Wat is proof of activity en hoe werkt dit consensusmechanisme?

Wat is proof of activity?

Proof of Activity is een hybride consensusmechanisme voor crypto waarin proof of work en proof of stake samen bepalen of een nieuw blok wordt afgerond. Simpel gezegd: miners starten het proces met rekenkracht, waarna geselecteerde coinholders helpen om het blok goed te keuren.

Het oorspronkelijke ontwerp verscheen in 2014 en is bedacht door Iddo Bentov, Charles Lee, Alex Mizrahi en Meni Rosenfeld. Het idee is dat je niet volledig leunt op één groep. Mining levert eerst een moeilijk te vervalsen uitkomst op. Die uitkomst kiest daarna op een willekeurige manier welke stakers mee mogen doen.

Een miner vindt daarbij eerst een blokheader. Dat is een klein stukje informatie dat onder meer naar het vorige blok verwijst. Je kunt het zien als het beginbewijs voor een nieuw blok. Op basis van die header kiest het systeem houders van coins die het blok moeten ondertekenen.

Belangrijk om te weten: Proof of Activity wordt vaak afgekort als PoA, maar dat geldt ook voor Proof of Authority. Dat laatste is een heel ander consensusmechanisme, waarbij vooraf bekende partijen blokken valideren.

Korte samenvatting

• Proof of Activity combineert proof of work met proof of stake.
• Miners starten de blokproductie met rekenkracht.
• Daarna worden coinholders geselecteerd om het blok te ondertekenen.
• De selectie van stakers hangt in het oorspronkelijke ontwerp af van de gevonden blokheader.
• Proof of Activity is iets anders dan Proof of Authority, ondanks dezelfde afkorting PoA.

Hoe werkt proof of activity?

In het oorspronkelijke voorstel begint Proof of Activity met mining. Miners proberen met proof of work een geldige, vrijwel lege blokheader te vinden. Daarvoor moeten zij heel veel hashes berekenen totdat er eentje voldoet aan de moeilijkheidsgraad van het netwerk.

Daarna volgt de stakingfase. De gevonden header wijst met een methode genaamd follow-the-satoshi een aantal pseudowillekeurige stakeholders aan. Pseudowillekeurig betekent hier: de uitkomst lijkt willekeurig, maar volgt wel vaste regels die iedereen kan controleren.

De kans dat iemand wordt gekozen hangt af van het aantal coins dat die persoon bezit. Wie meer coins heeft, heeft dus vaker kans om geselecteerd te worden. De eerste geselecteerde stakeholders ondertekenen de header. De laatste geselecteerde deelnemer verzamelt de transacties, maakt het complete blok en zendt het uit naar het netwerk.

Dat complete blok heet in het oorspronkelijke voorstel een wrapped block. Het is eigenlijk de lege header van de miner, aangevuld met transacties en de benodigde handtekeningen van stakers.

Voorbeeld: Stel dat een miner een geldige header vindt en het protocol vier stakeholders kiest. Drie van hen ondertekenen de header. De vierde voegt transacties toe, zet alles in een volledig blok en ondertekent het ook. Pas dan kan het blok worden uitgezonden.

Nodes controleren vervolgens of alles aan de regels voldoet. Voor de keuze tussen verschillende versies van de blockchain volgt het oorspronkelijke ontwerp de chain met de meeste opgetelde PoW-moeilijkheid, net als Bitcoin.

Zijn geselecteerde stakeholders offline? Dan kan die header mogelijk niet worden afgemaakt. Andere miners kunnen dan nieuwe headers vinden, waardoor het systeem weer andere stakeholders selecteert. Hoeveel handtekeningen precies nodig zijn en hoe beloningen worden verdeeld, verschilt per protocol.

Welke rol spelen mining en staking in Proof of Activity?

Mining en staking hebben in Proof of Activity ieder een eigen taak. Mining verzorgt de PoW-fase: miners gebruiken rekenkracht om een geldige header of een kandidaatblok te vinden. Staking verzorgt daarna de PoS-fase: geselecteerde coinholders controleren en ondertekenen de uitkomst.

Daardoor gebruikt het ontwerp twee soorten economische middelen voor beveiliging:

• Hashrate: de totale rekenkracht die miners inzetten.
• Stake: coins die bepalen hoe groot de kans is dat je wordt geselecteerd.

Het idee daarachter is vrij logisch. Iemand die alleen veel miningapparatuur beheerst, kan in dit ontwerp niet zelfstandig ieder blok afronden. Daarvoor is ook deelname van geselecteerde stakers nodig. Andersom kunnen stakers niet zonder de miningfase een nieuw blok starten.

