Hoewel de transactiegeschiedenis van Bitcoin (BTC) veilig wordt gesequenced met behulp van proof-of-work (PoW), verbruikt het veel elektriciteit en is het aantal transacties dat het tegelijk kan verwerken beperkt. Als gevolg hiervan zijn nieuwe consensusmechanismen ontstaan die zich richten op de minder energie-intensieve methode, waarbij het proof-of-stake (PoS) -model een van de meest prominente is. Deze consensusmechanismen stellen computernetwerken in staat om samen te werken terwijl ze veilig blijven.
Blockchain-netwerken moeten verschillende problemen oplossen om effectief te kunnen functioneren. Zonder een centrale autoriteit zoals banken of FinTechs (bijvoorbeeld PayPal) in het midden, moeten gedecentraliseerde cryptocurrency-netwerken ervoor zorgen dat geen enkele partij in een netwerk hetzelfde geld meerdere keren uitgeeft. Bovendien voorkomt het consensusmechanisme dat het netwerk door een hard fork ontspoort.
In een gecentraliseerde organisatie zoals een bank, controleren de raad van besluitvormers of regelgevers dergelijke activiteiten. Terwijl crypto gebaseerd is op een gemeenschap, moet de blockchain een consensus bereiken om de transacties en blokken te verifiëren.
Proof-of-work en proof-of-stake zijn de twee belangrijkste consensusmechanismen die momenteel worden gebruikt door gedecentraliseerde financiële (DeFi)-projecten om cryptografisch consensus te verkrijgen over cryptocurrency-netwerken. Toen Satoshi Nakamoto Bitcoin (de eerste cryptocurrency) creëerde, moesten ze een manier vinden om transacties te verifiëren zonder tussenkomst van een derde partij. Om dit te bereiken, gebruikten ze een consensusmechanisme dat proof-of-work wordt genoemd, zodat netwerken kunnen overeenkomen welke transacties geldig zijn.
Integendeel, proof-of-stake (PoS) is een moderne consensusmethode die nieuwere DeFi-projecten en cryptocurrencies mogelijk maakt. Sommige projecten beginnen meteen met PoS of gaan vanuit PoW over naar PoS. Het meteen opbouwen van een PoS-consensusnetwerk is echter een belangrijk technologisch probleem, en het is niet zo eenvoudig als het gebruik van PoW om netwerkconsensus te verkrijgen.
Proof-of-work werd voor het eerst voorgesteld in 1993 om spam-e-mails op een netwerk en denial-of-service-aanvallen te bestrijden. Het PoW-concept werd vervolgens gepopulariseerd door Satoshi Nakamoto om in 2008 nieuwe blokken in het Bitcoin-netwerk te valideren.
PoW is gebaseerd op het vermogen van netwerkgebruikers om te bewijzen dat een rekentaak is volbracht. Om een wiskundige vergelijking te beantwoorden, wordt enige rekenkracht gebruikt die bekend staat als een knooppunt, en zodra de vergelijking is opgelost, wordt een nieuw blok in de keten gevalideerd. Een node is elk fysiek apparaat, zoals een pc, dat gegevens kan ontvangen, verzenden of doorsturen binnen een netwerk van andere tools.
De oplosser die een wiskundepuzzel het snelst beantwoordt, maakt een cryptografische link tussen de huidige en vorige blokken en verdient een vers geslagen cryptomunt. Dit proces staat bekend als mijnbouw en de oplossers staan bekend als mijnwerkers. Het is door hun gezamenlijke inspanningen dat een blockchain veilig wordt gehouden voor alle betrokken partijen. Bovendien wordt de rekentaak om deze puzzel zelf op te lossen, proof-of-work genoemd.
Een blockchain is een systeem dat bestaat uit een reeks blokken die in chronologische volgorde zijn gerangschikt op basis van een transactievolgorde die blockchain-volgorde wordt genoemd. Het genesisblok, of blok nul, is het eerste blok in een PoW-blockchain, die hard gecodeerd is in de software. Dit blok verwijst niet per definitie naar een vorig blok. De volgende blokken die naar de blockchain worden geüpload, verwijzen altijd terug naar de eerdere blokken en bevatten een volledige en bijgewerkte grootboekkopie.
Door middel van een competitieve race waarin sommige deelnemers of miners worden aangemoedigd om computerbronnen te gebruiken om legitieme blokken in te dienen die passen bij de netwerkregels, selecteren PoW-algoritmen wie het grootboek mag aanpassen met de nieuwe invoer. Het grootboek houdt alle transacties bij en organiseert ze in opeenvolgende blokken, zodat geen enkele gebruiker zijn geld twee keer kan uitgeven. Om geknoei te voorkomen, wordt het grootboek verspreid, zodat andere gebruikers een gewijzigde versie snel kunnen afwijzen.
