Каковы будут последствия введения протокола Casper для Ethereum?

Недостатки Proof-of-Work

Модель основана на выполнении сложных математических расчетов, которые требуют больших вычислительных мощностей. Из этого вытекают три основные проблемы PoW:

• большой расход электроэнергии на запись блоков в цепь;
• риск концентрации майнинговых мощностей в одних руках (атака 51%), который может привести к централизации системы;
• атака “двойной тратой”, когда злоумышленники могут записать собственную версию блока и игнорировать настоящую.

Именно для устранения этих рисков разработчики Ethereum решили перейти на другой способ достижения консенсуса — Proof-of-Stake (PoS).

Алгоритм Proof-of-Stake

Доказательство владения избавляет сеть от использования физических ресурсов для защиты от вышеописанных атак. Оно делает процесс записи блоков полностью виртуальным. При таком изменении майнеры и их избыточные аппаратные мощности становятся не нужны, потому что их заменяют валидаторы, владеющие токенами.

Упрощенно процесс записи блока в модели PoS выглядит так:

1. Валидаторы подают заявку на участие в записи блоков, при этом с них удерживается некоторое количество монет для гарантии их честности.
2. Они начинают искать и проверять блоки. В случае обнаружения валидатор, считающий, что найденный блок может быть записан в цепь, делает на него ставку.
3. Валидаторы поочередно голосуют за запись блока. Вес каждого голоса зависит от размера внесенного депозита.
4. Если ставка “сыграла” и был записан блок, на который она делалась, валидатор получает вознаграждение, пропорциональное сумме ставки.

Недостатки Proof-of-Stake и решения Каспера

Такая модель доказательства владения имеет существенный недостаток. Валидаторы для увеличения заработка могут начать одновременно поддерживать несколько блоков. В этом случае они ничем не рискуют и получают вознаграждение в любом случае — эта проблема называется “Nothing at Stake”.

В PoW этот вопрос решается за счет дороговизны используемого оборудования и электроэнергии: майнерам невыгодно вкладывать вычислительные мощности в короткие ветви.
В виртуальной среде PoS, где не используются физические ресурсы, валидатору все равно: он не несет никаких ощутимых затрат, делая ставки на конкурирующие блоки.

Протокол Casper создан для решения этой проблемы. В нем вводится наказание за поддержку короткой ветки. Валидатор, сделавший ставки на два блока, теряет свои деньги.

Второй серьезной проблемой, решение которой заложено в Каспере, является византийская ошибка — ситуация, когда некоторые из участников совершают действия, препятствующие достижению консенсуса и работе сети.

В PoS в голосовании за запись блока должно участвовать не менее ⅔ всех зарегистрированных валидаторов. При переходе некоторого количества проверяющих в автономный режим, достичь этого соотношения не удается, и работа сети блокируется.

Алгоритм, используемый в Casper, позволяет отключать таких валидаторов от сети, при этом их ставки сгорают.

Протокол Casper будет внедряться в сеть в два этапа.

Casper Friendly Finality Gadget

Первый этап — Каспер 1 — это гибридная система, “накладывающая” контракт PoS поверх PoW. Версия называется Casper Friendly Finality Gadget (Casper FFG).

Суть Casper FFG заключается в том, что достижение консенсуса по подавляющему числу блоков производится с помощью доказательства работы. Но каждые 50 блоков создается контрольная точка, в которой блок записывается по алгоритму PoS. Этот блок называется ключевым, или контрольно-пропускным пунктом.

В этом моменте вводится понятие “окончательность” (“завершенность”), означающая, что валидаторы фиксируют данное состояние блокчейна, его никак нельзя будет отменить или исправить, даже если 99% майнеров начнут поддерживать цепочку, которая не содержала этот блок.

Существует единственный вариант возврата завершенного блока. Он называется slashing, или “разрезающими условиями”. Этот механизм говорит, что независимо от того, как возникла такая ситуация, должен быть такой набор валидаторов, с общей суммой ставок не менее ⅓ от всех участников голосования за завершение этого блока, которые отправляют сообщения, чтобы отозвать завершенность блока.

В этом случае весь депозит валидатора, находящийся в контракте Каспера, уничтожается. За исключением 4%, которые переходят валидатору, отправившему “доказательство” необходимости включения условия резки (“плата искателя”).

Возврат завершенного блока очень дорого обходится валидаторам, и это служит средством защиты от возврата завершенных блоков.

Ввод гибридной модели обусловлен упрощением перехода на новый механизм как для участников, так и для системы.

Casper Correct-by-Construction

Второй этап — Каспер 2 (Casper CBC) — должен стать улучшением протокола, вводящим его динамическое регулирование. Для этой цели используется оракул, известный как “оценщик”. Его функция заключается в постоянном развитии и адаптивной настройке протокола, которая отображает состояния протокола в ответ на выполняемые логические положения о консенсусе.

