Summary: What is Proof of Stake? (Aggelos Kiayias)

Professor Aggelos Kiayias is the chief scientist at IOHK and is the Chair in Cyber Security and Privacy at the University of Edinburgh. His research interests are in computer security, information security, applied cryptography and foundations of cryptography with a particular emphasis in blockchain technologies and distributed systems, e-voting and secure multiparty protocols as well as privacy and identity management. He has been behind the development of Ouroboros, the Proof-of-Stake algorithm proposed for Cardano. Ouroboros is provably secure, meaning that it offers security guarantees that have been mathematically proven.

In this recent video, Professor Kiayias gives us insight into what Proof-of-Stake is and how it compares to Proof-of-Work.

Settlement Layer & Consensus

  • the Ouroboros protocol is the core of the Cardano blockchain
  • it is the settlement layer, which means that users can ask this layer to see whether a transaction has been integrated and its output has been accepted by the network
  • the settlement layer is one of the most critical components of a cryptocurrency
  • of course, it is possible to have a single server and to implement the settlement layer as a centralized service
  • this system would work and it would provide liveness (liveness means transactions will be accepted into the system)
  • but this method also has a significant disadvantage in that it introduces a single point of failure in the system
  • the server can be hacked or controlled by someone who wants to censor transaction and therefore, the system would be completely at the mercy of those in control and these actors would control what transactions are included or not
  • this is why decentralization is extremely important for cryptocurrencies
  • with decentralization, we are able to distribute the trust from a single point of failure to a set of actors that collaboratively provide the same service of the settlement layer
  • this points to a classical problem in computer science that is known as consensus
  • consensus in the computer science realm has been studied for over 40 years
  • it refers to the problem that a set of parties face when they want to reach a common agreement to produce the same output
  • and while there is a good understanding in the literature about this problem, all of the solutions that have been studied (before the arrival of the Bitcoin protocol) share the same deficiency
  • this deficiency is that it makes the assumption that the set of parties that are running the protocol know each other and that there is a reliable naming infrastructure
  • while this makes sense for classical systems in computer science, it is not compatible with the way the internet works and because there is no reliable name infrastructure that is globally available

Then came the Bitcoin protocol…

  • in 2009, the Bitcoin protocol came, which for the first time made it feasible to think about solving consensus without assuming pre-existing names for the participants that are running the protocol
  • this is very important as the execution of the protocol became public and basically all interested parties are open and free to become part of the protocol execution and contribute to the integrity of the ledger
  • in this way, the integrity of the system is maximized and it is possible to create a settlement layer that is extremely hard to disrupt
  • however, there was also a significant downfall of the Bitcoin protocol, which was its tremendous energy requirement
  • in order to operate the protocol, it requires for the participants to solve what is known as “proof-of-work”
  • this means that each one of the servers that are participating in implementing this settlement layer have to solve a hard computational problem and this requires a lot of energy
  • so while it provides many of desirable decentralization qualities to the protocol, it also comes with a downside of requiring an extremely high energy expenditure
  • for that reason, it was discussed early on in the Bitcoin community whether the decentralization qualities can be retained, while removing the energy waste
  • many ideas were proposed during this time by a number of people

Proof-of-Stake

  • out of these proposals, Proof-of-Stake (PoS) became the most prominent and most convincing way of removing this need for proof of work and its associated energy waste
  • now with PoS, what the participants do to advance the protocol is refer to resources they have that already exists and is recorded in the ledger
  • this referral does not require energy expenditure
  • and this is what enables PoS to provide a similar type of dencetralization as in the case of Bitcoin, but without actually having the energy waste that comes with Bitcoin or other PoW-based protocols
  • PoS protocols can take advantage of all these state-of-the-art, cryptographic tools that are available today and provide blockchain protocols that can actually scale and be more participatory than other protocols that are in the distributed ledger space
  • and because these PoS protocols are based on cryptographic tools (such as digital signature and public key certificates), it makes it possible to use cryptographic protocols that can provide useful services and to build these protocols on top of PoS ledgers very naturally
  • in this fashion, PoS ledgers can provide a type of functionality that is quite versatile and meet the requirements of many different applications including but not excluded to electronic voting, supply chain manager and many other high-value distribute ledger applications
13 Likes

Translated to Romanian:

1 Like

This video on Russian :ru: Watch it!

Translated into Dutch:

Professor Aggelos Kiayias 4 is de hoofdwetenschapper bij IOHK en is de leerstoel in cyberbeveiliging en privacy aan de universiteit van Edinburgh. Zijn onderzoek interesses liggen op het gebied van computerbeveiliging, informatiebeveiliging, toegepaste cryptografie en fundamenten van cryptografie met een bijzondere nadruk op blockchain-technologieën en gedistribueerde systemen, elektronisch stemmen en veilige meerpartij-protocollen, evenals privacy- en identiteitsbeheer. Hij stond achter de ontwikkeling van Ouroboros, het Proof-of-Stake algoritme dat werd voorgesteld voor Cardano. Ouroboros is aantoonbaar veilig, wat betekent dat het veiligheidsgaranties biedt die wiskundig zijn bewezen.

In deze recente video geeft professor Kiayias ons inzicht in wat Proof-of-Stake (POS) is en hoe het zich verhoudt tot Proof-of-Work (POW).

