Bij blockchain kom je de termen ‘proof of work’ en ‘proof of stake’ vaak tegen, maar wat betekent dat precies? Daarvoor is eerst een uitleg nodig over blockchain, de techniek achter bitcoin en andere cryptovaluta.
Kort gezegd is blockchain een decentraliseerde database. Alle informatie wordt niet beheerd door één partij, maar door iedereen op het netwerk. Meer informatie over blockchaintechnologie vind je hier.
De informatie die in een blockchaindatabase wordt toegevoegd moet worden goedgekeurd door de participanten in het netwerk, ook wel de ‘nodes’ genoemd. Ze moeten het allemaal eens zijn met de transactie (consensus), voordat een transactie plaatsvindt.
Er zijn verschillende methodes voor dit proces. De bekendste is de ‘proof of work’-methode. Dat wordt onder andere voor een van de bekendste toepassingen van blockchain gebruikt: bitcoin.
Maar hoe werkt dat ‘bereiken van consensus’ precies? Hoe wordt een transactie goedgekeurd en aan de keten toegevoegd?
Proof of work: computerkracht om transacties goed te keuren
Bij het consensusmodel achter bitcoin hoort de term 'minen'. Elke participant op de blockchain kan zijn/haar computer laten werken voor het netwerk. Je wordt dan een 'miner' genoemd. Voor het goedkeuren van transacties krijgt diegene een kleine beloning.
Dat goedkeuren gebeurt door het oplossen van een complexe mathematische puzzel door de miners. Om de oplossing te vinden is veel rekenkracht vereist. Vergelijk het met een hangslot met cijfercode. De miners proberen telkens door andere codes in te vullen het slot open te krijgen.
Na miljoenen pogingen is de juiste cijfercombinatie eindelijk gevonden, die vervolgens door de rest wordt gecontroleerd. De computer die als eerste de puzzel weet op te lossen heeft gewonnen en krijgt als beloning een kleine hoeveelheid van de betreffende cryptomunt. Het block is dan compleet en wordt toegevoegd aan de bestaande keten. Bij bitcoin vindt dit proces iedere tien minuten plaats.
Kritiek op Proof of Work
Een van de grootste kritiekpunten van het proof of work-systeem is dat er enorme zogeheten 'mining farms' worden opgericht. Dat zijn gigantische ruimtes met allemaal computers die zoveel mogelijk blocks proberen te minen. Meer rekenkracht betekent immers een grotere kans om als eerste de oplossing te vinden.
Ten eerste ondermijnt dit het decentrale karakter van blockchain. De macht binnen het netwerk verschuift naar de partijen met de meeste rekenkracht. Op je zolderkamer rijk worden door bitcoins te minen kun je vergeten.
Ook verbruiken deze computers met elkaar veel stroom. Zelfs zoveel dat op populaire plekken om bitcoins te minen gewaarschuwd wordt. Zo zal IJsland binnenkort waarschijnlijk meer elektriciteit gebruiken om bitcoin te minen dan om alle huishoudens van stroom te voorzien.
Toch is de complexiteit van de puzzel ook de reden waarom proof of work zo veilig is. Er is enorm veel rekenkracht nodig om de oplossing te vinden om een block toe te voegen, laat staan te wijzigen. Kun je nagaan hoeveel rekenkracht en tijd het kost om alle blocks achteraf te veranderen.
Een 'majority attack'
Maar proof of work heeft in theorie een zwakke plek. Als bijvoorbeeld de grootste mining farms fuseren, hebben ze meer dan 51 procent van alle miners in handen.
Wat betekent dat?
Binnen blockchain geldt de langste ketting met blocks als de waarheid. Zodra er een partij is die meer dan 50 procent van de miners bezit, kan die partij fraude plegen zonder dat het systeem het als onwaar bestempelt. Het controlemechanisme is gecorrumpeerd. Zo kunnen cryptomunten dubbel worden uitgegeven of transacties worden gemanipuleerd.
