Proof of Work и Proof of Stake: как блокчейны достигают консенсуса

Блокчейн должен решить непростую задачу: тысячи независимых компьютеров, не доверяющих друг другу, должны прийти к общему представлению о том, какие транзакции произошли и какая история является актуальной.

В открытой сети недостаточно просто провести голосование «один компьютер — один голос». Один участник способен создать тысячи виртуальных узлов и получить искусственное большинство. Поэтому публичному блокчейну требуется ресурс, который сложно подделать в неограниченном количестве.

Биткоин использует для этого Proof of Work (PoW) — вычислительную работу, оборудование и энергию. Ethereum после перехода на Proof of Stake использует застейканный ETH: влияние валидатора связано с экономическим активом, который может быть частично уничтожен за определённые нарушения.

Обе модели решают похожую задачу, но делают это принципиально разными способами.

Что вообще означает консенсус в блокчейне

Термин «консенсус» иногда создаёт впечатление, будто узлы проводят демократическое голосование. Это неточное описание.

В биткоине каждый полный узел самостоятельно проверяет блоки по одному и тому же набору правил: корректность подписей, отсутствие двойного расходования, допустимый выпуск BTC и другие условия. Майнер может создать блок, но если тот нарушает правила, Bitcoin Core его отвергнет независимо от объёма вычислительной мощности создателя.

Проблема появляется, когда существуют несколько допустимых вариантов истории. Тогда нужен механизм, позволяющий участникам сходиться на одной канонической цепочке.

В Proof of Work вес истории связан с накопленной вычислительной работой. В современном Ethereum Proof of Stake используется совокупность голосов валидаторов, алгоритма выбора ветки и механизма финализации.

Именно поэтому PoW и PoS правильнее рассматривать не как единственные «правила блокчейна», а как ключевую часть более широкой системы консенсуса и защиты от Sybil-атак.

Как работает Proof of Work в биткоине

Сатоши Накамото предложил использовать цепочку hash-based Proof of Work как способ установить хронологическую историю транзакций без доверенного посредника. Изменение старого блока требует заново выполнить вычислительную работу для него и последующих блоков, а затем догнать честных майнеров.

Майнер собирает допустимые транзакции в кандидатный блок и многократно изменяет его данные, вычисляя хеш. Чтобы блок соответствовал требованиям сети, полученное значение должно оказаться ниже установленной цели.

Заранее определить подходящий результат невозможно — его приходится искать перебором. Поэтому вероятность найти следующий блок связана с долей вычислительной мощности майнера.

После получения блока полные узлы проверяют не только Proof of Work, но и все остальные правила биткоина. Если блок допустим, сеть может строить поверх него следующую историю.

Когда возникают конкурирующие допустимые ветки, узлы ориентируются на цепочку с наибольшей накопленной Proof of Work, а не просто на ту, где механически больше блоков.

Почему у биткоина нет абсолютной финальности

В классическом Bitcoin Proof of Work финальность вероятностная.

После включения транзакции в блок над ним продолжают появляться новые блоки. Чем больше накопленной работы находится поверх операции, тем дороже становится создать альтернативную историю, которая её исключит.

Отсюда происходит практика ожидания нескольких подтверждений для крупных переводов.

Технически недавняя реорганизация цепочки всё ещё возможна. Просто вероятность и стоимость такого события обычно возрастают с каждым следующим блоком.

Ethereum после перехода на Proof of Stake устроен иначе: там механизм консенсуса предусматривает отдельное понятие finality, после достижения которого отмена финализированного блока требует нарушения экономических гарантий протокола.

Что может сделать атакующий с преимуществом в хешрейте

Выражение «атака 51%» тоже нередко понимают неправильно.

Контроль большой доли вычислительной мощности позволяет пытаться опередить правильную цепочку, реорганизовывать недавние блоки, цензурировать транзакции и проводить двойное расходование собственных платежей.

Но преобладание в хешрейте не позволяет произвольно создавать дополнительные биткоины, тратить чужие BTC без подписи или изменить правила выпуска, если пользователи продолжают работать с полностью проверяющими узлами. Такие блоки просто не проходят валидацию.

Это важное различие: майнеры определяют порядок допустимых транзакций и конкурируют за право расширять историю, но не получают права переписать сами правила Bitcoin.

Как работает Proof of Stake в Ethereum

Ethereum отказался от Proof of Work 15 сентября 2022 года во время обновления The Merge. Майнеров в механизме консенсуса заменили валидаторы, а роль дефицитного ресурса перешла от вычислительной мощности к ETH, поставленному на кон.

