes af mængden af kryptoaktiver, de har satset. Hvis brugere handler ondsindet, kan de miste deres indsats som følge af deres handlinger.
PoS kan inkludere andre bestemmende elementer, som ikke altid gavner de rigeste noder, herunder hvor lang tid en node har satset sine penge, såvel som ren randomisering. Blokeringsbelønningen i PoS refererer til et netværksgebyr givet af blockchain til den person, der indsender en gyldig blok, svarende til PoW-mekanismen.
I PoS er blokvalg baseret på møntejerskab; derfor tilbydes indsatstjenester af børserne, som giver brugerne mulighed for at satse krypto på deres vegne i bytte for mere konsekvente belønninger. Flere interessenter kan deltage i en indsatspulje for at samle deres computerressourcer og maksimere deres chancer for at blive belønnet. For at sige det på en anden måde, samler de deres indsatskraft under verifikation og validering af nye blokke for at maksimere deres chancer for at modtage blokbelønninger.
Spørgsmålet om store mængder spild af energiressourcer er blevet behandlet i PoS. Desuden er PoS-baserede systemer langt mere skalerbare end PoW-baserede systemer, og transaktioner godkendes meget hurtigere. Skalerbarhed betyder, at systemet opnår højere transaktioner per sekund (TPS) end specifikke, nuværende systemer ved at ændre systemets parameter eller ændre dets konsensusmekanisme.
PoS-netværk opnår skalerbarhed ved at etablere en konsensus, før blokke konstrueres, hvilket giver mulighed for behandling af tusindvis af anmodninger pr. sekund med mindre end et millisekunds latenstidspike.
Proof-of-stake har på den anden side sit eget sæt af vanskeligheder. Netværket er for eksempel stadig underlagt dominans af de vigtigste token-indehavere. Dette giver mere magt til tidlige brugere og folk med flest penge.
Da konceptet stadig er relativt nyt, kan det have ulemper, som endnu ikke er tydelige for kryptosamfundet. Dette paradigme, i modsætning til proof-of-work, har ikke en track record for ydeevne. Ydermere modvirkes gaffelføring ikke automatisk af proof-of-take-systemer. En validator vil modtage deres indsatss duplikatkopi på den nyligt splittede blockchain, når en blockchain splittes
Dilemmaet "intet på spil" opstår, når en validator melder fra på begge sider af en gaffel, hvilket giver dem mulighed for potentielt at dobbeltbruge deres mønter og opkræve det dobbelte antal transaktionsgebyrer som et afkast.
Det fremgår af de foregående forklaringer, at begge konsensusmekanismer har fordele og ulemper. De har alle det samme væsentlige mål som dem, der er nævnt ovenfor, men de bruger forskellige metoder til at opnå det.
Den kritiske skelnen mellem forskellige konsensusmekanismer er, hvordan de uddelegerer og belønner transaktionsbekræftelse. Andre forskelle er forklaret i tabellen nedenfor.
Konsensusmekanismen er afgørende for det distribuerede design af et blockchain-netværk, fordi det reducerer centraliseringen af de enheder, der er ansvarlige for at validere transaktioner. For at bevare et blockchain-netværks uforanderlige, tillidsløse og distribuerede egenskaber kræver det en fuldt fungerende konsensusmekanisme.
Den type konsensus, der kræves, afhænger af et netværks behov. For eksempel kræves bevis-på-arbejde til forebyggelse af svindel, sikkerhed og tillidsopbygning i et netværk. Minearbejdere (eller uafhængige databehandlere) kan ikke vildledes om en transaktion på grund af beskyttelsen fra PoW. Proof-of-work er en metode til at sikre et kryptoaktivs transaktionshistorik og samtidig øge vanskeligheden ved at ændre data over tid.
Kravet om en deltagende node, der demonstrerer, at arbejdet er afsluttet og indsendt, kvalificerer det til at tilføje nye transaktioner til blockchain, hvilket beskytter enhver ondsindet aktivitet.
Hvis der er adskillige kopier af blockchain på netværket, hjælper PoW med at identificere den mest legitime kopi. Endelig er proof-of-work afgørende for at bygge et distribueret ur, der gør det muligt for minearbejdere frit at komme ind og forlade netværket og samtidig opretholde en ensartet driftshastighed.
Tilsvarende er netværkets ydeevne og sikkerhed væsentlige konsekvenser af at bruge en PoS-baseret mekanisme. PoS bruges, når der kræves høj transaktionshastighed til on-chain transaktioner pr. sekund og faktisk netværksoverførselsafvikling. Desuden vil validatorer sandsynligvis eje betydelige mængder af netværkstokenet, hvilket økonomisk incitamenter dem til at holde kæden sikker.
Der er dog nogen tvivl om styrken af PoS- og PoW-sikkerhed mod trusler. Derfor oprettes en valideringsmekanisme kaldet proof-of-space eller (Chia-projektet) for at validere transaktioner sikkert. Chia bruger en proof-of-space og proof-of-time konsensusmekanisme til at løse nogle af de centraliseringsproblemer, der plager PoW- og PoS-blockchains.