De eerste fase van Ethereum 2.0 zal in 2020 online gaan, wat duidt op een aanzienlijke upgrade ten opzichte van de bestaande Ethereum 1.0 blockchain in termen van schaalbaarheid en toegankelijkheid. Het Proof of Stake (PoS) consensus mechanisme, dat het huidige Proof of Work (PoW) consensus mechanisme zal vervangen, ligt aan de basis van de Ethereum 2.0 architectuur.
Energie-efficiëntie, lagere toetredingsdrempels, betere crypto-economische stimulansen, en grotere mogelijkheden om inkomsten te genereren voor een bredere groep gebruikers zijn allemaal voordelen van PoS. Dit artikel legt uit wat Proof of Stake is, hoe het in Ethereum 2.0 geïmplementeerd zal worden, en hoe ETH houders in de toekomst met de nieuwe architectuur moeten omgaan.
Contents
De mechanismen van consensus begrijpen
Een consensus mechanisme in gedistribueerde systemen is het proces waarmee het netwerk het eens wordt over één enkele bron van waarheid. In tegenstelling tot gecentraliseerde systemen, die berusten op één enkele bestuursautoriteit om een bron van waarheid te kiezen, berusten gedistribueerde systemen op een groot aantal autonome autoriteiten die samenwerken om één netwerk in stand te houden. Deze verschillende knooppunten moeten het met behulp van een computationele techniek eens kunnen worden over wat het meest recente en juiste gegevensbestand is. Om het punt te benadrukken moeten al deze gedistribueerde netwerken hetzelfde cryptografische proces gebruiken om consensus te bereiken.
Consensus mechanisme gebaseerd op Bewijs van Werk
De Proof of Work (PoW) consensustechniek is nu de meest gebruikte en waarschijnlijk ook de meest goed begrepen consensustechniek. PoW, waarmee Satoshi Nakamoto pionierde bij de release van Bitcoin in 2008, drijft nu de meerderheid van de bekendste blockchains aan, waaronder Ethereum.
PoW heeft bewezen een buitengewoon veilig en betrouwbaar consensusmechanisme te zijn voor een nieuwe technologie als blockchain. Miners en energie zijn de twee meest basale componenten van PoW. Personen of entiteiten die miners genoemd worden zijn verantwoordelijk voor het in stand houden van het netwerk door het runnen en beheren van nodes (computers). Mijnwerkers vertellen de knooppunten hoeveel elektriciteit ze moeten verbranden in de vorm van reken-energie om steeds moeilijkere wiskundige puzzels op te lossen. Op een PoW blockchain verdient de miner die als eerste het probleem oplost de kans om een blok transacties toe te voegen aan de steeds groeiende keten van opeenvolgende blokken, wat resulteert in een enkele en verifieerbare geschiedenis van gegevens.
Naast de initiële hardware-uitgaven voor het opzetten van een functionele node, kost het uitgeven van rekenkracht geld in de vorm van energie. De kosten van het mijnwerker zijn worden daarentegen gecompenseerd door blokbeloningen. Een miner ontvangt een blokbeloning in de vorm van de eigen munt van de blockchain wanneer hij met succes een blok tot bestaan brengt (i.e. BTC, ETH, enz.).
De hash rate (d.w.z. de rekenkracht van het netwerk) neemt toe naarmate meer miners nodes op een blockchain gaan draaien, wat impliceert dat het volgende blok iets sneller gemijnd kan worden dan het vorige. Het netwerk probeert de bloktijden (de tijd tussen elk blok) consistent te houden; Ethereum wordt om de 14 seconden gemijnd, en Bitcoin om de 10 minuten. Als de hashrate stijgt en een blok iets sneller gemijnd wordt dan voorheen, wordt de moeilijkheid onmiddellijk verhoogd voor het volgende blok, waardoor het mijnen gegarandeerd iets moeilijker wordt en de bloktijd weer gestabiliseerd wordt. Na elk blok varieert de moeilijkheid regelmatig, zodat de bloktijden ongeveer gelijk blijven.