В этой же версии вводится такой инструмент, как GHOST — Greedy-Heaviest-Observed-Sub-Tree. Его назначение — помочь валидаторам выбрать правильный блок на основании имеющейся информации. Вычисление происходит с помощью определенной системы баллов, а блок с наибольшим количеством очков становится родительским для последующих блоков.

Преимущества использования Casper

Благодаря Casper будет улучшена децентрализация Ethereum, экономическая безопасность, уйдет вопрос об энергоэффективности, приближен окончательный переход на PoS.

Вслед за отказом от использования физических ресурсов значительно снизится стоимость эксплуатации сети, так как исчезнет основной пункт расходов — оплата за электричество.

Переход на виртуальные ресурсы снимет проблему ASIC-майнеров и угрозу перехода управления блокчейном в руки нескольких майнинговых групп, так как запись блоков перестанет зависеть от вычислительной мощности оборудования, а атака 51% потеряет свою актуальность.

Наказание валидаторов в виде потери ставки снижает риск их злонамеренных действий и побуждает к честной работе в сети.

Так как сложные вычисления заменяются голосованием, это ускорит запись блоков.

Каспер активируется смарт-контрактом, на который направляются депозиты валидаторов. Любой пользователь, имеющий необходимое количество эфира, может заявиться валидатором. После отправки залога на адрес контракта он сможет принимать участие в голосовании.

По последним данным, минимальной суммой депозита названа 1500 ETH.

Улучшение масштабируемости сети достигается через использование механизма разбиения полного реестра блокчейна на осколки.

Каспер исключает возможность экономического масштабирования. Оно означает, что предприятия с большими операционными действиями получают конкурентное преимущество перед прочими за счет снижения стоимости в пересчете на единицу продукции.

Как видно из графика, после некоторого снижения стоимости (C) при росте количества (Q) вновь начинается рост C. Это делает бессмысленным объединение в пулы, следовательно, угрозы централизации не существует.

Sharding

Для ускорения работы с реестром Каспер предлагает использовать технологию из обработки больших баз данных — sharding (осколки). Согласно этому методу, большие таблицы могут быть разделены по горизонтали на несколько маленьких без потери данных и структуры, что значительно ускоряет скорость работы с информацией.

Недостатки Casper

Доказательство владения часто критикуют за то, что оно делает богатых еще богаче: вознаграждения пропорциональны ставкам и это означает, что чем выше ставки, тем больше доход.

Проблема “Nothing at Stack” в Каспере решается с помощью введения наказаний в виде сгорания ставки валидатора. Но может сложиться такая ситуация, что вначале он выбрал один блок, а потом переключился на другой, поняв, что этот блок правильный. В действиях валидатора не было злого умысла, но он также будет наказан.

Одним из решений этой задачи является введение нескольких раундов голосования.

Следствием таких подходов становится другая задача, которую нужно решать разработчикам — постоянное увеличение логической и протокольной сложности. Это направление частично закрывают идеи, предложенные в Casper Correct-by-Construction.

Сроки внедрения

Окончательная версия Каспера будет включать в себя оба варианта — FFG и CBC.

В сроках пока определенности нет. Предположительно, Casper FFG появится летом или осенью 2018 года. Сейчас идет его альфа-тестирование в исследовательской сети.

Для тестирования используются два Ethereum-клиента — на Python и Java Harmony. Скорее всего, версия на Java будет выпущена первой.

Технические и финансовые аспекты Casper

Для защиты от валидаторов, перешедших в автономный режим работы, используется алгоритм, при котором они теряют 50% своих депозитов.

Так как в Каспере вводится гибридное достижение консенсуса, то будет происходить снижение награды за блок для майнеров PoW. За 1 год она будет снижена с 3 ETH до 0,6 ETH. Уменьшение вознаграждения будет осуществляться каждые 3 месяца на сумму 0,6 ETH.

Майнеры получат вознаграждение за транзакцию голосования, которую они будут включать в записываемый блок — она будет равна ⅛ от награды, полученной валидатором за правильную ставку.

Для валидатора транзакция голосования ничего не будет стоить, поэтому они в обязательном порядке включаются в блок. Это сделано, чтобы обеспечить голосование, несмотря на возможную перегрузку сети и рост цены на газ.

Заключение

Введение протокола Каспер очень серьезно повлияет на безопасность сети Ethereum, ее экономическую эффективность, быстроту работы и масштабирование.

Переход на виртуальные ресурсы в конечном итоге устранит майнеров и прекратит гигантское расходование электроэнергии. Отпадет потребность в дорогостоящем узкоспециализированном и мощном вычислительном оборудовании (ASIC-майнерах). При этом возрастут доходы участников, занимающихся проверкой и записью блоков.

Для того чтобы стать валидатором и зарабатывать на записи блоков, не потребуется покупать оборудование, подверженное износу, выходу из строя и технологическому устареванию — достаточно внести на адрес Каспера 1500 ETH.

Casper защищает сеть от некоторых опасных угроз в виде атаки 51%, централизации управления, злонамеренных действий валидаторов.