In de praktijk identificeren gebruikers sabotage met behulp van hashes, dit zijn lange reeksen getallen die dienen als proof-of-work. De hashfunctie is een eenrichtingsfunctie, wat betekent dat deze alleen kan worden gebruikt om te controleren of de gegevens die de hash hebben gegenereerd, overeenkomen met de oorspronkelijke gegevens.
Daarna verifiëren knooppunten transacties, voorkomen dubbele uitgaven en beslissen of de voorgestelde blokken al dan niet aan de keten moeten worden toegevoegd. Het twee keer doen van betalingen met dezelfde valuta om de ontvanger van die fondsen te misleiden, staat bekend als dubbele uitgaven. Dubbele uitgaven zouden grote schade aanrichten aan het netwerk en een van de meest waardevolle kenmerken elimineren:onveranderlijkheid, decentralisatie en vertrouwenloosheid.
Proof-of-work maakt dubbele uitgaven ongelooflijk moeilijk, omdat het veranderen van een deel van de blockchain inhoudt dat alle volgende blokken opnieuw moeten worden gemined. Omdat de machines en de kracht die nodig zijn om de hash-functies uit te voeren duur zijn, is het voor gebruikers onmogelijk om de verwerkingscapaciteit van het netwerk te monopoliseren.
Bovendien combineert een PoW-protocol rekenkracht met cryptografie om consensus te genereren en de legitimiteit van transacties die zijn vastgelegd in de blockchain te waarborgen.
Mijnwerkers strijden om het juiste antwoord op de wiskundige problemen tijdens het hashproces om nieuwe blokken te produceren. Mijnwerkers bereiken dit door een hash te raden, wat een reeks pseudo-willekeurige getallen is. Een cryptografische hash (bijv. SHA-256) is de handtekening van een type tekst- of gegevensbestand. Voor een tekst biedt SHA-256 een bijna unieke 256-bit (32-byte) handtekening.
In combinatie met de gegevens in het blok en verwerkt via een hash-functie, moet de hash een resultaat genereren dat voldoet aan de gestelde eisen van het protocol.
De mijnwerkers die de hash hebben gewonnen, zenden deze vervolgens naar het netwerk, zodat andere mijnwerkers kunnen controleren of het antwoord correct is. Als het antwoord juist is, wordt het blok toegevoegd aan de blockchain en ontvangt de miner de blokbeloning. De huidige blokbeloning voor Bitcoin-mining is bijvoorbeeld 6,25 Bitcoin.
In PoW moeten miners veel geld betalen voor elektriciteit om complexe wiskundige puzzels op te lossen en een blok op het netwerk te verwerken. De elektriciteit wordt gebruikt om de machines van stroom te voorzien die digitale activa genereren via het proces van het verifiëren van transacties, mijnbouw genoemd. Bovendien is het energieverbruik van cruciaal belang voor de veiligheid van het netwerk, omdat het hierdoor een nauwkeurige registratie van transacties kan bijhouden en zich kan houden aan een gespecificeerd, geloofwaardig monetair beleid.
Bovendien wordt het netwerk beveiligd, omdat voor fraude in de keten een kwaadwillende persoon 51% van de rekenkracht van het netwerk moet overnemen. Als een blockchain wordt gevorkt in een proof-of-work-systeem, moeten miners kiezen of ze willen verhuizen naar het nieuwere gevorkte blockchain-netwerk of doorgaan met het ondersteunen van de originele blockchain.
Een miner zou zijn rekenkracht moeten verdelen over de twee kanten van de fork om beide blockchains te ondersteunen. Als gevolg hiervan voorkomen proof-of-work-systemen, door middel van een economische stimulans, op natuurlijke wijze constant forking en sporen de miners aan om de kant te kiezen die het netwerk niet wil schaden. Aan de andere kant, als je kwetsbaar bent voor een aanval van 51% of als je niet de belangrijkste munthouder bent voor een verwisselbaar hash-algoritme, kunnen individuen op een grotere munt hun hardware tegen je keren en je uitschakelen, en je kan geen incentive meer verdienen.
Deze kenmerken lenen zich voor de speltheorie, waarin miners strategisch moeten handelen om hun beleggingsrendement te optimaliseren. Mensen zullen, net als begrensde rationaliteitstoestanden, altijd de eenvoudigste oplossing kiezen. Verhuizen naar een nieuwere keten maakt het moeilijker. Daarom helpt speltheorie oligopolies om interne corruptie te vermijden en logische beslissingen te nemen.