De moeilijkheid daalt als mijnwerkers het netwerk verlaten (wat om allerlei redenen kan gebeuren, o.a. een daling van de USD waarde van de eigen munt), waardoor het voor mijnwerkers gemakkelijker wordt blokken te delven en beloningen te krijgen. Deze verminderde moeilijkheidsgraad moedigt meer mijnwerkers aan om terug te keren naar het netwerk, zodat het sterk blijft en op de juiste manier verspreid.
Blokketten die op proof-of-work gebaseerd zijn, blijken buitengewoon duurzaam en veilig te zijn. De kosten van elektriciteit die nodig zijn om genoeg rekenkracht op te wekken om een meerderheids hash rate over te nemen zijn een stimulans tegen een slechte actor die een PoW blockchain wil hacken. De samengestelde rekenkracht die nodig is om een goed gevestigde PoW blockchain als Bitcoin of Ethereum te compromitteren zou extreem duur zijn, en misschien bestaat hij niet eens.
PoW ketens hebben te lijden onder drie belangrijke hindernissen, ondanks dat ze eenvoudig en veilig zijn: toegankelijkheid, centralisatie, en schaalbaarheid.
Toegankelijkheid: Een PoW miner worden heeft aanzienlijke toegangshindernissen. Bewijs van Het onderhouden van werkketens vraagt een aanzienlijke hoeveelheid energie. Om een PoW mijnopstelling te runnen, moet een mijnwerker al de nodige hardware kopen, opzetten en onderhouden. Bovendien verbruikt PoW mijnbouw veel energie. Niet alleen is het onderliggende mechanisme verspillend in termen van energie, maar het verhoogt ook de instapdrempel. Het is verkieslijk voor een miner om in een plaats met lagere elektriciteitsprijzen te wonen om aanzienlijke blokbeloningen te ontvangen. Bovendien geven landen vaak gereduceerde elektriciteitsrekeningen aan bedrijven, dus een mijnwerker die zijn winst wil optimaliseren zou een bedrijf moeten oprichten en genoeg mijnbouwmateriaal moeten kopen om het werk en de bijbehorende kosten te dekken. Voor de meeste would-be mijnwerkers vormen energie-inefficiëntie, onvoorspelbare elektriciteitstarieven, hardwarekosten, en stroomuitval van bedrijven allemaal aanzienlijke belemmeringen om toe te treden.
Toegangsbelemmeringen voor mijnbouw kunnen het onbedoelde gevolg hebben dat de concentratie van mijnwerkers toeneemt. Naarmate mijnwerker worden duurder en minder lonend wordt, ziet het netwerk op natuurlijke wijze een concentratie van mijnbouw in twee categorieën. Grote mijnbouwconglomeraten in Mongolië en Siberië, bijvoorbeeld, die werken op plaatsen met lage elektriciteitskosten en koud weer (om de kosten van het handmatig koelen van mijnbouwapparatuur te drukken). Ten tweede controleren mijnbouwpools het grootste deel van de mijnbouwkracht. De meeste gebruikers kopen hash-kracht van een mijnbouwpool, die als één mijnbouworganisatie functioneert, omdat mijnbouw voor hen individueel minder rendabel wordt. Tegen het eind van 2019 hadden slechts twee mijnbouwpools meer dan de helft van alle Ethereum blokken gemijnd.
Proof of Stake gebruiken om oplossingen te vinden
Proof of Stake is een ander soort consensus mechanisme dat door blockchains gebruikt kan worden om het eens te worden over een enkel waarheidsgetrouw verslag van de gegevensgeschiedenis. PoS validators besteden inzet om blokken te laten bestaan (of ‘valideren’), terwijl PoW miners energie (elektriciteit) verspillen om blokken te delven.
