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Mecanismos de Consenso nas Criptomoedas: PoW vs PoS

Um dos conflitos conceptuais no universo das criptomoedas reflete-se nos mecanismos de consenso. Proof of Work (PoW) e Proof of Stake (PoS) são dois destes mecanismos que, de formas diferentes, ajudam a garantir a integridade das redes Blockchain descentralizadas.

É importante perceber em que consistem estes dois mecanismos de consenso, quais as diferenças, vantagens e inconvenientes.

Neste artigo iremos abordar:

  1. Porquê um mecanismo de consenso?
  2. O que é Proof of Work (PoW)?
    • O caso da mineração da Bitcoin
    • Quais as vantagens deste mecanismo?
    • Criptomoedas que usam Proof of Work
  3. O que é Proof of Stake (PoS)?
    • Como funciona o mecanismo de Proof of Stake?
    • Criptomoedas que usam Proof of Stake
  4. Proof of Work vs Proof of Stake (PoW vs PoS): qual a melhor opção?
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Porquê um mecanismo de consenso?

A maioria das criptomoedas assentam sobre uma rede descentralizada de participantes.

Mas, o que significa ser descentralizada?

No sistema financeiro tradicional, as transferências de valor são geridas por entidades centrais, nomeadamente os bancos, que verificam as transações e as registam nas suas bases de dados.

Portanto, a aprovação ou rejeição de cada transferência dependerá do critério de cada intermediário que se encontre entre o emissor e o recetor final do capital ou ativo movimentado. Para além disto, estas instituições tem acesso privilegiado à sua base de dados.

image1 1 | Mecanismos de Consenso nas Criptomoedas: PoW vs PoS
Diferença entre o sistema financeiro tradicional (centralizado) e uma rede distribuída P2P – Fonte: Escape Artist

Para além disto, é necessário garantir um histórico das transferências credível e inviolável. É aqui que é manifesta a importância da Blockchain, como garantia da integridade do ledger ou livro-razão onde são registadas irreversivelmente as transferências de valor entre os utilizadores.

Nota: A Blockchain não substitui apenas o papel do banco ou outros intermediários no registo dos movimentos, como impossibilita a sua adulteração.

No caso de uma rede sem uma autoridade central, a dificuldade está em garantir que todos os intervenientes na rede cheguem a um consenso sobre as transferências entre indivíduos. Isto é, registar quem tem o quê e garantir que não ocorrem situações em que a mesma quantia é transferida duas vezes.

Para chegar a este consenso foram implementados diferentes mecanismos ou protocolos por diferentes projetos.

No caso da Bitcoin, implementou-se a Proof of Work (PoW) (ou prova de trabalho, em português). Mais tarde surgiram alternativas implementadas por outros projetos, nomeadamente a Proof of Stake (PoS) ou prova de participação.

Mecanismos de Consenso: O que é o Proof of Work (PoW)?

O conceito de PoW não é novo. Foi pensado pela primeira vez em 1993, e o seu nome cunhado em 1997. Tinha inicialmente o objetivo de evitar ataques DoS e Spam.

Nota:
1 – Ataques DoS ou DDoS (Distributed denial of service) correspondem ao esgotamento da capacidade de resposta de um serviço informático saturando-o com pedidos superfulos e diminuindo ou inibindo a sua capacidade de resposta.
2 – Spam implica o envio de mensagens (e-mail, mensagens instantâneas, SMS, comentários, etc.) não solicitadas de forma abusiva e repetitiva.

Este mecanismo funcionava da seguinte forma:

  1. Um computador, para aceder a um serviço, deveria realizar uma tarefa com vista à resolução de um problema (matemático);
  2. Esta tarefa, deveria ser suficientemente complexa para exigir tempo e poder computacional ao requerente do serviço;
  3. A verificação da solução deveria ser fácil e rápida por parte do fornecedor do serviço.

Tratava-se assim de um processo assimétrico que exigia grande poder computacional por parte do requerente mas cuja resposta era rapidamente verificada pelo fornecedor do serviço.

Como foi implementado este mecanismo na rede Bitcoin?

Mineração de Bitcoin

A rede Bitcoin é assegurada por mineradores (miners, em inglês). Estes, são responsáveis por verificar as transações e fazer o seu registo na Blockchain (obedecendo ao protocolo da Bitcoin). Assim, são recompensados com novas bitcoin à medida que novos blocos são criados.

Como funciona o processo de mineração da Bitcoin?

