Протокол Casper в сети Ethereum: что это и когда его ждать

Casper – обновленная версия протокола Ethereum, основная цель которой – переход от алгоритма консенсуса Proof-of-Work (PoW) к алгоритму Proof-of-Stake (PoS). Это обновление изменит экономику, архитектуру и масштабируемость сети Ethereum.

Переход Эфириума с PoW на PoS был и остается ключевой задачей Ethereum Foundation. С самого запуска платформы ее основатель Виталик Бутерин подчеркивал, что Ethereum – это не криптовалюта, а среда для разработки через смарт-контракты. И внедрение Casper предполагает оптимизацию сети под эти цели.

В этом мы материале мы детальнее рассмотрим технические детали Casper, значение для платформы Ethereum и возможные последствия внедрения.

Что такое Casper простыми словами

Casper – это обновление протокола Ethereum, предложенное Виталиком Бутерином и Ethereum Foundation для улучшения работы платформы. Casper представляет собой разновидность алгоритма консенсуса Proof-of-Stake, только с дополнительными решениями традиционных проблем PoS.

С момента своего основания Эфириум использует Proof-of-Work – доказательство проделанной работы. Аналогичный алгоритм применяется в Bitcoin. При PoW запись новых блоков и поддержка блокчейн осуществляется за счет решения криптографических вычислений майнерами. В PoS – валидаторами, которые подтверждают собственность доли.

Casper предполагает плавный переход с PoW на PoS и задуман с целью оптимизировать платформу Ethereum.

История

Впервые о желании изменить алгоритм консенсуса Ethereum с Proof-of-Work на Proof-of-Stake Виталик Бутерин заявил осенью 2014 года. Вот как об этом вспоминает Влад Замфир, главный идеолог протокола Casper:

Я впервые познакомился с криптовалютами в 2013 году. Я начал изучать технологию, криптографию, познакомился с разработчиками Этаном Бухманом и Заком Рэмси. Осенью 2013 я впервые узнал о доказательстве доли, но мне сразу показалось, что система PoS уязвима. В январе 2014 я впервые узнал о платформе Ethereum. Я регулярно смотрел видео Виталика Бутерина в Youtube, а потом столкнулся с ним лично на мероприятии Toronto Decentral Bitcoin. Мне понравилась идея со смарт контрактами, с помощью которых можно делать что угодно и бороться с централизацией. Вместе с Этаном Бухманом мы участвовали в хакатоне в Торонто и получили приглашение работать на Ethereum Foundation от Чарльза Хоскинсона. Нас добавили в публичный чат в Skype. И уже в мае 2014 года Виталик Бутерин сообщил о желании перейти с PoW на PoS. Сначала в нашем чате, а потом и на выставке в Вене.

Изначально Замфир скептически относился к PoS, считая механизм уязвимым к атакам. Основные опасения вызывала так называемая Bribing Attack или Nothing to Stake – ситуация, в которой валидатор генерирует блок сторонней цепи с меньшей сложностью, а также блок основной цепи. И в любом случае получает вознаграждение. Замфир и Бутерин решили эту проблему своеобразно: валидаторы делают ставки своими долями (Stake) в Ether. Если нода пытается провернуть Nothing to Stake, тогда его доля сгорает. И атакующая сторона теряет деньги.

Релиз первой версии ETH Casper пришелся на ноябрь 2017 года, после чего команда запустила тестовую сеть. За месяц до этого в сети Ethereum был проведен хардфорк Byzantium, который послужил в качестве плацдарма для постепенного перехода от Proof-of-Work до Proof-of-Stake.

Proof-of-Stake vs Proof-of-Work

Работа платформы Ethereum, как и блокчейн Bitcoin, поддерживается майнерами. То есть в обеих сетях используется алгоритм консенсуса Proof-of-Work. Ключевые особенности PoW:

• Для подтверждения транзакций и записи данных в блок, майнеры решают криптографические задачи. Для этого необходимы GPU или процесса типа ASIC;
• Так как сложность сети и количество транзакций постоянно растут, то повышается потребность в энергии. Уже летом 2017 года майнеры в сети Ethereum потребляли больше электричества, чем такие страны как Кипр и Камбоджа;
• После того как блок найден, сеть «верифицирует» его. Процесс определения легитимности блока максимально прост, так как в этом процессе задействованы тысячи майнеров.

