โปรโตคอล Proof-of-stake ( PoS ) เป็น กลไกฉันทามติประเภทหนึ่งสำหรับบล็อกเชนที่ทำงานโดยการเลือกผู้ตรวจสอบความถูกต้องตามสัดส่วนของปริมาณการถือครองในสกุลเงินดิจิทัล ที่เกี่ยวข้อง วิธีนี้ทำเพื่อหลีกเลี่ยงต้นทุนการคำนวณของ แผนการ Proof-of-work (PoW) การใช้งาน PoS ครั้งแรกที่ใช้งานได้จริงสำหรับสกุลเงินดิจิทัลคือPeercoinในปี 2012 แม้ว่าแผนการของมันบนพื้นผิวยังคงคล้ายกับ PoW ก็ตาม^{[ 1 ]}

เพื่อให้ธุรกรรมในบล็อกเชนได้รับการยอมรับ ธุรกรรมนั้นจะต้องถูกเพิ่มเข้าไปในบล็อกเชน ในบล็อกเชนแบบพิสูจน์การถือครอง (Proof-of-Stake) หน่วยงานที่เพิ่มธุรกรรมเข้าไปจะถูกเรียกว่าผู้สร้าง (minters)หรือ ผู้มีส่วนได้ส่วนเสีย (Proof-of-Stake)ผู้ตรวจสอบ (ในแบบพิสูจน์การทำงานงานนี้ดำเนินการโดยผู้ขุด) ^{[ 2 ]}ในโปรโตคอลส่วนใหญ่ ผู้ตรวจสอบจะได้รับรางวัลสำหรับการทำเช่นนั้น ^{[ 3 ]}เพื่อให้บล็อกเชนมีความปลอดภัย ต้องมีกลไกในการป้องกันผู้ใช้หรือกลุ่มที่เป็นอันตรายจากการเข้าควบคุมการตรวจสอบส่วนใหญ่ PoS บรรลุเป้าหมายนี้โดยการกำหนดให้ผู้ตรวจสอบต้องมีโทเค็นบล็อกเชนจำนวนหนึ่ง ซึ่งกำหนดให้ผู้โจมตีที่มีศักยภาพต้องได้รับโทเค็นจำนวนมากบนบล็อกเชนเพื่อทำการโจมตี ^{[ 4 ]}

Proof-of-work (PoW) ซึ่งเป็นกลไกฉันทามติที่ใช้กันทั่วไปอีกแบบหนึ่ง ใช้การตรวจสอบความสามารถในการคำนวณเพื่อยืนยันธุรกรรม โดยกำหนดให้ผู้โจมตีที่มีศักยภาพต้องได้รับพลังการคำนวณจำนวนมากจากเครือข่ายผู้ตรวจสอบ^{[ 4 ]}ซึ่งกระตุ้นให้มีการใช้พลังงานจำนวนมหาศาล PoS มีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่า^{[ 5 ]}

Riposo และ Gupta ^{[ 6 ]}แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ PoS อย่างเป็นทางการสามารถหาค่าเมตริกสำหรับผลกำไรที่คาดหวังของนักวางเดิมพันได้ พวกเขาแนะนำแบบจำลองวิธีไปข้างหน้าซึ่งคำนวณรางวัลการวางเดิมพันเป็นผลตอบแทนการวางเดิมพันต่อช่วงเวลาการตรวจสอบบล็อก และพิสูจน์ว่าดอกเบี้ยที่ได้นั้นเท่ากับอัตราส่วนของผลกำไรจากการวางเดิมพันเฉลี่ยต่อเหรียญที่วางเดิมพันทั้งหมด แบบจำลองนี้รวมปัจจัยเฉพาะของ PoS เช่น การลงโทษ (บทลงโทษสำหรับพฤติกรรมที่ไม่เหมาะสม) และมูลค่าที่ดึงได้สูงสุด (MEV) โดยแสดงให้เห็นว่าการลงโทษจะลดรางวัลที่คาดหวัง และ MEV เชื่อมโยงการดึงค่าธรรมเนียมการทำธุรกรรมกับผลกำไรจากการวางเดิมพันเฉลี่ย นอกจากนี้ ผู้เขียนยังได้แสดงให้เห็นแบบจำลองโดยใช้Ethereum 2.0และนำเสนอการอนุมานที่คล้ายกันสำหรับฉันทามติ PoW