Todos os mineradores competem entre si para conseguirem a solução para um problema computacional. Por isso, para se ser um minerador é necessário dispor de um grande poder de processamento, atualmente conseguido por hardware dedicado chamado de ASIC.

ASIC - Miner
ASIC – Minererador

O processo de mineração segue os seguintes passos:

  1. Cada minerador usa poder computacional para tentar descobrir um número pseudo aleatório (nonce), produzido pela Blockchain..
  2. Cada nonce, produzido pelos miners, é combinado com a informação de um novo bloco através de uma função criptográfica (hash function), produzindo um determinado resultado (hash).
  3. Se este resultado cumprir uma série de condições previstas é comunicado à rede.
  4. Aí, os restantes mineradores verificarão a validade da solução.
    • Se a solução estiver errada, o processo anterior volta a repetir-se;
    • Se a solução for a correta, um novo bloco é adicionado à rede;
  5. O minerador que descobriu a solução validada é recompensado pelo seu trabalho com novas bitcoin.

Este processo é o que garante a integridade da rede e previne ataques de agentes mal intencionados. Por se tratar de um mecanismo que envolve competição entre os participantes, a dificuldade em encontrar a solução correta (o nonce) aumenta à medida que o número de miners também aumenta.

Para além disto o sistema de recompensas também se vai ajustando, reduzindo para metade o número de bitcoins gerado por cada bloco. A este processo, que ocorre sensivelmente a cada 4 anos, chamamos de Bitcoin halving.

Quais as vantagens deste mecanismo (PoW)?

A exigência do elevado poder computacional, juntamente com a competição pela descoberta da solução correta entre os mineradores, são as razões que levam a que agentes maliciosos não tenham sucesso.

Importante: Para alguém corromper o processo de validação da rede seria necessário que concentrasse em si 51% da capacidade de processamento (hash rate) de toda a rede.
Assim, atualmente implicaria um custo de biliões em equipamento, somado a um custo de milhões em energia elétrica.

Resumidamente, o retorno obtido com um ataque não compensaria o investimento necessário para o executar.

  • Mining Pools

Contudo, é de assinalar que muitos dos mineradores se associam em mining pools. Estas, correspondem a redes que combinam o seu poder de processamento para conjuntamente confirmarem um bloco.

As recompensas são posteriormente distribuídas em função do peso da contribuição de cada participante na pool. Assim, este processo pode tender a uma certa centralização da rede.

Criptomoedas que usam PoW

Para além da Bitcoin, outros projetos surgiram aplicando o mesmo mecanismo de consenso, ainda que com nuances próprias. Entre estes, destacam-se:

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Mecanismos de Consenso: O que é o Proof of Stake (PoS)?

Como alternativa ao PoW, foi criado em 2011 um mecanismo apelidado de Proof of Stake (PoS), traduzido como “prova de participação”. Portanto, trata-se de um processo que recompensa os participantes na rede pelo número de tokens que possuem e dedicam a este fim.

Foi implementado pela primeira vez na Peercoin mas vários projetos se seguiram com a sua própria versão de PoS.

A principal motivação para a sua criação foi a possibilidade de contornar o avultado consumo energético que o PoW competitivo implica.

Como funciona o PoS?

Ao contrário dos mineradores que competem entre si, no mecanismo de PoS ocorre um processo pseudo-aleatório de eleição para determinar quem será o próximo a validar um bloco.

Os agentes responsáveis pela validação de novos blocos são chamados de validadores. Assim, para ser elegível é necessário reter um número de tokens na rede. Portanto, quanto maior o investimento, maior a probabilidade de ser eleito para a validação de um bloco.

Contudo, existem outros fatores com um papel importante no processo de seleção que variam de projeto para projeto sendo dois dos mais aplicados:

  • Coin Age que tem em conta o número de dias de retenção multiplicado pelo número de tokens, aumentando a probabilidade de ser escolhido, quanto maior for este valor;
  • Randomised block selection em que um validador é escolhido em função da razão entre o menor hash value e o maior stake entre os possíveis candidatos.

Quando um agente é eleito para forjar um bloco, este procede à validação das transações contidas no mesmo, assina o bloco e transmite-o para a rede.

Depois disto, segue-se um periodo de espera em que o validador se vê impossibilitado de assinar novos blocos durante um periodo definido de tempo, isto para assegurar uma maior igualdade de oportunidades entre todos os stakers.

As regras variam de projeto para projeto, cada um com uma proposta específica como se deve processar a validação e a distribuição de oportunidades entre os intervenientes.