Ondanks de bovenstaande voordelen, kan PoW behoorlijk duur en inefficiënt zijn in termen van gebruik van hulpbronnen. Mijnwerkers hebben te maken met verschillende uitgaven, waaronder de nieuwste apparatuur die snel verslijt. Mijnbouw heeft de neiging veel warmte te produceren en kan exorbitante elektriciteit opwekken, afhankelijk van de locatie van de mijnwerker. Bovendien stijgen de transactiekosten van het systeem wanneer het netwerk overbelast raakt.
In 2011 werd een nieuwe aanpak voorgesteld op het Bitcointalk-forum om de inefficiënties van het PoW-consensusmechanisme aan te pakken en de hoeveelheid rekenbronnen te verminderen die nodig zijn om het blockchain-netwerk te laten draaien. In plaats van tastbaar werk te doen, is dit concept gebaseerd op het bestaan van een verifieerbaar belang in het ecosysteem.
Om het anders te zeggen:om transacties op het cryptonetwerk te valideren, hoeft een gebruiker alleen aan te tonen dat hij een bepaalde hoeveelheid cryptocurrency-tokens bezit die eigen zijn aan de blockchain. Dit type consensusmechanisme dat door blockchain-netwerken wordt gebruikt om gedistribueerde consensus te bereiken, wordt het proof-of-stake-consensusmechanisme genoemd.
Bijvoorbeeld, mijnwerker A zet 30 munten in, mijnwerker B zet 50 munten in, mijnwerker C zet 75 munten in en mijnwerker D zet 15 munten in. Miner C zou in dit geval prioriteit krijgen om het volgende blok te schrijven en te valideren. In tegenstelling tot de blokbeloning in proof-of-work, zal Miner C transactiekosten innen, d.w.z. netwerkkosten.
Het genesis-blok is het eerste blok in een PoS-blockchain dat ook hard gecodeerd is in het programma. De volgende blokken die naar de blockchain worden geüpload, verwijzen altijd terug naar de eerdere blokken en bevatten een volledige en bijgewerkte grootboekkopie.
In het PoS-netwerk strijden miners niet om het recht om blokken toe te voegen. In plaats van te worden gedolven, worden de blokken vaak 'geslagen' of 'gesmeed' genoemd.
PoS-blockchains, in tegenstelling tot PoW-blockchains, beperken niet wie blokken kan voorstellen op basis van energieverbruik. Ondanks de hoge energievereisten van PoW-blockchains, elimineren nieuwe consensusmechanismen zoals proof-of-stake de noodzaak van mining.
Het proof-of-stake-systeem heeft verschillende voordelen ten opzichte van het proof-of-work-schema, waaronder een grotere energie-efficiëntie omdat mijnbouwblokken niet veel energie verbruiken. Bovendien heb je geen geavanceerde technologie nodig om nieuwe blokken te maken. Proof-of-stake resulteert in het netwerk met meer knooppunten.
Meer knooppunten in een netwerk helpen bij het ontwikkelen van bestuursnormen die een sterkere immuniteit tegen centralisatie bieden. In PoS-systemen wordt dit mogelijk gemaakt door een hogere mate van hardware-onafhankelijkheid. Als gevolg hiervan wordt proof-of-stake vaak gezien als het consensusalgoritme dat het minst waarschijnlijk leidt tot netwerkcentralisatie.
Gebruikers die in aanmerking willen komen voor opname in het proces van het toevoegen van blokken aan een PoS-blockchain, moeten een specifiek bedrag van de cryptocurrency van het netwerk in een uniek contract plaatsen of vergrendelen. Hun kansen om te worden gekozen als de volgende blokproducent worden bepaald door de hoeveelheid crypto-activa die ze hebben ingezet. Als gebruikers kwaadwillig handelen, kunnen ze hun inzet verliezen als gevolg van hun acties.
PoS kan andere bepalende elementen bevatten die niet altijd de rijkste nodes ten goede komen, waaronder de tijdsduur dat een node zijn geld heeft ingezet, evenals pure randomisatie. De blokbeloning in PoS verwijst naar een netwerkvergoeding die door de blockchain wordt toegekend aan de persoon die een geldig blok indient, vergelijkbaar met het PoW-mechanisme.
In PoS is blokselectie gebaseerd op het bezit van munten; daarom worden stakingsdiensten aangeboden door de beurzen, waarmee gebruikers namens hen crypto kunnen inzetten in ruil voor meer consistente beloningen. Meerdere belanghebbenden kunnen deelnemen aan een stakingspool om hun computerbronnen te bundelen en hun kansen op beloning te maximaliseren. Anders gezegd, ze bundelen hun inzetkracht tijdens de verificatie en validatie van nieuwe blokken om hun kansen op het ontvangen van blokbeloningen te maximaliseren.
