Wat is proof of stake?

Introductie

In een blockchainnetwerk waarin deelnemers anoniem blijven, is een betrouwbaar coördinatiemechanisme essentieel. Hierbij is het zogenaamde ‘proof’-mechanisme – de manier waarop iets bewezen wordt – hetgeen wat bevestigt dat iemand voldoet aan de voorwaarden om een blok met transacties te mogen valideren. Daarmee laat een deelnemer zien dat hij te goeder trouw handelt. Een bekend consensusalgoritme is proof of stake (PoS). Dit wordt gebruikt om nieuwe blokken aan te maken, cryptoactiva te verspreiden en transacties te verwerken.

Dit mechanisme is een alternatief voor de oorspronkelijke methode: proof of work (PoW). In plaats van energieverbruik, zoals bij PoW, vereist PoS dat validators een deel van hun bezit in de bijbehorende cryptomunt inzetten. Deze inzet wordt hun ‘stake’ genoemd.

Om te voorkomen dat ze hun inzet verliezen, worden validators gestimuleerd om eerlijk te handelen. Ze moeten het onderling eens worden over de volgorde en geldigheid van transacties. Wie een grotere stake heeft, maakt meer kans om geselecteerd te worden voor het aanmaken van het volgende blok. Zo worden validators in een PoS-netwerk gekozen op basis van het aantal cryptovaluta dat zij vastzetten.

Vergelijking met proof of work

In plaats van een inzet vereist PoW aanzienlijke rekenkracht en veel energie om transacties te verwerken en nieuwe blokken te maken. Daarom wordt proof of stake vaak gezien als energiezuiniger en minder belastend dan PoW. Toch blijkt verderop in dit artikel dat dit niet helemaal juist is.

Beide consensusmechanismen zijn bedoeld om nieuwe blokken te produceren en transacties te valideren. Ze moeten ook de veiligheid en integriteit van het blockchainnetwerk garanderen, maar doen dat elk op een eigen manier.

Bij proof-of-work (PoW) proberen miners zo snel mogelijk het Byzantijnse generaalsprobleem op te lossen. Daarmee bereiken ze overeenstemming over de geldigheid van transacties. De miner die als eerste de target-hash voltooit, mag een nieuw blok aanmaken en ontvangt de blokbeloning — de token met waarde binnen het netwerk. Door altijd de keten met het meeste werk te kiezen, wordt onduidelijkheid op het netwerk voorkomen. Dubbele uitgaven worden tegengegaan doordat een blok met dubbele transacties minstens 51% van de wereldwijde rekenkracht nodig heeft om geaccepteerd te worden.

In Ethereums proof-of-stake (PoS) wordt het probleem van dubbele uitgaven anders aangepakt. Gebruikers bouwen op vaste tijdstippen ‘checkpoint blocks’ in. Die blokken worden goedgekeurd als tweederde van de validators instemt, via hun inzet in het netwerk. Op die manier ontstaat collectieve zekerheid over wat binnen het systeem als waarheid wordt beschouwd.

Een ander belangrijk verschil tussen PoS en PoW ligt in de onderliggende prikkels en ethiek. In een PoS-netwerk zijn de prikkels negatief: validators riskeren verlies van hun inzet bij kwaadwillig gedrag. In PoW werkt dat anders. Daar volgen miners de regels omdat ze beloond worden met cryptovaluta. De prikkel is dus positief en gebaseerd op beloning in plaats van straf.

Bitcoinminers die proberen de regels te omzeilen door ongeldige transacties of verkeerd geformatteerde blokken te creëren, worden genegeerd door de volledige nodes. Hun blokken worden dan niet opgenomen in de blockchain. Ze maken daardoor kosten voor niets — voornamelijk voor elektriciteit. Bovendien moeten ze minstens 51% van de rekenkracht bezitten om verder te bouwen op eerdere blokken. Lukt dat niet, dan raakt hun keten achterop en verspillen ze nog meer energie.

Een van de meest besproken aspecten van consensusmechanismen is de mate van decentralisatie en het vermogen die te behouden. PoW realiseert dit onder andere via een netwerk van actieve volledige nodes, die naast de miners een belangrijke rol hebben. Bij PoS is die rol beperkter. De betekenis van nodes binnen PoW werd duidelijk tijdens de blocksize-oorlog in 2017. Toen versloegen aanhangers van kleine blokken de lobby voor grotere blokken. Zij startten de user-activated soft fork (UASF) en kozen voor de BTC-keten, niet voor Bitcoin Cash (BCH). Deze historische fase toonde aan dat nodes zelfs grote bedrijven kunnen overstemmen en dat miners het netwerk niet beheersen — in tegenstelling tot de centrale rol van validators binnen PoS-systemen.