De precieze regels verschillen wel sterk per blockchain. Decred is een bekend voorbeeld van een hybride PoW/PoS-systeem dat is geïnspireerd door Proof of Activity, maar technisch niet exact hetzelfde werkt als het oorspronkelijke voorstel.

Bij Decred maken PoW-miners blokken. Vervolgens stemmen vijf willekeurig gekozen stakingtickets on-chain over die blokken. Minimaal drie stemmen zijn nodig. Voor zo'n ticket wordt DCR tijdelijk vastgezet. Stemt het ticket succesvol mee, dan krijgt de bezitter de ingezette DCR terug plus een PoS-beloning. Is het ticket niet beschikbaar wanneer het wordt opgeroepen, dan mist het de stem en ook de beloning.

Staking betekent dus niet automatisch dat iedere holder altijd valideert. Je moet geselecteerd worden, en in sommige ontwerpen ook online zijn op het juiste moment.

Wat is het verschil tussen proof of activity en proof of work?

Het grote verschil is dat pure proof of work alleen op rekenkracht leunt, terwijl Proof of Activity na mining ook geselecteerde stakers nodig heeft om een blok af te ronden.

Bij pure PoW concurreren miners met elkaar om een nieuw blok te vinden. De miner met een geldig resultaat mag het blok toevoegen. In het oorspronkelijke Proof of Activity-ontwerp doet mining nog steeds dat eerste werk, maar daarna komt er een extra controlelaag bij van coinholders.

Proof of Activity maakt mining dus niet overbodig. Miners moeten nog altijd hardware gebruiken en hashes berekenen. De energie- en hardwarekosten van PoW verdwijnen daardoor niet.

Wel is het de bedoeling dat een aanvaller niet alleen rekening moet houden met hashrate, maar ook met de stake van geselecteerde deelnemers. Hoeveel extra bescherming dat echt geeft, hangt af van de verdeling van hashrate en coins, hoeveel stakers online zijn en welke regels het protocol gebruikt.

Het oorspronkelijke ontwerp had als doel om mogelijk minder PoW-beveiliging nodig te hebben dan bij een volledig PoW-systeem. Daardoor zou het energiegebruik lager kunnen uitvallen. Dat is geen automatische uitkomst: een hybride ontwerp blijft afhankelijk van mining en kan dus nog steeds veel resources gebruiken.

Wat is het verschil tussen proof of activity en proof of stake?

Bij pure proof of stake zijn validators via stake verantwoordelijk voor de blokproductie, terwijl Proof of Activity eerst een miner nodig heeft om het proces te starten.

In een PoS-systeem zetten validators coins vast als waarborg en worden zij volgens de regels van dat netwerk geselecteerd om blokken te maken of te controleren. Voor ieder blok is geen PoW-miningfase nodig.

Bij Proof of Activity gaat het andersom in twee stappen. Eerst vindt een miner met rekenkracht een geldige header. Die header bepaalt vervolgens welke stakeholders het blok ondertekenen en afronden. Proof of Activity combineert dus miningkosten met deelname op basis van stake.

Proof of stake is trouwens geen vast recept. Ethereum gebruikt bijvoorbeeld Gasper. Validators zetten daar ETH vast, stemmen over blokken en kunnen bij bepaalde kwaadwillige acties een deel van hun inzet verliezen. Dat heet slashing.

Decred is ook geen pure PoS-blockchain. Daar maken miners de blokken en stemmen geselecteerde tickets erover. Die combinatie is precies waarom je Decred beter kunt zien als een hybride PoW/PoS-ontwerp.

Wat zijn de voordelen van proof of activity?

Een voordeel van Proof of Activity is dat de controle over blokproductie verdeeld kan worden over miners én stakeholders. Het netwerk leunt daardoor niet uitsluitend op partijen met veel rekenkracht en ook niet alleen op grote stakers.

In het oorspronkelijke ontwerp moet iemand die een alternatieve chain wil maken niet alleen kunnen minen. Die persoon moet ook genoeg invloed hebben op de geselecteerde stake, of geselecteerde deelnemers zover krijgen om mee te werken. Onder de aannames van het ontwerp kan dat een aanval duurder en lastiger maken.

De stake-fase kan ook prikkels geven aan coinholders om online nodes beschikbaar te houden. Miners hebben doorgaans kosten voor apparatuur en energie. Stakers hebben volgens het oorspronkelijke model lagere operationele kosten, waardoor de verhouding tussen beveiliging en beloningen mogelijk gunstiger kan worden.

Een hybride systeem kan daarnaast extra functies koppelen aan staking. Decred laat dat zien: geselecteerde tickets valideren niet alleen door miners gemaakte blokken, maar kunnen ook stemmen over vooraf ingestelde wijzigingen van de consensusregels.

Bij Decred kunnen ticketstemmen bovendien invloed hebben op de beloning van miners. Wijst een meerderheid van de geselecteerde tickets het vorige blok af, dan kan de miner daarvan de beloning mislopen. Zo krijgen stakers binnen dat protocol een manier om problematisch mininggedrag, zoals lege blokken minen, af te remmen.

Dit zijn wel eigenschappen van een specifiek ontwerp of protocol. Het label Proof of Activity alleen zegt niet automatisch hoeveel energie een blockchain gebruikt of hoe moeilijk een aanval precies wordt.

Wat zijn de beperkingen en risico’s van proof of activity?

Proof of Activity neemt de nadelen van mining niet helemaal weg. Omdat de PoW-fase blijft bestaan, zijn er nog steeds energiekosten, hardwarekosten en druk richting grotere miners die meer resources kunnen betalen.

Ook stakeconcentratie blijft een punt. In het oorspronkelijke follow-the-satoshi-ontwerp hebben deelnemers met meer coins vaker kans om als ondertekenaar te worden gekozen. Daardoor kunnen zij vaker beloningen ontvangen en meer invloed krijgen.

Beschikbaarheid is een tweede praktisch risico. Als een geselecteerde staker offline is, kan die niet ondertekenen. In het oorspronkelijke ontwerp kan een header dan soms niet worden afgerond. In Decred leidt een offline ticket bij een oproep tot een gemiste stem zonder beloning. Of een blockchain daardoor vertraging oploopt, hangt af van het benodigde aantal stemmen en de fallbackregels.

De regels zijn ook ingewikkelder dan bij één los consensusmechanisme. Je hebt mining, selectie van stake, handtekeningen, beloningen en regels voor verschillende versies van de blockchain. Dat vraagt om zorgvuldige code, audits en heldere afspraken binnen het protocol.

Bij Decred kunnen gebruikers tickets delegeren aan Voting Service Providers, ook wel VSP's. Zo'n dienst kan in theorie anders stemmen dan de voorkeur van de ticketbezitter. Dat zou zichtbaar zijn en gebruikers kunnen overstappen naar een andere dienst, maar het blijft een risico rond delegatie en centralisatie.

Kort gezegd: een hybride model kan extra drempels toevoegen voor aanvallers, maar het houdt ook risico's van zowel mining als staking over.

Waar wordt proof of activity toegepast?

Decred is een werkende blockchain met een PoW/PoS-hybride model dat is geïnspireerd door Proof of Activity en een eerder ontwerp genaamd MC2. Het voert niet exact het oorspronkelijke Proof of Activity-protocol uit, maar het laat wel goed zien hoe mining en staking in één systeem kunnen samenwerken.

Sinds blok 4.096, dat op 21 februari 2016 werd gemined, verwerkt ieder Decred-blok stemmen van minimaal drie tickets. Die stemmen keuren de inhoud van het vorige blok goed. Miners maken dus blokken, maar hebben voor validatie de deelname van de ticketbezitters nodig.

Het verschil met het oorspronkelijke voorstel zit vooral in de selectie. Decred werkt met een pool van vooraf gekochte tickets die eerst moeten rijpen. Het oorspronkelijke ontwerp selecteert stakeholders via follow-the-satoshi op basis van de header die een miner net heeft gevonden.

Naast Decred wordt Espers soms genoemd als toepassing van Proof of Activity. De actuele werking en de precieze aansluiting op het oorspronkelijke ontwerp zijn niet duidelijk. Daarom is het niet juist om te zeggen dat Proof of Activity vandaag de dag op grote schaal wordt gebruikt.

Conclusie

Proof of Activity is een hybride manier om consensus in crypto te regelen. Miners starten de blokproductie met proof of work, waarna geselecteerde stakers helpen om het blok te controleren en af te ronden.

Dat kan de macht over een blockchain meer verdelen dan bij alleen mining of alleen staking. Tegelijk blijft het systeem afhankelijk van miningapparatuur, beschikbare stakers en zorgvuldig gekozen regels. Decred laat zien hoe zo'n hybride aanpak in de praktijk kan werken, al verschilt het technisch van het oorspronkelijke Proof of Activity-voorstel.

Voor jou is vooral dit belangrijk: Proof of Activity is geen standaardmodel dat je overal tegenkomt, maar een interessant ontwerp waarin twee bekende manieren van consensus samenkomen.