Czym jest Nominated Proof of Stake i jak działa?

Czym jest Nominated Proof of Stake?

Nominated Proof of Stake, najczęściej skracane jako NPoS, to wariant Proof of Stake, w którym posiadacze tokenów nominują kandydatów na walidatorów, a protokół wybiera spośród nich aktywny zestaw walidatorów. Następnie ci aktywni walidatorzy wykonują zadania techniczne niezbędne do zabezpieczania blockchaina.

W modelu Proof of Stake uczestnicy blokują tokeny jako ekonomiczne zabezpieczenie. Takie zabezpieczenie nazywa się stake. NPoS dodaje do tego wyraźny podział ról: walidatorzy zarządzają infrastrukturą techniczną, a nominatorzy decydują, których kandydatów na walidatorów chcą wesprzeć swoim stake.

Nominator nie musi więc uruchamiać własnego węzła walidatora. Węzeł to komputer, który łączy się z siecią i wykonuje zasady blockchaina. Nominator blokuje tokeny i wskazuje, którzy kandydaci na walidatorów wydają się wiarygodni. Protokół wykorzystuje te preferencje podczas wyborów.

NPoS jest szczególnie znane z Polkadot i Kusama. W Polkadot NPoS nie stanowi całego mechanizmu konsensusu. Odpowiada za wybór i ekonomiczne zabezpieczenie zestawu walidatorów. Następnie walidatorzy produkują bloki przy użyciu BABE, a finalność zapewnia GRANDPA. Finalność oznacza, że blok został ostatecznie potwierdzony i nie zostanie już zastąpiony przez inną wersję blockchaina.

Najważniejsze informacje

• Nominated Proof of Stake to wariant Proof of Stake służący do wybierania walidatorów.
• Nominatorzy blokują tokeny i nominują kandydatów na walidatorów bez konieczności zarządzania własnym węzłem walidatora.
• Walidatorzy realizują techniczne zadania związane z konsensusem i bezpieczeństwem sieci.
• Protokół określa, którzy kandydaci stają się aktywni oraz jak rozdzielane jest wsparcie (backing).
• W Polkadot NPoS wybiera walidatorów, BABE produkuje bloki, a GRANDPA zapewnia finalność.

Jak działa Nominated Proof of Stake?

NPoS działa poprzez wykorzystanie preferencji nominatorów oraz zablokowanych przez nich tokenów do wyboru ograniczonej grupy aktywnych walidatorów. W Polkadot proces wygląda w przybliżeniu następująco.

1. Kandydat zgłasza się jako walidator

   Kandydat na walidatora rejestruje chęć uczestnictwa. Musi utrzymywać węzeł i być w stanie niezawodnie wykonywać zadania aktywnego walidatora.

2. Nominatorzy wybierają kandydatów

   Nominator blokuje tokeny i tworzy ograniczoną listę kandydatów na walidatorów. W ten sposób wskazuje, których kandydatów uznaje za odpowiednich.

3. Protokół przeprowadza wybory

   Protokół wybiera ograniczoną liczbę aktywnych walidatorów. Nie liczy się wyłącznie to, ile wsparcia (backing) ma dany kandydat. Wybory mają też na celu bardziej zrównoważone rozłożenie wsparcia w obrębie wybranego zestawu walidatorów oraz proporcjonalne uwzględnienie preferencji nominatorów.

4. Stake zostaje przydzielony

   Nominacja nie jest stałą dyspozycją, w której wszystkie tokeny automatycznie trafiają do jednego wybranego kandydata. Wynik wyborów określa, którym aktywnym walidatorom stake nominatora zostaje przydzielony w danym okresie. Część wskazanych przez nominatora kandydatów może więc zostać aktywna, a inni mogą nie zostać wybrani.

5. Aktywny zestaw wykonuje role sieciowe

   W Polkadot aktywny zestaw walidatorów jest odnawiany co erę. Era trwa tam około 24 godziny. Dzięki temu skład aktywnych walidatorów może zmieniać się z ery na erę.

Wybory wykorzystują metody z teorii wyboru pokrewne algorytmowi Phragmén. Celem nie jest po prostu wybranie kandydatów z największym „surowym” wsparciem. Protokół stara się wykorzystać możliwie dużo stake, zapewnić wybranym walidatorom wystarczające wsparcie oraz zmniejszyć duże różnice między poziomami tego wsparcia.

Obliczenie takiego rozbudowanego podziału odbywa się poza blockchainem, a następnie jest składane on-chain i weryfikowane. Dzięki temu blockchain nie musi wykonywać wszystkich ciężkich obliczeń przy każdej zmianie ery.

Przykład: Załóżmy, że nominator nominuje trzech kandydatów na walidatorów. Jeśli dwóch z nich zostanie wybranych, protokół może przydzielić zablokowane tokeny tego nominatora do tych dwóch aktywnych walidatorów. Nominator nie musi ręcznie ustalać tego podziału.

Jaką rolę pełnią nominatorzy i walidatorzy?

Nominatorzy, korzystając ze swojego stake, wybierają kandydatów na walidatorów, natomiast walidatorzy wykonują zadania techniczne niezbędne do działania blockchaina. Obie role są istotne, ale zakres odpowiedzialności wyraźnie się różni.

Walidator uruchamia węzeł i uczestniczy w konsensusie. Konsensus to proces, w którym uczestnicy blockchaina wspólnie ustalają, które bloki i transakcje są prawidłowe. W Polkadot walidatorzy między innymi produkują bloki, walidują bloki parachainów i uczestniczą w zapewnianiu finalności.

Nominator zwykle nie zarządza węzłem walidatora. Zamiast tego blokuje tokeny i wybiera kandydatów uznawanych za wiarygodnych. Wybór ten wpływa na to, czy kandydaci otrzymają wystarczające wsparcie (backing), aby stać się aktywnymi.

Nominowanie nie jest całkowicie pasywną formą stakingu. Nominator powinien na bieżąco oceniać kandydatów na walidatorów. Istotne kwestie obejmują między innymi:

• wydajność walidatora;
• poziom prowizji;
• własny stake walidatora;
• wcześniejsze slashe;
• prawdopodobieństwo, że walidator stanie się aktywny;
• możliwe powiązania techniczne lub ekonomiczne między walidatorami.

Slash to sankcja, w której protokół może odebrać część stake po kwalifikującym się naruszeniu. Walidatorzy ponoszą ryzyko operacyjne, na przykład w razie awarii, błędnej konfiguracji lub podwójnego podpisania. Walidator zarządza infrastrukturą węzła oraz kluczami. Nominator ponosi przede wszystkim ryzyko selekcji i alokacji: błędny wybór lub nieaktywna nominacja może oznaczać brak nagrody.

Nominator otrzymuje nagrody ze stakingu tylko wtedy, gdy stake rzeczywiście zostanie przypisany do aktywnego walidatora wypłacającego nagrody. Samo zablokowanie tokenów lub wskazanie kandydatów nie wystarcza.

Jak dzielone są nagrody w Nominated Proof of Stake?

W Polkadot nagrody są najpierw ustalane dla każdego aktywnego walidatora, a następnie dzielone między walidatora i aktywnych nominatorów stojących za tym walidatorem. Nagroda nie zależy wyłącznie od wielkości wsparcia (backing) walidatora.

Aktywni walidatorzy co do zasady otrzymują zbliżoną nagrodę brutto w ramach zestawu walidatorów. Dokładna kwota może różnić się w zależności od ery ze względu na era points. Era points to punkty, które walidatorzy zdobywają za wykonane zadania, takie jak produkcja bloków relay chain oraz wystawianie deklaracji ważności dla bloków parachainów.

Następnie podział przebiega w dwóch krokach:

1. Prowizja najpierw trafia do walidatora

   Walidator ustala procent prowizji. Procent ten jest najpierw odejmowany od nagrody brutto. Wyższa prowizja oznacza więc, że dla pozostałych uczestników stojących za tym walidatorem zostaje mniej nagrody.

2. Pozostała kwota jest dzielona proporcjonalnie

   To, co pozostaje po potrąceniu prowizji, jest dzielone pro rata. Oznacza to, że każdy uczestnik otrzymuje część odpowiadającą jego lub jej udziałowi w stake stojącym za tym walidatorem. Sam walidator również uczestniczy w podziale na podstawie własnego aktywnego stake.

Walidator nie sprawuje custody nad nagrodami nominatorów. Custody oznacza kontrolę nad czyjąś kryptowalutą. Blockchain tworzy (mintuje) i rozdziela nagrody bezpośrednio do uprawnionych, gdy wykonywana jest wypłata (payout).

Napiwki transakcyjne są niezależne od tych nagród stakingowych. W Polkadot takie napiwki w całości trafiają do walidatora, który je otrzymuje.

Przykład: Aktywny walidator otrzymuje nagrodę brutto. Najpierw wydzielana jest ustawiona prowizja dla walidatora. Pozostała część jest dzielona między walidatora i aktywnych nominatorów, na podstawie udziału każdego z nich w stake stojącym za tym walidatorem.

Jakie są zalety Nominated Proof of Stake?

NPoS umożliwia posiadaczom tokenów udział w ekonomicznym zabezpieczaniu blockchaina bez konieczności uruchamiania własnego węzła walidatora. Obniża to techniczną barierę wejścia dla stakingu.

Najważniejsze korzyści to:

• Bardziej dostępny udział: Nominatorzy mogą blokować tokeny i wybierać kandydatów bez zarządzania sprzętem, łącznością i kluczami wymaganymi do prowadzenia węzła walidatora.
• Dywersyfikacja preferencji: Nominator może nominować wielu kandydatów. Dzięki temu nie jest całkowicie zależny od jednego kandydata, który może nie stać się aktywny.
• Bardziej zrównoważone wsparcie (backing): Metody wyborcze zaprojektowano tak, aby lepiej rozkładać wsparcie w obrębie wybranego zestawu walidatorów. Może to ograniczać sytuacje, w których całe wsparcie samoistnie płynie do niewielkiej grupy popularnych walidatorów.
• Proporcjonalna reprezentacja: Wybory starają się proporcjonalnie uwzględniać preferencje nominatorów przy wyborze wielu walidatorów.
• Wspólne interesy ekonomiczne: Walidatorzy i nominatorzy są zainteresowani tym, aby wybrany zestaw walidatorów działał poprawnie. Dobre wyniki mogą przynosić nagrody, natomiast kwalifikujące się nadużycia mogą mieć konsekwencje.

W Polkadot struktura nagród dodatkowo sprawia, że walidator nie otrzymuje automatycznie wyższej nagrody brutto tylko dlatego, że ma znacznie większe wsparcie. Taki projekt ogranicza atrakcyjność koncentrowania całego stake na niewielkiej liczbie walidatorów.

Te zalety są celami projektowymi, a nie gwarancją. Także sieć NPoS może w praktyce podlegać ryzyku koncentracji, na przykład gdy różni walidatorzy są zarządzani przez tę samą stronę lub tego samego dostawcę usług infrastrukturalnych.

Jakie ryzyka i ograniczenia ma Nominated Proof of Stake?

NPoS obniża techniczną barierę wejścia dla stakingu, ale nie eliminuje ryzyk. Nominatorzy nadal odpowiadają za swoje wybory oraz za przestrzeganie zasad sieci.

Pierwszym ryzykiem jest to, że nominator nie otrzyma nagród. Może się tak zdarzyć, gdy żaden z wybranych kandydatów nie stanie się aktywny albo gdy stake nominatora nie zostanie przydzielony do aktywnego walidatora. W Polkadot nominatorzy są priorytetyzowani do wejścia wyborczego na podstawie zablokowanego stake. Minimum active bond jest dynamiczne. W efekcie tokeny mogą być zablokowane, ale mniejszy nominator może nie stać się aktywny ani nie otrzymywać nagród.

Ponadto system jest technicznie złożony. Wybory muszą przetworzyć dużą liczbę nominatorów i kandydatów na walidatorów. Dlatego nie wszyscy nominatorzy muszą zostać uwzględnieni w wejściu wyborczym. Obliczenia odbywają się poza blockchainem, a następnie muszą dać się zweryfikować w ramach zasad blockchaina.

Istotne pozostaje również ryzyko po stronie walidatora. Walidator może ulec awarii, być źle skonfigurowany lub naruszyć zasady konsensusu. Przykłady poważnych nadużyć to equivocation, w którym walidator podpisuje sprzeczne komunikaty, oraz oddawanie nieprawidłowych głosów. Protokół może wówczas wyłączyć walidatora lub zastosować slash.

Dodatkowo prowizje i wyniki mogą się zmieniać. Niska prowizja nie gwarantuje niezawodnego działania, a rozpoznawalna tożsamość walidatora również nie zapewnia dobrego rezultatu. Dlatego nominatorzy powinni regularnie ponownie oceniać swoje wybory.

Wiele nominacji nie zapewnia też pełnej ochrony przed ryzykami skorelowanymi. Załóżmy, że różni wybrani walidatorzy są technicznie obsługiwani przez tego samego operatora. W razie awarii wszyscy mogą przestać działać jednocześnie. To samo dotyczy sytuacji, gdy wielu walidatorów jest powiązanych ekonomicznie lub organizacyjnie z tą samą stroną.

Wreszcie NPoS nie chroni przed wszystkimi ryzykami związanymi z kryptowalutami. Cena rynkowa stakowanego tokena może spaść. Utrata dostępu do private keys, problemy z crypto wallet oraz podatności w smart contracts poza protokołem stakingowym również nie są objęte ochroną NPoS.

Jaka jest różnica między Nominated Proof of Stake a innymi mechanizmami konsensusu?

NPoS różni się od innych mechanizmów konsensusu tym, że jest przede wszystkim systemem selekcji walidatorów i ekonomicznego zabezpieczenia, a nie pełnym opisem wszystkich etapów konsensusu. Aby poprawnie przeprowadzić porównanie, warto rozróżnić dwie warstwy.

Pierwsza warstwa określa, kto może być walidatorem oraz jaki stake stoi za danym walidatorem. NPoS działa na tej warstwie. Druga warstwa określa, jak produkowane są bloki, który łańcuch jest wybierany, gdy istnieje wiele bloków, oraz kiedy bloki stają się ostateczne. Są to: produkcja bloków, fork choice i finalność.

Protokół może łączyć NPoS z innymi algorytmami dla tej drugiej warstwy. W Polkadot NPoS wybiera zestaw walidatorów, BABE produkuje bloki, a GRANDPA zapewnia finalność. Dlatego NPoS nie da się porównać jeden do jednego z pełnym „stosem konsensusu”, który obejmuje wszystkie zadania samodzielnie.

Jaka jest różnica w porównaniu z Proof of Stake?

NPoS to specyficzna forma Proof of Stake, natomiast Proof of Stake to szeroka kategoria. W ramach PoS ekonomiczny stake pomaga w selekcji walidatorów lub w ich udziale w sieci. Konkretna implementacja znacząco różni się między blockchainami.

W prostym, bezpośrednim modelu PoS stake może bezpośrednio wpływać na to, którzy walidatorzy uczestniczą. NPoS dodaje wyraźną rolę nominatora. Nominatorzy tworzą listę wiarygodnych kandydatów, a następnie algorytm wyborczy wyznacza zarówno aktywnych walidatorów, jak i podział wsparcia (backing).

Celem nie jest więc wyłącznie wybranie kandydatów z największym „surowym” wsparciem. NPoS stara się także zrównoważyć wsparcie w obrębie wybranego zestawu oraz proporcjonalnie reprezentować preferencje nominatorów.

W Polkadot stake wpływa głównie przed technicznymi rolami konsensusu, podczas wyborów NPoS. Po wybraniu walidatorów są oni traktowani w zestawach authority dla BABE i GRANDPA z równą wagą. Większy stake nie daje więc wybranemu walidatorowi trwale większej siły głosu.

Jaka jest różnica w porównaniu z Delegated Proof of Stake?

NPoS i Delegated Proof of Stake, czyli DPoS, w obu przypadkach pozwalają posiadaczom tokenów wpływać na producentów bloków lub walidatorów, ale są to odmienne rozwiązania. Terminy te nie są wymienne.

W klasycznych systemach DPoS posiadacze tokenów zazwyczaj głosują na relatywnie małą grupę delegate’ów lub witnessów, którzy produkują bloki. Jest to reprezentatywny, ważony stake wybór producentów bloków.

W NPoS w Polkadot użytkownicy nominują wielu kandydatów na walidatorów. Następnie protokół przeprowadza proporcjonalne wybory wielozwycięskie. W ramach tego procesu oblicza również, jak wsparcie (backing) nominatorów rozkłada się pomiędzy wybranych walidatorów.

Kluczowa różnica polega na tym, że NPoS ma wyraźny cel: proporcjonalnie reprezentować preferencje nominatorów oraz zrównoważyć wsparcie w aktywnym zestawie walidatorów. Projekty DPoS koncentrują się przede wszystkim na wyborze delegate’ów lub witnessów. Dokładne zasady głosowania, selekcji i wynagradzania różnią się w zależności od blockchaina DPoS.

Nominator w NPoS nie przekazuje automatycznie kontroli nad własnymi tokenami walidatorowi. Nominator wskazuje preferencje co do kandydatów, a protokół dopiero później ustala, jaka aktywna alokacja wynika z wyborów.

Podsumowanie

Nominated Proof of Stake to wariant Proof of Stake, który pozwala posiadaczom tokenów uczestniczyć poprzez nominacje w selekcji oraz ekonomicznym zabezpieczeniu walidatorów. Nominatorzy nie muszą uruchamiać węzła, ale powinni uważnie oceniać, których kandydatów na walidatorów nominują.

Sednem NPoS są wybory: protokół wybiera aktywny zestaw walidatorów i rozdziela wsparcie (backing) nominatorów w obrębie tego zestawu. Taki projekt ma na celu ułatwienie udziału i bardziej zrównoważony podział wsparcia niż w sytuacji, gdy dominowaliby wyłącznie najwięksi kandydaci.

Wiąże się to jednak z jasno określonymi obowiązkami i ryzykami. Nominator otrzymuje nagrody tylko przy aktywnym przydziale, prowizje i wyniki mogą się zmieniać, a powiązani walidatorzy mogą generować wspólne ryzyka. Dlatego NPoS nie jest pasywnym sposobem „zamrożenia” kryptowalut, lecz modelem, w którym właściwy dobór walidatorów i regularna kontrola pozostają kluczowe.