Afwikkelingslaag & Wederzijdse afstemming

  • Het Ouroboros-protocol is de kern van de Cardano-blockchain

  • Het is de afwikkelingslaag, wat betekent dat gebruikers deze laag kunnen vragen om te zien of een transactie is geïntegreerd en de output is geaccepteerd door het netwerk

  • De afwikkelingslaag is een van de meest kritische componenten van een cryptocurrency

  • Het is natuurlijk mogelijk om een ​​enkele server te hebben en de afwikkelingslaag als een gecentraliseerde dienst te implementeren

  • Dit systeem zou werken en het zou levendigheid geven (levendigheid betekent dat transacties in het systeem zullen worden geaccepteerd), maar deze methode heeft ook een aanzienlijk nadeel doordat het een enkel storingspunt in het systeem introduceert

  • De server kan worden gehackt of beheerd door iemand die transacties wil censureren en daarom zou het systeem volledig overgeleverd zijn aan degenen die de controle hebben en zouden deze actoren bepalen welke transacties al dan niet zijn inbegrepen. Daarom is decentralisatie uiterst belangrijk voor cryptogeld

  • Met decentralisatie zijn we in staat om het vertrouwen vanuit één enkel faalpunt te verdelen naar een set van actoren die samen dezelfde service van de afwikkelingslaag bieden

  • Dit wijst op een klassiek probleem in de informatica dat bekend staat als consensus of “wederzijdse afstemming”. Consensus op het gebied van informatica wordt al meer dan 40 jaar bestudeerd

  • Het verwijst naar het probleem waarmee een groep partijen wordt geconfronteerd wanneer zij een gemeenschappelijke overeenkomst willen bereiken om dezelfde output te produceren

  • En hoewel er in de literatuur een goed begrip is over dit probleem, delen alle oplossingen die zijn onderzocht (vóór de komst van het Bitcoin-protocol) dezelfde tekortkoming

  • Deze tekortkoming is dat het veronderstelt dat de set van partijen die het protocol uitvoeren elkaar kennen en dat er een betrouwbare naamgevingsinfrastructuur is

  • Hoewel dit logisch is voor klassieke systemen in de informatica, is het niet compatibel met de manier waarop internet werkt en omdat er geen betrouwbare naaminfrastructuur is die wereldwijd beschikbaar is.

Toen kwam het Bitcoin-protocol …

  • In 2009 kwam het Bitcoin-protocol, wat het voor het eerst mogelijk maakte om na te denken over het oplossen van consensus zonder vooraf bestaande namen aan te nemen voor de deelnemers die het protocol uitvoeren
  • Dit is erg belangrijk omdat de uitvoering van het protocol openbaar werd en in principe alle belanghebbende partijen open en vrij zijn om deel uit te maken van de uitvoering van het protocol en bij te dragen aan de integriteit van het grootboek
  • Op deze manier wordt de integriteit van het systeem gemaximaliseerd en is het mogelijk om een ​​zeer moeilijk te verstoren afwikkelingsslaag te creëren
  • Er was echter ook een aanzienlijke ondergang van het Bitcoin-protocol, wat de enorme energiebehoefte was om het protocol te kunnen gebruiken, moeten de deelnemers het zogenaamde ‘proof-of-work’ (POW) oplossen
  • Dit betekent dat elk van de servers die deelnemen aan de implementatie van deze afwikkelingslaag een hard rekenprobleem moet oplossen en dit vereist veel energie
  • Dus hoewel het protocol veel gewenste decentralisatiekwaliteiten biedt, heeft het ook het nadeel dat het een extreem hoog energieverbruik vereist. Om die reden werd al vroeg in de Bitcoin-gemeenschap besproken of de decentralisatiekwaliteiten behouden kunnen blijven, terwijl het energieverspilling wordt verwijderd. Veel ideeën werden in deze periode door een aantal mensen voorgesteld.

Proof-of-Stake (Bewijs van stemrecht)

  • Uit deze voorstellen werd Proof-of-Stake (PoS) de meest prominente en meest overtuigende manier om deze behoefte aan “Prrof of Work” (Bewijs van Werk) en het daarmee samenhangende energieverspilling weg te nemen.
  • Nu met PoS, wat de deelnemers doen om het protocol te bevorderen, verwijzen naar bronnen die ze al hebben en die in het grootboek zijn vastgelegd
  • Deze verwijzing vereist geen energieverbruik
  • En dit is wat PoS in staat stelt om een ​​vergelijkbaar type van dencetralisatie te bieden als in het geval van Bitcoin, maar zonder daadwerkelijk het energieverspilling te hebben dat met Bitcoin of andere op PoW gebaseerde protocollen wordt geleverd
  • PoS-protocollen kunnen profiteren van al deze ultramoderne, cryptografische tools die vandaag beschikbaar zijn en bieden blockchain-protocollen die daadwerkelijk kunnen schalen en meer participatief kunnen zijn dan andere protocollen in de gedistribueerde grootboekruimte
  • En omdat deze PoS-protocollen zijn gebaseerd op cryptografische tools (zoals digitale handtekening en openbare-sleutelcertificaten), maakt het het mogelijk om cryptografische protocollen te gebruiken die nuttige diensten kunnen bieden en om deze protocollen heel natuurlijk bovenop PoS-grootboeken te bouwen
  • Op deze manier kunnen PoS-grootboeken een soort functionaliteit bieden die vrij veelzijdig is en voldoet aan de vereisten van veel verschillende toepassingen, inclusief maar niet uitgesloten voor elektronisch stemmen, supply chain manager en vele andere hoogwaardige distributiegrootboektoepassingen

:it: Italian traslation