การใช้งาน PoS ในช่วงแรกประสบปัญหาจากการโจมตีรูปแบบใหม่หลายครั้งที่ใช้ประโยชน์จากช่องโหว่เฉพาะของโปรโตคอล PoS ในที่สุด รูปแบบการออกแบบที่โดดเด่นสองแบบก็เกิดขึ้น ได้แก่ แนวทาง ที่อิงกับการทนต่อความผิดพลาดแบบไบแซนไทน์และแนวทางที่อิงกับห่วงโซ่^{[ 7 ]} Bashir ระบุPoS เพิ่มอีกสามประเภท : ^{[ 8 ]}

• ระบบ PoS ที่ใช้คณะกรรมการ (หรือเรียกอีกอย่างว่าPoS ​​ที่ได้รับการเสนอชื่อ , NPoS);
• การพิสูจน์การถือครองแบบมอบหมาย (DPoS);
• ระบบพิสูจน์การถือครองสินทรัพย์แบบสภาพคล่อง (LPoS)

ช่องโหว่เพิ่มเติมของแผนการ PoS เกี่ยวข้องโดยตรงกับข้อได้เปรียบของมัน นั่นคือจำนวนการคำนวณที่ค่อนข้างน้อยที่จำเป็นเมื่อสร้างบล็อกเชน^{[ 9 ]}

ปริมาณพลังการประมวลผลที่ต่ำทำให้เกิดการโจมตีประเภทหนึ่งที่แทนที่ส่วนสำคัญของบล็อกเชนหลักด้วยเวอร์ชันที่ถูกยึดครอง การโจมตีเหล่านี้ถูกเรียกในเอกสารด้วยชื่อต่างๆ เช่นLong-Range , Alternative History , Alternate HistoryและHistory Revisionซึ่งเป็นไปไม่ได้ในระบบ PoW เนื่องจากปริมาณการคำนวณที่จำเป็นมีจำนวนมาก^{[ 10 ]}บล็อกเชนในระยะเริ่มต้นมีความยืดหยุ่นต่อการเขียนใหม่มากกว่า เนื่องจากมีแนวโน้มที่จะมีกลุ่มผู้มีส่วนได้ส่วนเสียที่เกี่ยวข้องน้อยกว่า ทำให้การสมรู้ร่วมคิดง่ายขึ้น หากมีการเสนอรางวัลต่อบล็อกและต่อธุรกรรม กลุ่มผู้ประสงค์ร้ายสามารถทำประวัติทั้งหมดใหม่และรวบรวมรางวัลเหล่านี้ได้^{[ 11 ]}

การโจมตีแบบ "ระยะสั้น" แบบคลาสสิก ( การโจมตีโดยการติดสินบน ) ที่เขียนใหม่เพียงส่วนหางเล็กๆ ของห่วงโซ่ก็เป็นไปได้เช่นกัน^{[ 10 ]}