Валидаторы блокируют ETH и участвуют в предложении и подтверждении блоков. В каждом слоте один из участников выбирается для предложения блока, а остальные отправляют attestations — голоса, отражающие их представление о правильной голове цепочки и контрольных точках.

Ethereum сочетает алгоритм выбора ветки с механизмом финализации. Когда необходимое большинство stake подтверждает контрольные точки, они переходят в финализированное состояние.

Для финальности требуется поддержка не менее двух третей ETH, находящихся на стейкинге. Ethereum.org указывает, что сегодня финализация обычно занимает около 15 минут.

Подробнее о самом механизме стейкинга, способах участия и рисках валидаторов HCN разбирает в отдельном гайде.

Что стало с проблемой nothing at stake

Именно здесь сильнее всего устарели старые материалы о Proof of Stake.

В ранней критике PoS логика выглядела так: если голосование за альтернативную ветку почти ничего не стоит, рациональному валидатору выгодно одновременно поддерживать несколько цепочек. В отличие от майнера Proof of Work ему не нужно физически делить вычислительную мощность между ветками.

Этот класс проблемы получил название nothing at stake.

В Ethereum попытку конфликтующего голосования нельзя считать бесплатной. Протокол определяет действия, за которые применяется slashing — принудительное удаление валидатора с потерей части stake. К ним относятся предложение двух разных блоков для одного слота, двойное голосование и определённый тип конфликтующих attestations, известный как surround vote.

Размер наказания увеличивается, если нарушение одновременно совершает большое количество валидаторов. Поэтому массовая координированная атака способна поставить под риск существенно большую часть капитала, чем одиночная ошибка.

Это не означает, что PoS «решил все проблемы консенсуса». Но утверждение, что современному валидатору Ethereum бесплатно выгодно голосовать за все существующие ветки, уже не соответствует устройству сети.

Что такое long-range attack и зачем нужна weak subjectivity

У Proof of Stake существует другой специфический класс угроз.

Представим валидаторов, которые когда-то контролировали значительную часть stake, затем вывели средства, но сохранили старые ключи. Теоретически они могут построить альтернативную историю, начинающуюся далеко в прошлом.

Для давно работающего узла такая цепочка обычно не представляет проблемы: он видел развитие канонической сети в реальном времени.

Но новый узел или компьютер, который был отключён очень долго, должен каким-то образом понять, какая из историй является реальной.

Ethereum решает эту проблему через weak-subjectivity checkpoints — относительно свежие контрольные точки, полученные из доверяемого источника и используемые как отправная точка синхронизации. После неё узел снова самостоятельно проверяет развитие цепочки.

Это принципиальное отличие от Bitcoin Proof of Work, где узел способен сравнивать альтернативные допустимые цепочки по накопленной работе.

Поэтому PoS не просто заменяет электричество монетами. Вместе с другим ресурсом меняется и модель доверия.

Что означают 33%, 51% и 66% stake в Ethereum

Проценты, знакомые по PoW, нельзя напрямую переносить на Ethereum.

При доле около 33% stake атакующий способен препятствовать нормальной финализации, поскольку честные участники уже не могут собрать требуемые две трети голосов.

Контроль порядка 51% stake даёт гораздо больше возможностей влиять на будущую цепочку, включая цензуру и выбор блоков.

При доле около 66% возникает возможность самостоятельно финализировать предпочтительную историю. Ethereum.org при этом подчёркивает, что подобная атака потребовала бы огромного капитала и могла бы закончиться социальным вмешательством сообщества с отказом признавать атакующую ветку.

То есть «51% атака» в PoW и «51% stake» в PoS — не два названия одного и того же события.

Почему Proof of Stake потребляет намного меньше энергии

В PoW вычисления являются частью самого механизма безопасности. Майнеры постоянно расходуют электричество, потому что возможность создать блок связана с реальной вычислительной работой.

В PoS нет необходимости заставлять тысячи устройств параллельно искать редкий хеш. Валидаторы выполняют обычные вычислительные операции и подписывают сообщения, а ограниченным ресурсом становится капитал.

Переход Ethereum оказался крупным практическим экспериментом: по оценке Ethereum Foundation, The Merge снизил энергопотребление сети примерно на 99,95%. ethereum.org

Однако отсюда не следует, что энергия в Proof of Work «не делает ничего полезного». С точки зрения Bitcoin именно стоимость вычислений создаёт внешнее ограничение на переписывание истории.