Bekijk ook dit filmpje over de twee modellen:
Proof of Stake
Er zijn er ook andere oplossingen om tot consensus te komen. Wat nou als we nodes kunnen vertrouwen niet aan de hand van hoe krachtig hun computer is, maar aan de hand van hoeveel coins ze in het blockchainnetwerk hebben. Dan kom je uit bij 'proof of stake'.
Hoe meer cryptomunten je hebt, hoe groter de kans om transacties te verifiëren. Een stuk energievriendelijker dus.
Bij proof of stake is er geen sprake van miners. Hier worden ze 'validators' genoemd. Zij minnen geen blocks, maar doen aan 'forging' of 'minting'.
Stel jij bezit op de een of andere manier 3 procent van de cryptomunt in een blockchainnetwerk, dan heb jij een kans van 3 procent om het volgende block te 'forgen'. Hoe meer munten je hebt, hoe meer kans je hebt om te winnen.
Qua beloning verschilt het systeem ook van proof of work; daar krijgt de winnaar namelijk uitbetaald in bijvoorbeeld bitcoin. Bij proof of stake krijgt de winnaar de transactiekosten van de transacties in een block.
Hoe meer coins je hebt, hoe groter het verlies als er een valse transactie wordt goedgekeurd. Het potentiële verlies van economische waarde is wat het netwerk veilig maakt.
Kritiek op proof of stake
Ook dit systeem kent zijn nadelen. Een van de grootste nadelen is een 'nothing at stake'-aanval. Dit is een vrij technisch concept, maar we proberen het simpel te benaderen.
Het kan gebeuren dat er in een proof of stake-netwerk een 'fork' komt. Dat is een splitsing van de bestaande blokketen en kan ontstaan door een foutje of een kwaadaardige poging om de historie van de blockchain te manipuleren.
Bij proof of work krijgen de miners hun grootste opbrengst door op de juiste ketting te blijven. De miners strijden om zo snel mogelijk de code te kraken en een block te minen. Als ze op meerdere kettingen zouden inzetten moeten ze hun computerkracht verdelen. Dat is niet rendabel.
Bij proof of stake is dit niet het geval. De validators gebruiken geen computerkracht en verliezen daardoor ook niks als ze hun aandeel (stake) op beide kettingen inzetten. Dat is namelijk het rendabelst; het gaat hen immers toch alleen om de transactieopbrengsten.
Een kwaadaardige gebruiker kan daardoor twee keer dezelfde transactie maken, wat voor hem rendabel is. Deze kans is overigens zeer klein en niet aan te raden, aangezien je een aandeel in het netwerk hebt.
51 procent-aanval
Bij proof of stake is er ook de mogelijkheid voor een 51 procent-aanval. Een partij of individu moet 51 procent van desbetreffende cryptomunt in dat netwerk bezitten om malafide acties uit te voeren.
Het addertje onder het gras hier is dat als iemand 51 procent van alle coins in het netwerk wil bezitten, diegene (afhankelijk van de waarde en grootte van de cryptomunt) tientallen, zo niet honderden miljoenen euro's ertegenaan moet smijten.
Conclusie
Een belangrijk verschil tussen de twee consensusmodellen is dat het gemakkelijker is om bij proof of stake mee te doen aan de verificatie van blocks dan bij proof of work.
Dat komt omdat je bij proof of work dure apparatuur nodig hebt om überhaupt een kans te hebben in het miningproces. Hierdoor is proof of stake toegankelijker, dus doen ook meer validators mee. Daardoor is het netwerk een stuk meer gedecentraliseerd dan bij proof of work.
Een ander groot verschil is het energieverbruik. Proof of work blijkt grote impact te hebben op ons milieu. Proof of stake daarentegen is geen bedreiging voor de aarde.
Toch kent proof of stake ook zijn gebreken. Een malafide 'nothing at stake'-aanval is mogelijk, ook al worden de consensusmodellen wel vaak geüpdatet om dit soort praktijken in de kiem te smoren.
Het laatste verschil is veiligheid. Bij proof of work is de complexiteit en de rekenkracht juist een ingebouwde veiligheid. Proof of stake moet het meer hebben van het potentiële verlies van economische waarde, waardoor het systeem op een andere manier veiligheid biedt.