Из принципов работы PoW вытекают его очевидные недостатки. Во-первых, энергоэффективность «доказательства доли» низкая. Исследование Digiconomist в конце 2017 показало, что при текущих темпах наращивания сложности в сети Bitcoin, к 2020 года майнеры будут потреблять все электричество планеты.

Во-вторых, система PoW делает богатых богаче, а бедных беднее. Майнеры с мощными установками на ASIC имеют больше шансов найти блок, чем другие майнеры с меньшей вычислительной мощностью.

В-третьих, Proo-of-Work ведет к централизации сети и ставит ее под риск так называемой «атаки 51». Эти ситуация, при которой в руках одного узла сосредоточено 51% вычислительной мощности. Состоянием на конец июня 2018 года в сети Bitcoin более 50% всего хешрейта распределись между тремя пулами. Если они объединятся, то смогут провести «атаку 51», дестабилизировав сеть.

Принцип работы алгоритма Proof-of-Stake отличается от Proof-of-Work. В POS в качестве ресурса используется доля (определенное количество токенов, коинов), а не вычислительная мощность. Впервые данный механизм использовался в 2012 году в криптовалюте PPCoin.

Особенности алгоритма консенсуса Proof-of-Stake:

• Распределение сложности в блокчейн с PoS пропорциональному к размеру Stake (доли);
• Средства валидаторов или нод при обработке блоков блокируются;
• После выбора блока, который по мнению валидатора будет легитимным в текущем блокчейне, размещается ставка;
• Если блок верифицируют, то нода получает вознаграждение.
• Команда Ethereum Foundation еще в 2014 году определила переход на POS в качестве приоритетной цели. Ведь этот алгоритм консенсуса эффективнее использует энергию и ресурсы, потому что важен размер stake (доли), а не вычислительная мощность. Также блокчейн с этим механизмом защищен от «атаки 51%. Ведь в случае ее проведения наиболее пострадает узел, контролирующий 51% средств.

Основные недостатки механизма:

• Proof-of-Stake также делает богатыми богаче, как и в случае с Proof-of-Work. Чем большая доля (stake) сосредоточена в руках одного участника, тем больше шансов, что он найдет блок.
• Nothing to Stake или «пустой стэк» – ситуация, при которой узел находит пустой блок побочной цепи, фактически не расходуя никаких ресурсов (коинов, токенов), но получая за это награду. Как результат – атакующий, и поддержавшие его участники, проводят форк блокчейна. Это может привести к атакам «двойной траты».
• Протокол Casper от Влада Замфира учитывает слабые места Proof-of-Stake и предлагает собственные решение актуальных проблем.

Этапы Casper и отличия от обычного Proof-of-Stake

Casper включает в себя два параллельных проекта, гарантирующих плавную трансформацию алгоритма консенсуса PoW в PoS:

• Casper FFG – finality friendly gadget или «дружественный протокол». Его называют еще Каспером Виталика. На этом этапе PoW и PoS сочетаются, формируя гибридный алгоритм консенсуса. Блокчейн продолжит работать за счет майнинга. Но на каждом 50-м блоке предусмотрена контрольная точка с применением PoS. Это так называемый финализированный блок, который невозможно переписать или изменить.
• CBC (correct-by-construction) или GHOST («Casper Влада»). В этой версии предложено использование «чистого» Proof-of-Stake без задействования майнеров. В CBC валидаторы самостоятельно выбирают уровни безопасности. Например, валидатор А может установить четыре подтверждения для закрытия блока, а Валидатор B – шесть. Финализация блокчейна происходит постепенно, а не на конкретном блоке как в FFG. Легитимная цепь выбирается через специальную шкалу оценок.
• Casper имеет экономические и структурные отличия от стандартных алгоритмов Proof-of-Stake. Так в протокол внедрена защита от «пустого стэка». При верификации блоков часть средств валидатора блокируется. Если оказывается, что он поддержал пустую форковую цепь, тогда он теряет «замороженные» средства + аналогичную сумму за проведение атаки двойной траты.