Validators zijn netwerkdeelnemers die validatorknooppunten (block proposers en attesters) runnen om blokken op een PoS blockchain voor te stellen en te attesteren. Ze doen dat door crypto (in het geval van Ethereum 2.0, ETH) op het netwerk te stallen en zich willekeurig te laten kiezen om een blok voor te stellen. Het blok wordt dan “geattesteerd” door andere validators. Het blok wordt geüpload naar de blockchain nadat een voldoende aantal attestaties ontvangen is. Validators worden beloond voor het succesvol voorstellen van blokken (zoals in PoW) zowel als voor het maken van attestaties over blokken die ze gezien hebben.
De crypto-economische stimulansen voor PoS zijn bedoeld om aantrekkelijker beloningen te bieden voor goed gedrag, terwijl er zwaardere straffen worden opgelegd voor slecht gedrag. De belangrijkste crypto-economische motivatie is dat validators hun eigen crypto–dat is geld–op het netwerk moeten inzetten. Validators op PoS ketens zijn verplicht om direct een groot geldbedrag op het netwerk te storten, in plaats van rekening te houden met de secundaire kosten van elektriciteit om een PoW node te onderhouden.
Als het hun beurt is om blokken en attestaties te maken, verdienen validators incentives. Ze worden beboet als ze hun taken niet uitvoeren als ze aan de beurt zijn – bijvoorbeeld als ze offline zijn. De boetes voor offline zijn matig en ongeveer gelijk aan de verwachte beloningen in de loop van de tijd. Als een validator dus meer dan de helft van de tijd correct is, zijn haar stimulansen netto positief.
Als een validator probeert de blockchain aan te vallen of te compromitteren door een nieuwe reeks gegevensgeschiedenis voor te stellen, treedt een ander boetemechanisme in werking: een aanzienlijk percentage van hun inzetbedrag wordt gesneden (mogelijk tot het hele inzetbedrag), en ze worden uit het netwerk verwijderd. Daardoor vormt een mislukte validator aanval een aanzienlijk financieel risico. Om een PoW vergelijking te gebruiken: een mijnwerker die faalt bij een aanval op een PoW keten zou gedwongen worden haar hele mijninstallatie in brand te steken in plaats van alleen de kosten te betalen van de elektriciteit die ze gebruikte bij de mislukte aanval. Bovendien plaatst deze architectuur de netwerkbeveiliging in de handen van de mensen die het netwerk onderhouden en het eigen crypto-bezit van het protocol behouden.
Proof of Stake pakt de drie moeilijkheden aan die eerder met PoW ketens beschreven werden: toegankelijkheid, centralisatie, en, het belangrijkste, schaalbaarheid:
Toegankelijkheid: Validators op Proof of Stake blockchains hoeven zich geen zorgen te maken over initiële hardwarekosten of elektriciteitstarieven zoals miners op Proof of Work blockchains dat wel doen. Daardoor heeft het runnen van een validatorknooppunt op een PoS keten een aanzienlijk lagere instapdrempel dan het runnen van een mijnbouwknooppunt op een PoW keten. Er blijft echter een belangrijke toetredingsdrempel voor PoS. Om een volledige validator node te runnen, moeten validators een minimum hoeveelheid munten inzetten. Deze hoeveelheid is bijvoorbeeld 32 ETH (€ 6.500 op het moment van schrijven) voor Ethereum 2.0. Dat is voor veel mensen een grote som geld, en het dient als afschrikking om actief mee te doen. Staking pools zullen bestaan op dezelfde manier als PoW ketens mijnbouwpools hebben, die de fondsen bijeenbrengen van personen die niet in staat of niet bereid zijn 32 ETH in te zetten. Hun inzet zal namens hen door de pool geplaatst worden, en ze zullen een deel van hun inzet uitbetaald krijgen.