Спор здесь не столько о том, выполняют ли вычисления функцию, сколько о том, оправдана ли цена этого механизма безопасности и можно ли получить сопоставимые гарантии другим способом.

PoW против PoS: основные различия

Где возникает централизация

Ни одна из двух моделей автоматически не гарантирует децентрализацию.

В Proof of Work большое значение имеют масштаб майнинговой операции, доступ к дешёвой электроэнергии, ASIC-оборудованию и инфраструктуре. Майнеры также объединяют хешрейт через пулы, чтобы сделать доход более предсказуемым. Это не означает, что оператор пула обязательно владеет всем подключённым оборудованием, но концентрация координации блоков остаётся фактором риска.

Механику работы пулов HCN подробно разбирает отдельно.

В Proof of Stake экономия на масштабе проявляется иначе. Крупные держатели способны получать больше абсолютных наград, а пользователи часто делегируют stake профессиональным операторам, биржам и liquid-staking-протоколам.

Дополнительный риск возникает при доминировании одного программного клиента. Ethereum Foundation предупреждает, что ошибка в consensus-клиенте, которым пользуется более трети валидаторов, теоретически способна нарушить финализацию сети, а доля около двух третей становится ещё опаснее. Поэтому разнообразие клиентов рассматривается как отдельный элемент безопасности.

Децентрализацию поэтому нельзя измерять единственным показателем вроде числа майнеров или валидаторов.

Делает ли Proof of Stake богатых ещё богаче

Этот аргумент имеет реальное основание, но обычно формулируется слишком примитивно.

В PoS больше stake обычно означает большее абсолютное вознаграждение. При реинвестировании наград капитал способен увеличиваться.

Но PoW тоже является капиталоёмкой системой: оператор, инвестировавший больше средств в ASIC, дата-центр и электроэнергию, получает большую долю хешрейта и потенциального дохода.

Различие скорее в природе капитала. В PoW он преимущественно находится вне самого блокчейна — оборудование, энергия и инфраструктура. В PoS ресурсом безопасности является сам нативный актив сети.

Это создаёт разные экономические зависимости и разные риски концентрации, но простая формула «PoS делает богатых богаче, PoW — нет» проблему не описывает.

Какой механизм безопаснее

Универсального ответа нет.

Bitcoin Proof of Work работает в производственной сети с 2009 года и показал устойчивость модели, где атака требует внешнего вычислительного ресурса, а история защищается накопленной работой.

Современный Ethereum Proof of Stake использует другую конструкцию: экономические штрафы, slashing, алгоритм выбора ветки, явную финализацию и weak-subjectivity checkpoints.

Сравнивать безопасность только по цене атаки также сложно. У PoW оборудование после атаки в некоторых случаях может сохранить экономическую стоимость или использоваться иначе. В PoS атакующий рискует именно активом сети, но модель зависит от стоимости и распределения этого актива.

Поэтому корректнее спрашивать не «какой Proof лучше», а какую модель угроз, экономических стимулов и компромиссов выбирает конкретная сеть.

Почему старое противопоставление PoW и PoS больше не работает

В ранние годы Proof of Stake был в значительной степени экспериментальной идеей. Поэтому обсуждение концентрировалось вокруг теоретических проблем вроде nothing at stake и long-range attacks.

Ситуация изменилась после появления полноценных PoS-сетей и особенно после перехода Ethereum — одной из крупнейших блокчейн-систем — с PoW на PoS в сентябре 2022 года.

Это не доказало, что PoS универсально превосходит Proof of Work. Но дискуссия перешла от вопроса «может ли PoS вообще работать?» к гораздо более содержательным вопросам: как устроена финальность, сколько капитала необходимо для нарушения сети, насколько децентрализованы валидаторы и клиенты, какие новые риски появляются у liquid staking и как восстанавливать сеть после крайне редких консенсусных сбоев.

Вывод

Proof of Work и Proof of Stake решают одну фундаментальную проблему разными экономическими средствами. Bitcoin связывает безопасность истории с вычислительной работой и внешними затратами, тогда как Ethereum ставит на кон капитал валидаторов и использует систему голосов, финализации и штрафов.

У PoW выше энергетическая и аппаратная стоимость, но простой объективный критерий накопленной работы. У PoS существенно ниже энергопотребление и существует явная финальность, однако появляются slashing, weak subjectivity и собственные риски концентрации. Поэтому выбор между ними — это не выбор между «старой» и «новой» технологией, а выбор различных моделей безопасности и доверия.