Подобное свойство Casper требует от узлов активного участия. Если валидатор произвольно или непроизвольно ушел в OFFLINE и поддержал короткую цепь, то он все-равно потеряет часть эфиров.
В FFG легитимный блок выбирается «Супербольшинством» — 2/3 валидаторами. Если возникла форковая цепь («Пустой стэк»), тогда треть всех депозитов уничтожается. Валидатор, который ее обнаружил, получает 4% от этой суммы в виде вознаграждения.

Зачем Casper нужен для Ethereum

Переход к протоколу Casper идет нога в ногу с идеологией проекта Ethereum. Виталик Бутерин в своих интервью заявлял, что Эфириум – это платформа для разработки децентрализованных приложений, а не криптовалюта в классическом понимании. А переход на PoS и протокол Casper оптимизируют работу сети, позволив дистанцироваться от манипулятивного рынка производителей майнингового оборудования.
Основные плюсы от внедрения Casper для Эфириума:

Децентрализация

Выше мы отмечали степень централизации в сети Bitcoin – три пула контролируют свыше 50% хешрейта. В Эфириум сложилась похожая ситуация.

В Proof-of-Work пулы с большим хешрейтом получают дополнительное преимущество. Чем выше мощность, тем дешевле стоимость майнинга. Casper позволит решить эту проблему, так как на первый план выйдет стейкинг. Вероятность «атаки 51%» при таком алгоритме консенсуса исключается, а стоимость дестабилизации работы блокчейн возрастает.

Улучшенная энергоэффективность

Для поддержки сети Bitcoin используется больше электричества, чем потребляют страны вроде Болгарии, Беларуси и Дании. И дальше этот показатель продолжит расти по экспоненте с учетом структуры блокчейна Биткоина.

POS намного эффективнее в этом плане, так как в качестве ресурса использует депозиты валидаторов. Для поддержки работы узла не нужны мощные установки типа ASIC или GPU-фермы. С этой ролью справятся серверные и персональные компьютеры.

Экономическая защита

За счет введения инструмента Slashing ака «Бритва» протокол Casper защищает сеть от атак мошенников и двойного расходования. Валидаторы заинтересованы в поддержке работы платформы, так как пустые стэки и двойное расходование приведет к безвозвратной потере части депозита.

Масштабируемость

Для поддержки работы Ethereum валидатору необходимо хранить полный блокчейн, размер которого растет с увеличением количества транзакций. Это ведет к замедлению платформы: разработчики долго ждут запуска смарт-контрактов, майнеры не сразу получают награды, а обычные участники не сразу получают эфиры на кошельки.

Proof-of-Stake в этом плане эффективнее Proof-of-Work. Например, в блокчейне EOS, в котором используется алгоритм консенсуса Delegated Proof-of-Stake, в секунду обрабатывается 100 000 транзакций. Для ускорения работы платформы Влад Замфир предложил применять принцип шардинга. Он позволяет распределять задачи на шарды. Это обеспечит одновременную обработку транзакций. По своему принципу Шардинг чем-то напоминает механизм работы Torrent-трэкеров. Влад Замфир отмечает, что данный инструмент может быть реализован только в PoS.

Потенциал

Финальная точка «Касперизации» — это Proof-of-Stake с дополнительными механизмами защиты от двойной траты и пустого стэка, повышенной ответственностью валидаторов, более высокой скоростью обработки транзакций. Это сделает Ethereum суперкомпьютером на деле, а не на словах и позволит реализовать масштабные проекты в будущем. С точки зрения экономики и разработки, Casper – это та необходимая революция.