Het probleem van grote hoeveelheden verspilling van energiebronnen is aangepakt in PoS. Bovendien zijn PoS-gebaseerde systemen veel schaalbaarder dan PoW-gebaseerde systemen en worden transacties veel sneller goedgekeurd. Schaalbaarheid betekent dat het systeem hogere transacties per seconde (TPS) behaalt dan specifieke, huidige systemen door de parameter van het systeem te wijzigen of het consensusmechanisme ervan te wijzigen.
PoS-netwerk bereikt schaalbaarheid door een consensus te bereiken voordat blokken worden geconstrueerd, wat de verwerking van duizenden verzoeken per seconde mogelijk maakt met een latentiepiek van minder dan een milliseconde.
Proof-of-stake daarentegen heeft zijn eigen problemen. Zo wordt het netwerk nog steeds gedomineerd door de belangrijkste tokenhouders. Dit geeft meer macht aan early adopters en mensen met het meeste geld.
Omdat het concept nog relatief nieuw is, kan het nadelen hebben die nog niet duidelijk zijn voor de cryptogemeenschap. Dit paradigma heeft, in tegenstelling tot proof-of-work, geen track record van prestaties. Bovendien wordt forken niet automatisch ontmoedigd door proof-of-take-systemen. Een validator ontvangt de dubbele kopie van zijn inzet op de nieuw gevorkte blockchain wanneer een blockchain splitst
Het 'niets op het spel'-dilemma doet zich voor wanneer een validator zich aan beide kanten van een fork afmeldt, waardoor ze hun munten mogelijk dubbel kunnen uitgeven en het dubbele aantal transactiekosten als tegenprestatie kunnen innen.
/P>
Uit de voorgaande uitleg blijkt dat beide consensusmechanismen voor- en nadelen hebben. Ze hebben allemaal hetzelfde essentiële doel als de hierboven genoemde, maar ze gebruiken verschillende methoden om dit te bereiken.
Het cruciale onderscheid tussen verschillende consensusmechanismen is hoe ze transactieverificatie delegeren en belonen. Andere verschillen worden uitgelegd in de onderstaande tabel.
Het consensusmechanisme is cruciaal voor het gedistribueerde ontwerp van een blockchain-netwerk omdat het de centralisatie vermindert van de entiteiten die verantwoordelijk zijn voor het valideren van transacties. Om de onveranderlijke, betrouwbare en gedistribueerde kenmerken van een blockchain-netwerk te behouden, is een volledig functionerend consensusmechanisme vereist.
Het vereiste type consensus hangt af van de behoeften van een netwerk. Proof-of-work is bijvoorbeeld vereist voor fraudepreventie, beveiliging en het opbouwen van vertrouwen in een netwerk. Miners (of onafhankelijke gegevensverwerkers) kunnen niet worden misleid over een transactie vanwege de bescherming die PoW biedt. Proof-of-work is een methode om de transactiegeschiedenis van een crypto-activum te beveiligen, terwijl het ook moeilijker wordt om gegevens in de loop van de tijd te wijzigen.
De eis van een deelnemend knooppunt dat aantoont dat het werk is voltooid en ingediend, kwalificeert het om nieuwe transacties aan de blockchain toe te voegen, waardoor kwaadwillende activiteiten worden beschermd.
Als er meerdere exemplaren van de blockchain op het netwerk zijn, helpt PoW bij het identificeren van de meest legitieme kopie. Ten slotte is proof-of-work essentieel voor het bouwen van een gedistribueerde klok waarmee miners vrijelijk het netwerk kunnen betreden en verlaten met behoud van een consistente werkingssnelheid.
Evenzo zijn netwerkprestaties en beveiliging belangrijke gevolgen van het gebruik van een PoS-gebaseerd mechanisme. PoS wordt gebruikt wanneer een hoge transactiesnelheid vereist is voor on-chain transacties per seconde en daadwerkelijke afwikkeling van netwerkoverdrachten. Bovendien zullen validators waarschijnlijk aanzienlijke hoeveelheden van het netwerktoken bezitten, wat hen financieel stimuleert om de keten veilig te houden.
Er zijn echter twijfels over de sterkte van PoS- en PoW-beveiliging tegen bedreigingen. Daarom wordt een validatiemechanisme genaamd proof-of-space of het (Chia-project) gecreëerd om transacties veilig te valideren. Chia gebruikt een proof-of-space en proof-of-time consensusmechanisme om enkele centralisatieproblemen op te lossen die PoW- en PoS-blockchains teisteren.