เนื่องจากผู้ตรวจสอบความถูกต้องไม่จำเป็นต้องใช้พลังการประมวลผลจำนวนมาก (และเงิน) ในกระบวนการนี้ พวกเขาจึงมีแนวโน้มที่จะ ถูกโจมตีแบบ Nothing-at-Stake : การมีส่วนร่วมในการตรวจสอบความถูกต้องที่ประสบความสำเร็จจะเพิ่มรายได้ของผู้ตรวจสอบความถูกต้อง ดังนั้นจึงมีแรงจูงใจในตัวสำหรับผู้ตรวจสอบความถูกต้องที่จะยอมรับการแยกเชนทั้งหมดที่ส่งมาให้พวกเขา ซึ่งจะเพิ่มโอกาสในการได้รับค่าธรรมเนียมการตรวจสอบความถูกต้อง โครงการ PoS ช่วยให้สามารถสร้างทางเลือกของบล็อกเชนได้ในราคาประหยัดโดยเริ่มจากจุดใดก็ได้ในประวัติศาสตร์ ( การจำลองแบบไร้ต้นทุน ) การส่งการแยกเชนเหล่านี้ไปยังผู้ตรวจสอบความถูกต้องที่กระตือรือร้นจะทำให้เสถียรภาพของระบบตกอยู่ในอันตราย^{[ 9 ]}หากสถานการณ์นี้ยังคงอยู่ อาจทำให้เกิดการใช้จ่ายซ้ำซ้อนซึ่งโทเค็นดิจิทัลสามารถใช้จ่ายได้มากกว่าหนึ่งครั้ง^{[ 11 ]}ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการลงโทษผู้ตรวจสอบความถูกต้องที่ตรวจสอบความถูกต้องของเชนที่ขัดแย้งกัน^{[ 11 ]} (" ความแน่นอนทางเศรษฐกิจ " ^{[ 12 ]} ) หรือโดยการจัดโครงสร้างรางวัลเพื่อให้ไม่มีแรงจูงใจทางเศรษฐกิจในการสร้างความขัดแย้ง^{[ 3 ]} PoS ที่ใช้ การทนต่อความผิดพลาดแบบไบแซนไทน์โดยทั่วไปถือว่ามีความแข็งแกร่งต่อภัยคุกคามนี้ ( ดูด้านล่าง ) ^{[ 13 ]}

การโจมตีด้วยการติดสินบน ซึ่งผู้โจมตีใช้เงินเพื่อจูงใจผู้ตรวจสอบบางรายให้อนุมัติการแยกบล็อกเชนของตน จะได้รับการเสริมประสิทธิภาพใน PoS เนื่องจากการเขียนประวัติศาสตร์ส่วนใหญ่ใหม่ อาจทำให้ผู้มีส่วนได้ส่วนเสียที่เคยร่ำรวยซึ่งปัจจุบันไม่ได้ถือครองสินทรัพย์จำนวนมาก สามารถสมรู้ร่วมคิดเพื่ออ้างสิทธิ์ในเสียงข้างมากที่จำเป็นในอดีต และสร้างบล็อกเชนทางเลือกจากจุดนั้น ซึ่งเป็นการดำเนินการที่ทำได้โดยต้นทุนการคำนวณต่ำในการเพิ่มบล็อกในระบบ PoS ^{[ 11 ]}

นี่เป็นการดัดแปลงรูปแบบ PoW โดยพื้นฐานแล้ว การแข่งขันไม่ได้ขึ้นอยู่กับการใช้กำลังทั้งหมดเพื่อแก้ปริศนาที่เหมือนกันในเวลาที่น้อยที่สุด แต่ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงความยากของปริศนาตามเงินเดิมพันของผู้เข้าร่วม ปริศนาจะได้รับการแก้ไขหากเวลาครบหนึ่งติ๊ก (|| คือการต่อกัน):

${\displaystyle {\text{Hash}}({\text{ProposedNewBlock}}\mathbin {||} {\text{ClockTime}})<{\text{target}}\times {\text{StakeValue}}}$

ปริมาณการคำนวณที่น้อยลงซึ่งจำเป็นสำหรับการแก้ปริศนาสำหรับผู้มีส่วนได้ส่วนเสียที่มีมูลค่าสูงจะช่วยหลีกเลี่ยงฮาร์ดแวร์ที่มากเกินไป^{[ 14 ]}