Zo werkt proof-of-stake

In een proof-of-stake-netwerk controleren en valideren deelnemers als validators de transacties. Zij kunnen ook nieuwe blokken aanmaken. Dat gebeurt op basis van de hoeveelheid native cryptomunten die zij ‘staken’, oftewel inzetten in het netwerk.

Validators worden willekeurig geselecteerd om het volgende blok toe te voegen. Die selectie gebeurt op basis van hun inzet: hoe meer cryptomunten een validator heeft gestaked, hoe groter de kans om gekozen te worden voor het valideren van transacties en het creëren van een nieuw blok.

Als een validator wordt geselecteerd om een nieuw blok aan te maken, moet hij alle transacties in dat blok controleren. Vervolgens worden die toegevoegd aan de blockchain. De validator moet nagaan of de transacties geldig zijn, of er geen sprake is van dubbele uitgaven, en of de afzender voldoende cryptomunten heeft om de transactie uit te voeren.

Zodra alle transacties in een blok zijn bevestigd, wordt een nieuw blok aangemaakt. Dat blok wordt toegevoegd aan de blockchain. De validator die het blok succesvol verwerkt, ontvangt een beloning in de vorm van native tokens voor zijn bijdrage aan het netwerk.

In een proof-of-stake-netwerk ontstaat consensus wanneer de meerderheid van de validators het eens is over de staat van de blockchain. Creëert een validator een blok dat door de meeste anderen wordt afgewezen, dan wordt dat blok verworpen. De validator kan daarbij zijn ingezette cryptovaluta verliezen.

Kritiek op Proof of Stake: Terechte zorgen en zwakke plekken

Proof of stake wordt vaak beschouwd als energiezuiniger en minder belastend dan proof of work. Maar die aannames zijn eenvoudig te betwisten. Bij proof of stake komen decentralisatie en veiligheid onder druk te staan. Bovendien vertoont het systeem gelijkenissen met het traditionele monetaire systeem, dat bekendstaat als inefficiënt en oneerlijk voor veel deelnemers.

Een belangrijk bezwaar tegen de vermeende voordelen van proof of stake is het risico op concentratie van rijkdom en macht. In een PoS-systeem hebben validators met een grotere inzet – oftewel meer vermogen – meer kans om transacties te valideren en nieuwe blokken aan te maken. Daardoor kan een vicieuze cirkel ontstaan waarin de rijkste validators steeds meer controle over het netwerk verkrijgen. De onderstaande tabel van Nansen Research laat duidelijk zien hoe de inzet binnen het Ethereum-proof-of-stake-systeem verdeeld is.

Die machtsconcentratie druist in tegen het principe van decentralisatie. Een kleine groep validators kan het besluitvormingsproces domineren. In tegenstelling tot proof of work, waar men hardware nodig heeft om te minen, kunnen PoS-validators hun macht uitbreiden puur op basis van hun initiële inzet. Extra bijdragen aan het netwerk zijn dan niet langer vereist om invloed te vergroten.

Een ander veelgehoord kritiekpunt op proof of stake is dat veel cryptovaluta’s, waaronder ether (ETH), gebruikmaken van zogenoemde pre-mine-constructies. Tokens worden daarbij al gemined vóór de publieke lancering. Oprichters, ontwikkelaars en vroege investeerders krijgen zo vroegtijdig toegang tot grote hoeveelheden vermogen. Dat geeft hen een aanzienlijk voordeel ten opzichte van latere deelnemers. Ook bij proof-of-work-blockchains komt dit ontwerp soms voor, maar binnen proof-of-stake-projecten is het gebruik ervan wijdverbreider. Dat komt doordat men er zonder nodes eenvoudiger in slaagt om via bezit invloed te verkrijgen.

Veelgehoorde kritiek op het PoS-consensusmechanisme:

• Gebrek aan decentralisatie: validators met veel cryptovaluta maken meer kans om nieuwe blokken te creëren en beloningen te ontvangen. Ze hebben ook meer invloed op het netwerk. Daardoor kan de macht zich concentreren bij een klein aantal validators. Die situatie is nadelig voor zowel de veiligheid als de decentralisatie, en versterkt bestaande ongelijkheid in vermogensverdeling.
• Manipuleerbaarheid van het validatieproces: wie 51% van de tokens in omloop bezit, kan het netwerk beïnvloeden. Daarmee wordt het eenvoudiger om transacties te manipuleren dan bij een 51%-aanval op proof of work, waarvoor men meer dan de helft van de totale rekenkracht van het netwerk zou moeten controleren.
• Beveiliging: bij proof of stake (PoS) hangt de veiligheid van het netwerk af van de hoeveelheid cryptovaluta die door validators wordt vastgehouden. Als een grote groep validators samengaat, kan het netwerk daardoor gevoeliger worden voor aanvallen.
• Complexiteit: er bestaan diverse vormen van proof of stake, zoals delegated PoS (DPoS), leased PoS (LPoS), pure PoS (PPoS) en andere hybride varianten. Al deze vormen zijn afgeleiden van een overgecompliceerd systeem. Dat maakt het lastig te doorgronden of helder uit te leggen. Hoe complexer het systeem, hoe groter de kans op falen.
• Milieu-impact: proof of stake (PoS) krijgt vaak kritiek vanwege de ecologische gevolgen ervan. Die kritiek lijkt sterk op zorgen over het bestaande monetaire systeem. In tegenstelling tot proof of work (PoW), dat energieverbruik stimuleert, wordt PoS als minder energie-intensief beschouwd. Toch leidt de toename van blockchains die inefficiënte PoS-mechanismen gebruiken gezamenlijk tot een zwaarder ecologisch effect.
• Nothing-at-stake-probleem: dit theoretische probleem in PoS-netwerken houdt in dat validators weinig risico lopen als ze meerdere versies van de blockchain creëren. Validators kunnen meerdere versies tegelijk maken in de hoop dat een versie als ‘de juiste’ wordt geaccepteerd. Daardoor kan het netwerk geen consensus bereiken, wat de veiligheid ondermijnt.
• Lastige inschatting van het juiste inzetbedrag: het bepalen van de optimale hoeveelheid cryptovaluta om te staken in een PoS-netwerk is complex. Validators moeten hogere beloningen afwegen tegen het risico om hun inzet te verliezen.

Zou Bitcoin ooit overstappen op proof of stake?

De overstap van Ethereum van PoW naar PoS in september 2022 zorgde voor nieuwe ideeën in milieugerichte bedrijven. Daar klonk de oproep dat ook Bitcoin moest volgen, om zo afstand te nemen van het ‘extreme energieverbruik’ bij zijn huidige consensusmechanisme.

De verandering van Ethereum naar een PoS-systeem heeft de energieconsumptie niet met 99,95% verminderd. Deze berekening houdt namelijk geen rekening met het feit dat grote bedrijven en serverparken enorme hoeveelheden energie gebruiken om wereldwijd PoS-transacties af te ronden.

De Greenpeace-campagne ‘Change the Code‘, gefinancierd door Ripple Labs, is bedoeld om het energieverbruik van Bitcoin’s proof-of-work te ondermijnen. Het is een klassiek voorbeeld van hoe bedrijven verandering tegenwerken. In plaats daarvan houden ze een elitair systeem in stand, dat nu volledig weerspiegeld wordt in het consensusmechanisme van Ethereum.

Proof of work stelt meer voor dan een radicaal en eerlijk monetair voorstel. Het stimuleert ook innovatie op het gebied van hernieuwbare energie en maakt gebruik van verspilde of overtollige stroombronnen. Op de lange termijn levert dat meer milieuwinst op dan een ogenschijnlijk efficiënter PoS-systeem. Proof of stake verbergt vooral de energiekosten die via bedrijven worden ingekocht voor validatie.

De code van Bitcoin is gelukkig zeer goed bestand tegen dit soort aanvallen. Dat is een bewuste keuze geweest in de ontwikkeling ervan. Het is uiterst onwaarschijnlijk dat een voorstel tot aanpassing van de code zelfs maar de beginfase van overweging door de ontwikkelaars zou doorstaan. Laat staan dat het brede steun zou krijgen vanuit de gemeenschap.

Conclusie

In een vrije markt is het essentieel dat proof-of-work (PoW) en proof-of-stake (PoS) naast elkaar kunnen bestaan. Beide mechanismen moeten zich op een rendabele wijze kunnen ontwikkelen en hun aanhangers voordelen bieden. Bitcoin is niet alleen een innovatief monetair systeem, maar stimuleert ook technologische vooruitgang én probeert bij te dragen aan een betere impact op het milieu. Voorstanders van Bitcoin erkennen het belang van PoW binnen die ontwikkeling en nemen verantwoordelijkheid door anderen hierover te informeren.

Voor wie zich zorgen maakt over vermogensbescherming, financiële inclusie en een duurzamere leefomgeving, is er één logische keuze: een grensoverschrijdend en vergunningvrij geldsysteem dat harde monetaire eigenschappen combineert met technologische vrijheid.

Deze vorm van geld is bestand tegen censuur en veilig voor inbeslagname. Daarmee toont het de kracht van proof-of-work ten opzichte van proof-of-stake. In de komende jaren zou Bitcoin wel eens de enige blijvende vorm van waardeopslag kunnen worden. Achteraf zal de keuze voor proof-of-work dan logisch lijken.

Let op: cryptoactiva zijn zeer risicovol. Je kunt je volledige inleg verliezen. Resultaten uit het verleden bieden geen garantie voor de toekomst.