Contudo, o importante a reter é que, embora este mecanismo implique muitas vezes que o utilizador precise de um investimento inicial que pode ser avultado e um computador dedicado ao efeito com um software específico, o consumo energético é reduzido, e existe uma tendência para a distribuição de oportunidades na validação e respetiva recompensa.

E se existir um agente malicioso?

Tal como o PoW, o PoS não está isento de fragilidades. Em primeiro lugar, existe também a possibilidade de um ataque de 51%, em que um validador, concentrando em si 51% do total de tokens, pode decidir aprovar situações de duplo gasto. Contudo, estaria a prejudicar a credibilidade da própria rede na qual fez o investimento.

Mecanismos de Consenso: Hacking PoW vs PoS
Hacking: Proof-of-Work vs Proof-of-Stake
Fonte: Blockgeeks

Por outro lado, versões do PoS, como o protocolo Casper da Ethereum, prevêem uma punição para aqueles agentes que aprovem transações fraudulentas, perdendo um perscentagem do seu stake.

Criptomoedas que usam PoS

Apesar da Peercoin ser a primeira rede a utilizar este mecanismo, outros projetos surgiram com as suas versões de um protocolo PoS.

Assim, projetos como EOS, Tron e Lisk criaram as suas versões de um Delegated Proof of Stake, em que os stakers, delegam a sua capacidade de validação de blocos a um número limitado de agentes, obtendo em contrapartida uma parte das recompensas.

Já no caso da Dash ou PivX, os candidatos a validadores podem configurar servidores, chamados de Masternodes, e reter um número mínimo predeterminado de tokens com vista a obterem as recompensas pelo validação de blocos.

É de salientar a transição futura que a Ethereum procurará fazer de PoW para PoS.

  • Peercoin
  • Ethereum (futuramente: Casper protocol)
  • EOS (dPoS)
  • Lisk (dpoS)
  • Dash (Masternode)
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Mecanismos de Consenso: qual a melhor opção?

Aqui a resposta não é consensual. Assim, cada mecanismo conceptualizou uma diferente solução para o problema do consenso numa rede descentralizada, e diversos projetos concretizaram aplicações diferentes desses mesmos conceitos.

PoWPoS
ParticipantesMineradoresValidadores
PrincípioCompetiçãoEleição pseudo-aleatória
ProcessoMineraçãoForja ou cunhagem
RecompensaCriação de novos tokensTaxas de transação
Requisitos
de particiação
Poder computacionalRetenção de tokens
Investimento inicialHardware de mineração
(ASIC ou GPU)
Aquisição de tokens
(pode existir limite mínimo)
Custos
operacionais
Energia elétricaReduzidos ou nulos.
O investimento é inicial.
Principais diferenças entre PoW e PoS

Fica claro que um dos principais problemas em relação ao mecanismo de PoW, é o seu consumo excessivo de energia. Na atualidade a mineração da Bitcoin consome anualmente tanta energia quanto o Chile e a sua pegada carbónica é igual à da Nova Zelândia.

Para além disto, tanto o PoW quanto o PoS acabam por ser ameaçados, ainda que de forma diferente, pelo mesmo problema – possíveis hacks à rede.

Talvez a questão fundamental não seja “Proof fo Work vs Proof of Stake”. Mas antes a forma como as comunidades de participantes se organizam entre si, em função das regras e limitações impostas por um determinado mecanismo de consenso, assegurando uma rede segura e descentralizada.

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Sobre o Autor:
Produtor de Conteúdos - Jornal da Moeda

Estudante de Engenharia Informática no Instituto Politécnico de Viana do Castelo e licenciado em Antropologia pela Universidade de Coimbra em 2012, de onde herdou a curiosidade pela escrita e o hábito de desconstruir crenças e práticas culturais e sociais.
Foi introduzido ao universo das criptomoedas em 2017 ao qual ficou imediatamente rendido. Foi ainda tradutor no projeto DaVinci/Utopian na plataforma Steem até 2019.

Citação:
"A desmistificação das criptomoedas é acima de tudo um meio para a educação financeira, questionando as próprias convenções sobre a natureza do dinheiro."

Sobre o Autor:
Produtora de Conteúdos - Jornal da Moeda

Começou o seu percurso como atleta de alta competição. Em 2015 foi eleita vereadora no projeto "Jovem Autarca" de Santa Maria da Feira e desde então que se mantém presente nas iniciativas municipais.

Atualmente exerce como Auditora Interna no Banco BAI.

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