หรือที่รู้จักกันในชื่อ "แบบคณะกรรมการ" แผนการนี้เกี่ยวข้องกับการเลือกตั้งคณะกรรมการของผู้ตรวจสอบความถูกต้องโดยใช้ฟังก์ชันสุ่มที่ตรวจสอบได้ โดยมีความน่าจะเป็นที่จะได้รับการเลือกตั้งสูงขึ้นเมื่อถือ ^ครองหุ้นมากขึ้น จากนั้นผู้ตรวจสอบความถูกต้องจะผลัดกันสร้างบล็อกแบบสุ่ม NPoS ถูกใช้โดยOuroboros PraosและBABE [ ^{15 ]}

โครงร่างของ "ยุค" BFT PoS (การเพิ่มบล็อกลงในห่วงโซ่) มีดังนี้: ^{[ 16 ]}

1. ผู้เสนอที่มี "บล็อกที่เสนอ" จะถูกเลือกแบบสุ่มโดยการเพิ่มเข้าไปในกลุ่มชั่วคราวที่ใช้ในการเลือกบล็อกที่ได้รับความเห็นชอบเพียงบล็อกเดียว
2. ผู้เข้าร่วมคนอื่นๆ ซึ่งเป็นผู้ตรวจสอบ จะได้รับกลุ่มข้อมูล ตรวจสอบความถูกต้อง และลงคะแนนเลือกกลุ่มข้อมูลหนึ่งกลุ่ม
3. ใช้ฉันทามติ BFT เพื่อสรุปบล็อกที่มีคะแนนโหวตสูงสุด

แผนการนี้จะได้ผลตราบใดที่ผู้ตรวจสอบความถูกต้องไม่ซื่อสัตย์เกินหนึ่งในสาม แผนการ BFT ถูกนำมาใช้ใน Tendermint และ Casper FFG ^{[ 16 ]}

ระบบการมอบหมายการพิสูจน์การถือครองใช้กระบวนการสองขั้นตอน: ขั้นแรก^{[ 17 ]}ผู้มีส่วนได้ส่วนเสียจะเลือกคณะกรรมการตรวจสอบ^{[ 18 ]}หรือ ที่เรียกว่า พยานโดยการลงคะแนนตามสัดส่วนการถือครองของตน จากนั้นพยานจะผลัดกันเสนอบล็อกใหม่แบบวนรอบ ซึ่งพยานจะลงคะแนนเสียงในบล็อกใหม่นั้น โดยปกติจะเป็นไปในลักษณะคล้าย BFT เนื่องจากมีผู้ตรวจสอบความถูกต้องใน DPoS น้อยกว่าในระบบ PoS อื่นๆ หลายระบบ จึงสามารถสร้างฉันทามติได้เร็วขึ้น ระบบนี้ถูกใช้ในหลายเชน รวมถึง EOS, Lisk และ Tron ^{[ 17 ]}

ใน Liquid PoS ใครก็ตามที่มีส่วนร่วมสามารถประกาศตนเองเป็นผู้ตรวจสอบความถูกต้องได้ แต่สำหรับผู้ถือรายย่อย การมอบสิทธิ์การลงคะแนนเสียงให้กับผู้เล่นรายใหญ่กว่าเพื่อแลกกับผลประโยชน์บางอย่าง (เช่น การจ่ายเงินเป็นระยะ) เป็นสิ่งที่สมเหตุสมผลกว่า มีการสร้างตลาดขึ้นซึ่งผู้ตรวจสอบความถูกต้องแข่งขันกันในเรื่องค่าธรรมเนียม ชื่อเสียง และปัจจัยอื่นๆ ผู้ถือโทเค็นสามารถเปลี่ยนการสนับสนุนไปยังผู้ตรวจสอบความถูกต้องรายอื่นได้ตลอดเวลา LPoS ถูกใช้^ใน Tezos [ ^{19 ]}