PoS netwerken zijn op knooppuntniveau aanzienlijk meer gedecentraliseerd dan PoW netwerken vanwege de lagere toetredingsdrempels en het ontbreken van zorgen over het beperken van de elektriciteitskosten. Een niet-nul hoeveelheid crypto, een internetverbinding, en een computer (of telefoon/tablet) zijn alles wat nodig is om aan een PoS keten deel te nemen. Dit maakt het mogelijk voor een veel grotere groep mensen om mee te doen en geld te genereren. Verder zijn in PoS economie de schaalvoordelen veel geringer dan in PoW economie. In een PoW systeem geldt: hoe meer hash power een miner heeft, hoe groter het percentage van de beloningen dat hij kan innen. In PoS blijft het procentuele rendement van een validator constant, ongeacht het aantal knooppunten dat ze overziet.
Schaalbaarheid: Proof of Stake verhoogt de schaalbaarheid op zichzelf niet. PoS architecturen daarentegen maken het gebruik mogelijk van een schaalbaarheidsoptie die sharding heet, zonder de veiligheid in gevaar te brengen. Sharding is een databank schalingstechniek die een blockchain in vele shard ketens verdeelt, die elk blokken kunnen verwerken. Hierdoor hoeft de blockchain niet elk blok op zijn beurt te verwerken, waardoor meerdere blokken (en dus grotere verzamelingen gegevens) tegelijk kunnen worden afgehandeld. Zo zou sharding in Ethereum 2.0 de blockchain in 64 verschillende shard ketens verdelen, waardoor het netwerk transacties kan uitvoeren met 64 keer de snelheid van de oorspronkelijke PoW keten.
Sharding zou helpen bij de schaalbaarheid in PoW netwerken, maar het zou een negatieve invloed hebben op de veiligheid van het netwerk. Als een PoW netwerk in shard ketens verdeeld is, heeft elke keten minder hash kracht nodig om te compromitteren. PoS ketens daarentegen “weten” wie de validators van het netwerk zijn (meer bepaald is er een adres verbonden aan elke storting, en dus aan elke validator node). PoS ketens kunnen ervoor zorgen dat de validators die gekozen worden om blokken op verschillende ketens te valideren, willekeurig zijn met behulp van een bewijsbaar willekeurig proces, waardoor het gevaar dat één validator genoeg inzet heeft om de inhoud van een blok te compromitteren, effectief verdwijnt. PoS netwerken kunnen beide door sharding, terwijl PoW netwerken veiligheid moeten afruilen tegen schaalbaarheid.
Ethereum 2.0’s Proof of Stake
Ethereum 2.0 is een Proof of Stake blockchain die in fasen van start gaat, met fase 0 in 2020. De bakenketen, die het Proof of Stake consensus mechanisme zal bouwen en onderhouden, zal in Fase 0 van Ethereum 2.0 gelanceerd worden.
“What Is Ethereum 2.0?” is een goede plaats om te beginnen.
De PoS consensus methode in Ethereum 2.0 zal vereisen dat validators 32 ETH inzetten om een validator node op het netwerk te laten draaien. Wanneer een blok wordt klaargemaakt om te worden voorgesteld, zullen minstens 4 en maximaal 64 willekeurige commissies van 128 validator knooppunten uit de totale pool van validators worden gekozen om het blok te certificeren. (Dit is aantoonbaar veilig, en een aanvaller die 1/3 van de validators op het netwerk controleert heeft minder dan 1 op een biljoen kans om 2/3 van de validators in een comité te controleren om met succes een aanval uit te voeren).
Validators moeten 32 ETH storten in het officiële Ethereum 2.0 stortingscontract, dat door de Ethereum Foundation werd gebouwd en vrijgegeven, om validator op Ethereum 2.0 te worden. Validators moeten 32 ETH inzetten voor elke validator node die ze wensen te exploiteren.
Validators zullen geen incentives ontvangen voor het voorstellen en attesteren totdat het netwerk in fase 0 van Ethereum 2.0 een minimumdrempel van gestakede ETH en gecommitteerde validators bereikt. Er moet minstens 524.288 ETH in het netwerk zijn ingebracht, verdeeld over minstens 16.384 validatieknooppunten. Validators zullen beloningen beginnen te ontvangen zodra de drempel is geactiveerd en het genesis blok tot stand is gekomen.
Andere Cryptocurrencies:
