Proof-of-Stake konsensusalgoritmi – Lue mistä on kyse

Kryptovaluutoista puhuttaessa Proof-of-Stake on käsite, josta kannattaa olla tietoinen. Se on kaikessa yksinkertaisuudessaan joidenkin markkinoiden suurimpien kryptovaluuttojen, kuten Ethereum 2.0, Polkadot, Solana ja Cardano, taustalla vaikuttava teknologia. Näin ollen se liittyy keskeisesti lohkoketjuteknologiaan.

Tarkemmin sanottuna PoS on osa tietyn lohkoketjun perustaa, sillä kyseessä on konsensusalgoritmi, johon lohkoketjun toiminta loppujen lopuksi perustuu. PoS-konsensusalgoritmi määrittelee pitkälti miten tehokas, skaalautuva ja nopea esimerkiksi Ethereumin lohkoketju on.

Proof-of-Stake -protokollia on kehitetty jo vuosia, ja ne ovat monelta osin ohittaneet sen aidon ja alkuperäisen lohkoketjun, eli Bitcoinin konsensusalgoritmin, Proof-of-Workin. PoS luotiinkin ratkaisemaan PoW:n ongelmia, mutta onko se menestynyt tässä? Tähän ja moniin muihin kysymyksiin löydät vastaukset tästä artikkelista.

Proof-of-Staking Historia

Ennen kuin pureudumme tämän teknologian toimintamalliin, meidän on hyvä ymmärtää mistä se on oikein tullut. Proof-of-Stake konsensusalgoritmin juuret ovat itse asiassa hyvin vaatimattomat. Se oli vain satunnainen idea, jonka QuantumMechanic toi esiin heinäkuussa 2011 bitcointalk-keskustelufoorumilla. Sittemmin tästä ideasta on tullut kryptovaluuttahistoriaa määrittävä teknologinen läpimurto.

Edellä mainitulla keskustelufoorumilla keskusteltiin PoS-mekaniikasta nimenomaan ratkaisuna Bitcoinin moniin ongelmiin. Mutta hyvin pian keskustelu alkoi kääntyä siihen suuntaan, että tämä uudenlainen konsensusalgoritmi ei kykenisi pelastamaan Bitcoinia, vaan sitä tultaisiin ennemminkin tulevaisuudessa soveltamaan kokonaan uusiin projekteihin.

Ja näinhän siinä kävi! Vuonna 2012 kehitettiin Peercoin, joka käytti Proof-of-Work sekä Proof-of-Stake-protokollien yhdistelmää. Tästä pari vuotta eteenpäin vuonna 2014 taas julkaistiin whitepaper otsikolla “Consensus without Mining” sekä vielä tuolloin tuntemattoman Ethereum-kehittäjän, Vitalik Buterinin käänteentekevä ratkaisu “Nothing at Stake”. Molemmat olivat vaihtoehtoisia ratkaisuja ongelmaan.

Vaikka alkuperäinen Ethereum rakennettiinkin Bitcoinin tapaan Proof-of-Work -protokollan päälle, alkoi syntyä uusia projekteja, kuten Cardano ja Polkadot, jotka ottivat heti alusta alkaen käyttöön Proof-of-Stake -konsensusalgoritmin. Vuonna 2019 PoS-protokollat pääsivät urakalla vauhtiin, kun Cosmos-verkko otettiin käyttöön ja Ethereum 2.0 -päivityksen suunnitelmat julkaistiin.

Tästä ei tarvinnut mennä montaa vuotta eteenpäin, kun PoS-projektit Cardano ja Polkadot alkoivat jo hätyytellä niitä markkinoiden suurimpia PoW-projekteja, Bitcoinia ja Ethereumia. Kun tähän kilpajuoksuun tuli mukaan myös Solana, Algorand ja Binance coin, esimerkiksi Ethereumille ei jäänyt muita vaihtoehtoja, kuin reagoida. Vuonna 2022 se sai päätökseen valtavan päivityksen, jossa Ethereumin lohkoketju siirrettiin PoW:sta PoS-protokollaan. Tämän myötä Proof-of-Stake nousi hallitsevaksi konsensusmekanismiksi kryptovaluuttaprojektien joukossa.

Mikä on Proof-of-Stake?

Bitcoin ja jotkin muut kryptoverkot toimivat niin sanotulla Proof-of-Work (PoW) -konsensusmekanismilla. Kryptovaluutoissa konsensusmekanismit mahdollistavat koko järjestelmän toiminnan yksittäisten tietokoneiden tai solmujen kanssa. He käyttävät konsensusalgoritmeja selvittääkseen verkon nykyisen sovitun tilan. On elintärkeää, että jokaisella solmulla on oltava täsmälleen sama kopio lohkoketjusta ja että ne validoivat samat säännöt ollakseen “konsensuksessa”.

Yksi hajauttamisen päätekijöistä on olla alistamatta minkään keskusviranomaisen alaisiksi, koska mitä tahansa lohkoketjuprojektia säätelevät lait noudattavat matematiikkaa ja koodia. Vaihtoehto tälle on keskitetty viranomainen, joka sanelee hankkeen kulkua, voi tehdä muutoksia konsensukseen ja sensuroida tai syrjiä järjestelmän osallistujia.

Blockchain-tekniikka toimii digitaalisena pääkirjana, jonka kaikki voivat nähdä. Mikä estää muita käyttäjiä manipuloimasta tätä digitaalista pääkirjaa? Vanhoissa verkoissa Proof-of-Work tekee tätä. Käyttämällä tiivisteitä, pitkiä tietynpituisia tietojonoja, Proof-of-Work varmistaa, että lohkoketjua ei voi muuttaa. Jokainen lohko tai tietojoukko on validoitu laajalla laskennallisella työllä.

Sitä vastoin Proof-of-Stake (PoS) on erilainen konsensusmekanismi, joka käyttää panostettuihin tokeneihin perustuvia validointisolmuja. Proof-of-Workissa lohkoja luovan laskentatehon sijaan Proof-of-Stake luo lohkoja tukeutumalla validaattoreihin, jotka ovat käyttäjiä, jotka panostavat tokeneita. Jokaiselle validaattorille annetaan satunnainen mahdollisuus saada lohkopalkkio.

Vaikka PoS-konsepti on kehittynyt hyvin, se on kuitenkin uusi ja vasta aika näyttää, tuleeko Proof-of-Stake olemaan uuden aikakauden vallitseva konsensusmekanismi.

Kuinka Proof-of-Stake toimii?

Kaikki ovat varmasti kuulleet Bitcoinin louhinnasta, joten tutustutaan PoS-algoritmin toimintaan vertaamalla sitä PoW:iin.

Proof-of-Work kryptovaluuttaprotokollat tarkoittavat pääasiassa sitä, että luodakseen uusia kryptoja, niitä pitää louhia. Louhinta tarkoittaa supertietokoneiden laskentatehon käyttämistä uusien lohkoketjun lohkojen validointiin. Tämän tarkoituksena on vahvistaa kyseistä verkkoa ja varmistaa, että kaikki siinä tapahtuvat tapahtumat ovat laillisia.

Koska PoW-protokolla vaatii valtavasti laskennallista tehoa yhden lohkon validoimiseksi, eli yhden BTC:n louhimiseksi, se on viime kädessä kyseisen verkon vahvin turvaominaisuus. Jos jokin vaatii intensiivistä laskentatehoa algoritmin ratkaisemiseksi, lohkoketjun hakkerointi tai vahingoittaminen on valtava tehtävä ja loppujen lopuksi arvotonta toimintaa.

No, entäs sitten PoS? Proof-of-Stake toistaa nämä Proof-of-Work-protokollan toimintaperiaatteet pääosittain, mutta toteuttaa ne eri tavalla. Proof-of-Stake-protokolla käyttää algoritmia, joka antaa uusien lohkojen luomisen niin sanotuille solmuille (eng. node), jotka vahvistavat uusia lohkoja esimerkiksi validoimalla transaktioita kyseisessä lohkoketjussa. Nämä käsitellään joko “Kolikon ikävalinnalla” tai “Satunnaistetulla lohkovalinnalla”. Katsotaan tarkemmin mitä niillä tarkoitetaan:

1. Kolikon iän valinta

Tämä käsite on hieman helpompi ymmärtää kuin satunnaistettu lohkovalinta. Englanniksi paremmin tunnettu termi, Coin Age Selection on edellä mainitun Peercoinin käyttämä menetelmä. Se on yksi ensimmäisistä kryptovaluutoista, jotka käyttivät Proof-of-Stakea. Coin Age Selection on mekanismi, joka vahvistaa lohkot tokeneiden keston perusteella.

Esimerkiksi Peercoinin verkossa käyttämättömiä tokeneita on säilytettävä vähintään 30 päivää, jotta lohko voidaan validoida. Tällaista toimintaa, jossa tokeneita lukitaan verkkoon tietyksi ajaksi kutsutaan stakingiksi. Sitä käytetään lisäksi lohkon allekirjoittamiseen. Lohkon lyönnin todennäköisyyden enimmäismäärä saavutetaan 90 päivän jälkeen, jotta vanhemmilla stakingilla ei olisi liikaa tehoa.

Tätä mekanismia käytettiin Proof-of-Stake varhaisissa versioissa, mutta uudemmat protokollat käyttävät nykyään mieluummin satunnaistettua lohkovalintaa konsensusmekanismissaan.

2. Satunnaistettu lohkovalinta

Saadaksemme paremman kuvan siitä, mitä validaattorit käytännössä ovat satunnaistetussa lohkovalinnassa, otetaan esimerkiksi Ethereum. Ethereum 2.0:ssa validointisolmu on joku, joka on steikannut 32 ETH:ta sen verkkoon, ja jolla on tietokone yhdistettynä lohkojen “lyömistä” varten Ethereumin pääverkkoon.

Aivan kuten Proof-of-Work lohkoketjuissakin kaivostyöntekijät, myös steikkaajat ansaitsevat työstään, eli uusien lohkojen luomisesta palkkion. Proof-of-Stake -validaattori vahvistaa lohkon “satunnaisen” valinnan kautta. Ethereum 2.0:n tapauksessa 32 panostettua ETH:ta steikanneella validaattorilla on satunnainen mahdollisuus vahvistaa lohko.

Tämä mahdollisuus on täysin samanarvoinen, kuin muiden verkon validointisolmujen mahdollisuudet. Se, jos olet steikannut enemmän ETH:ta ei pranna tätä mahdollisuutta samalla tavalla, kuin enemmän hash-tehoa Proof-of-Work -järjestelmässä parantaisi. Ne kenellä on varaa hankkia tehokkaampi louhintalaitteita saavat siis Bitcoinin lohkoketjussa etulyöntiaseman, mutta Ethereumissa kaikki ovat tasa-arvoisia.

Vaikka kukin protokolla saattaa olla erilainen suorituskyvyn suhteen, nämä ovat satunnaistetun lohkon valinnan Proof-of-Stake-protokollan peruskomponentteja.

Proof-of-Stake-protokollan hyödyt

PoS-konsensusmekanismit ovat merkittäviä kehitysaskeleita lohkoketjuteknologian saralla siinä mielessä, että ne pyrkivät ratkaisemaan Proof-of-Work -konsensusmekanismien skaalautuvuus- ja käytettävyysongelmia.

1. Ensinnäkin Proof-of-Stake säästää valtavan määrän sähköenergiaa, joka muuten tarvittaisiin lohkojen louhimiseen. Proof-of-Workissa sähköverkot joutuvat usein ylikuormitetuiksi, koska uuden lohkon perustamiseen ja siten verkon turvaamiseen kuluu valtavasti energiaa.
2. Proof-of-Stake edellyttää vain, että validaattoreiden on pidettävä staking-verkkoon yhdistetyt tietokoneet käynnissä, tai että käyttäjillä on staking-tokeneita steikattvaksi staking-pooliin.
3. Proof-of-Stake-kryptot ovat useimmiten skaalautuvampia, koska niillä on “kevyempi” arkkitehtuuri, joka ei tarvitse niin paljon laskentatehoa, kuin Proof-of-Work -kryptot.
4. Tämä tarkoittaa, että enemmän tehoa voidaan varata muihin asioihin, kuten tapahtumanopeuden takaamiseen, jotta verkossa olisi enemmän toimintaa ilman, että se tukkeutuu.
5. Tämä tekee lohkoketjuprojekteista skaalautuvampia, koska verkko on tällöin tehokkaampi tukemaan suurempaa määrää ekosysteemiin rakennettavia projekteja, kuten hajautettuja sovelluksia (dApps) ja älysopimuksia.

Proof-of-Stake-protokollan heikkoudet

Vaikka PoS-konsensusalgoritmin hyödyt ovat selkeät ja moninaiset PoW-protokollaan verrattuna, silläkin on omat harminsa.

PoS-järjestelmät aiheuttavat suuria huolenaiheita ennen kaikkea

• toimitusten keskittämisen saralla
• ristiriitojen ratkaisemisessa haarukan sattuessa
• muiden turvallisuusratkaisuiden saralla.

Kaikesta kehitystyöstä huolimatta emme ole vielä pääseet todistamaan täysin toimivaa Proof-of-Stake -järjestelmää, joka olisi toteutettu suuressa mittakaavassa ja suurella pääomalla. Tämä ei kuitenkan välttämättä ole enää kaukana tulevaisuudessa.

Onko Ethereum Proof-of-Stake -projekti?

Kyllä, Ethereum lohkoketju päivitettiin vuonna 2022 uuteen Ethereum Serenity tai Ethereum 2.0 -protokollaan, joka vei sen Proof-of-Work-konsensusalgoritmista Proof-of-Stake-algoritmiin. Kilpailun kovetessa kryptomarkkinoilla, Ethereumin heikkoudet olivat vuosien ajan nousseet suuremmin esille, joten sen oli pakko reagoida.

PoW-konsensusalrogitmi oli liian hidas, saastuttava ja kallis kilpailemaan esimerkiksi Cardanon ja Solanan kaltaisten projektien kanssa. Ratkaisuna tähän lanseerattiin Ethereum 2.0 -päivitys. Se julkaistiin vuonna 2022, ja sen verkko on nykyään päivityksen seurauksena huomattavasti aiempaa tehokkaampi.

Ethereum 2.0 tarjoaa seuraavan sukupolven lohkoketjuratkaisuja kaikkiin edellä mainittuihin ongelmiin. Skaalautuvuus ratkaistaan käyttämällä vaihtoehtoista konsensusmekanismia tai tapaa, jolla verkon tietokoneet voivat validoida tapahtumat. GAS-maksut taas alentuvat, kun verkon toiminta nopeutuu ja tehostuu.

Tämän kaiken seurauksensa lohkoketjun käytettävyys laajenee, ja se tulee saavutettavaksi suuremmalle joukolle käyttäjiä. Kaikki tämä johtaa pitkällä aikavälillä siihen, että esimerkiksi Ethereumin käyttöönotto vaikka yritystasolla erilaisten toimintojen tehostamiseen ja automatisointiin helpottuu huomattavasti.

Ethereum hinnan kehitys

Vuosi	Hinta
2015	$0,74 / ETH
2017	$881 / ETH
2021	$4 379 / ETH
2023	$2 149 / ETH
2025	$4 000 / ETH

Johtopäätös

Vaikka Proof-of-Stake lupaa viedä blockchain-teknologian uudelle tasolle, se on vielä lapsenkengissä. Ei ole ollut monia esimerkkejä laajalle levinneistä hajautetuista sovelluksista tai kryptovaluutoista, jotka olisivat täysin omistautuneet Proof-of-Staken käyttöön.

Kun vuosien testaus ja käytännön toteutuskeinojen kartoittaminen jatkuu edelleen, voimme tarkastella Proof-of-Stakea ja ehdottaa mahdollisia parannuksia kunkin projektin arkkitehtuuriin. Tällä hetkellä PoS tuo toiveita kryptovaluuttaharrastajien keskuuteen, sillä monet näkevät sen toivon pilkahduksena blockchain-teknologian tulevaisuudelle.