คำจำกัดความที่แน่นอนของ "ส่วนแบ่ง" จะแตกต่างกันไปตามการใช้งาน ตัวอย่างเช่น สกุลเงินดิจิทัลบางสกุลใช้แนวคิดของ "อายุเหรียญ" ซึ่งเป็นผลคูณของจำนวนโทเค็นกับระยะเวลาที่ผู้ใช้รายเดียวถือครองโทเค็นนั้น แทนที่จะใช้เพียงจำนวนโทเค็น เพื่อกำหนดส่วนแบ่งของผู้ตรวจสอบความถูกต้อง^{[ 4 ] [ 14 ]}

การใช้งานจริงครั้งแรกของสกุลเงินดิจิทัลแบบพิสูจน์การถือครอง (Proof-of-Stake) คือPeercoinซึ่งเปิดตัวในปี 2012 ^{[ 3 ]}สกุลเงินดิจิทัลอื่นๆ เช่น Blackcoin, Nxt , CardanoและAlgorandก็ตามมา^{[ 3 ]}อย่างไรก็ตาม ณ ปี 2017 สกุลเงินดิจิทัลแบบ PoS ยังไม่เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายเท่ากับสกุลเงินดิจิทัลแบบพิสูจน์การทำงาน (Proof-of-Work) ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

In September 2022, Ethereum, the second-largest cryptocurrency, switched from PoW to a PoS consensus mechanism,^[23] after several proposals^[24][25] and some delays.^[25][26]

Critics have argued that the proof of stake will likely lead cryptocurrency blockchains being more centralized in comparison to proof of work as the system favors users who have a large amount of cryptocurrency, which in turn could lead to users who have a large amount of cryptocurrency having major influence on the management and direction for a crypto blockchain.^[27][28]

US regulators have argued over the legal status of the proof-of-stake model, with the Securities and Exchange Commission claiming that staking rewards are the equivalent of interest, so coins such as ether and ada are financial securities.^[29] However, in 2024, the SEC sidestepped the question by recognising Ethereum market funds on condition that they did not stake their coins. The level of staking of ether at 27% of total supply was low compared with Cardano (66%) and Solana (63%). However, not staking their tokens meant that the funds were losing about 3% of potential returns a year.^[30]

In 2021, a study by the University of London found that in general the energy consumption of the proof-of-work-based Bitcoin was about a thousand times higher than that of the highest-consuming proof-of-stake system that was studied even under the most favorable conditions and that most proof-of-stake systems cause less energy consumption in most configurations.^[31]

In January 2022, Erik Thedéen, the vice-chair of the European Securities and Markets Authority, called on the EU to ban the PoW model in favor of PoS because of the latter's lower energy consumption.^[32]

Ethereum's switch to proof-of-stake was estimated to have cut its energy use by over 99%.^[33][34]

• Deirmentzoglou, Evangelos; Papakyriakopoulos, Georgios; Patsakis, Constantinos (2019). "การสำรวจการโจมตีระยะไกลสำหรับโปรโตคอล Proof of Stake" . IEEE Access . 7 : 28712– 28725. Bibcode : 2019IEEEA...728712D . doi : 10.1109/ACCESS.2019.2901858 . eISSN  2169-3536 . S2CID  84185792 .
• Xiao, Y.; Zhang, N.; Lou, W.; Hou, YT (2020). "การสำรวจโปรโตคอลฉันทามติแบบกระจายสำหรับเครือข่ายบล็อกเชน" IEEE Communications Surveys and Tutorials . 22 (2): 1432– 1465. arXiv : 1904.04098 . Bibcode : 2020ICST...22.1432X . doi : 10.1109/COMST.2020.2969706 . ISSN  1553-877X . S2CID  102352657 .
• บาชีร์, อิมราน (2022). "โปรโตคอลยุคบล็อกเชน". บล็อกเชนคอนเซนซัส . สำนักพิมพ์ Apress. หน้า  331–376 . doi : 10.1007/978-1-4842-8179-6_8 . ISBN 978-1-4842-8178-9.