Протокол Casper для Эфириум: дата перехода

Уже в конце ноября 2017 года появилась информацию о предстоящем тесте протокола Casper в Ethereum. О первых итогах эксперимента в январе 2018 рассказал сам Виталик Бутерин:
«С протоколом Casper в сети становится невозможной ситуация, когда два блока с разных цепей финализируются. Мы успешно протестировали эту концепцию в режиме Testnet. Консенсус достигается».
Тогда же Бутерин отметил, что логика протокола верная, однако код Casper тогда не готов. Для этого разработчикам необходимо подготовить имплементацию на Geth и Parity. Первая версия кода обновленного протокола Ethereum Каспер появилась в мае 2018 года в Github. Команда сделала репозиторий публичным, так что аудиторы и разработчики могут писать ПО с использованием смарт-контракта Casper FFG.

В протокол Эфириума Casper заложена так называемая «бомба сложности», которая снизит награду майнеров и инфляцию Ethereum. За найденный блок майнер будет получать 0,6 ETH вместо 3. До окончательно перехода на PoS размер награды будет уменьшаться, что образует «майнинговый Ледниковый период». Это заставит майнеров отказаться от экономически невыгодной добычи эфиров, сосредоточившись на стейкинге.

В июне 2018 года появилась информация, что внедрение протокола Casper FFG может состояться одновременно с интеграцией шардинга. Для активации предложено использовать один из шардов вместо смарт-контракта. Позже, 23 июня, Бутерин заявил, что команда внесла правки в Casper, которые позволят внедрить шардинг в сеть в улучшенной форме. Но при этом интеграция FFG все-равно остается приоритетной. Он отметил, что изменения в протоколе и использование технологии STARKS в будущем позволит участвовать в стейкинге узлам, размер доли которых составляет 32 ETH. Сейчас минимальный размера стэк-депозита составляет 1500 ETH.

Точная дата имплементации Casper не называется. Сам Бутерин на вопрос, когда появился Эфириум Каспер конкретного ответа не дает. Говорит, что скоро. Ожидается, что протокол FFG будет внедрен в третьем квартале 2018 года. А полноценный переход на Proof-of-Stake состоится в 2019-м.

Возможные последствия от внедрения Casper в Эфириум

С приходом протокола Casper в Ethereum заканчивается эра майнеров. Это обновление убьет рынок производителей ASIC-майнеров для добычи ETH, а также серьезно изменит экономику платформы.
Несмотря на «слэшинг», который будет применяться к недобросовестным валидаторам, существует вероятность централизации сети. После внедрения Каспер работа блокчейн будет поддерживаться 200-300 узлами. Они могут сформировать «супербольшинство» (2/3 от всех валидаторов) и принять «короткую цепь», диктуя свои правила для сети.

Алгоритм Proof-of-Stake эффективнее за PoW с точки зрения использования ресурсов, устойчив к атаке 51, но полной централизации он не гарантирует. Если в Bitcoin тон задают крупные пулы, то в Ethereum на первый план выйдут «богачи» с большим депозитом. Хотя возможное снижение минимального стэка до 32 ETH позволит увеличить количество валидаторов и уменьшить централизацию.

Как нововведение скажется на курсе? Этого точно не знает никто. После обновления Casper в сети Ethereum увеличится пропускная способность, что привлечет новых разработчиков и инвесторов, и, следовательно, увеличит курс ETH. Если будет принят низкий порог для узла, то это спровоцирует наплыв валидаторов. А это также увеличит курс.

Возможен и другой сценарий – дестабилизация платформы, централизация и даже откат блокчейна.

Как итог

Casper – важный этап для платформы Ethereum, который трансформирует алгоритм консенсуса Proof-of-Work в Proof-of-Stake. Команда проекта уверена, что жизненно необходимое обновление с точки зрения экономики и перспектив проекта. С внедрением Casper Ethereum как платформа станет эффективнее и, как считает Виталик Бутерин, раскроет свой истинный потенциал. По прогнозам обновление должно появиться в третьем квартале 2018 года.