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
14 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

Translated to Portuguese (Portugal)

Professor Aggelos Kiayias é o cientista chefe na IOHK e é também o diretor de Segurança Cibernética e Privacidade na Universidade de Edimburgo. Os seus principais interesses de estudo são segurança computacional, segurança de informação, criptografia aplicada e fundações de criptografia com particular enfâse em tecnologia de blockchain e sistemas distribuídos, votação online e multipartidários protocolos de segurança, também como privacidade e gestão de identidade. Ele está por detrás do desenvolvimento de Ouroboros, o algoritmo de prova de participação (Proof-of-Stake) proposto por Cardano. A segurança por detrás de Ouroboros é justificada e garantida por provas matemáticas.

Neste recente vídeo, Professor Kiayias traz-nos a sua perspetiva de o que é e como funciona a prova de participação (Proof-of-Stake).

Estrutura por Camadas (Settlement Layer) & Consensos

• O protocolo Ouroboros é o núcleo da blockchain Cardano
• É uma estrutura por camadas, isto significa que os utilizadores podem pedir a esta camada para ver se a sua transação foi integrada e se o seu resultado foi aceite pela rede.
• A estrutura por camadas é um dos componentes mais críticos da cripto moeda.
• Claro, que é possível ter um simples servidor e implementar estrutura por camadas como um serviço centralizado
• Este sistema funcionaria e poderia trazer vivacidade (vivacidade significa que as transações serão aceites para o sistema)
• Mas este método também tem a desvantagem significativa em que introduz um ponto critico de falha no sistema
• O servidor pode ser hackeado ou controlado por alguém que queira censurar transações e assim, o sistema estaria comprometido e à merce daqueles que estivessem em controlo, e estes maus feitores controlariam as transações incluídas ou não.
• Isto é o porquê que a descentralização é extremamente importante para cripto moedas
• Com a descentralização, somos por assim capazes de distribuir a confiança de um ponto critico de falha para um conjunto de atores que cooperam em providenciar o mesmo serviço de uma estrutura por camadas.
• Isto traz-nos a um problema clássico em ciência computacional que é conhecido por consensos.
• Consenso em ciência computacional tem sido estudada desde os últimos 40 anos
• Isto refere-se ao problema de que um conjunto de grupos encontram quando eles querem chegar a um acordo mútuo que produza o mesmo resultado
• E enquanto possa existir uma boa compreensão sobre a literatura deste problema, todas as soluções que tenham sido estudadas (antes da chegada do protocolo da Bitcoin) partilham a mesma deficiência.
• Esta deficiência é o que nos traz a assumir que um conjunto de grupos que esteja a processar este protocolo, se conheça entre elas e de que haja uma infraestrutura de nomenclatura fidedigna.
• Enquanto isto possa fazer sentido para os sistemas clássicos em ciência computacional, isto não é compatível com o método como a internet funciona porque não existe uma infraestrutura de nomenclatura fidedigna que esteja globalmente disponível.

Então surgiu o protocolo Bitcoin
• Em 2009, o protocolo Bitcoin nasceu, isto fez-nos pensar pela primeira vez, que era possível resolver o problema de consensos sem assumir nomes pré-existentes para os participantes que estivessem a processar o protocolo.
• Isto é muito importante, porque assim que a execução do protocolo se tornou publica, basicamente todas os grupos interessados eram abertos e livres para fazer parte do protocolo de execução e contribuir para a integridade do registo
• Desta forma, a integridade do sistema é maximizada e assim possível criar a estrutura por camadas que é extremamente difícil de desfazer.
• Todavia, há uma significante desvantagem no protocolo da Bitcoin, que é os tremendos requisitos energéticos.
• Para poder correr o protocolo, requer que os participantes resolvam o que é conhecido como prova de trabalho ‘’Proof-of-Work’’
• Isto significa que cada um dos servidores que estejam a participar na implementação desta estrutura por camadas, tenham de resolver um problema computacional difícil e isto requer muita energia
• Isto por um lado traz imensas qualidades de descentralização ao protocolo, mas por outro lado tem a desvantagem de requerer um custo extremamente elevado de energia.
• Por essa razão, foi discutido no inicio na comunidade da Bitcoin se estas qualidades de descentralização poderiam ser mantidas, ao mesmo tempo retirando o desperdício de energia.
• Muitas ideias foram propostas durante este tempo por várias pessoas.

Prova de participação (Proof-of-Stake)
• De todos estes protocolos, prova de participação (Proof-of-Stake) (PoS) tornou-se o mais prominente e o mais convincente de todos na forma de remover o custo de energia associado a prova de trabalho (Proof-of-Work).
• Agora com o PoS, o que os participantes fazem para avançar o protocolo é referenciar os recursos que eles têm que já existem e assim é gravado no registo.
• Este processo de referência não requere gastos de energia.
• E isto é o que permite o PoS fornecer um tipo similar de descentralização como no caso do Bitcoin, mas sem ter que desperdiçar energia como o Bitcoin e outros protocolos à base de prova de trabalho PoW.
• Protocolos PoS podem tirar vantagem de todas estas ferramentas criptográficas que estão disponíveis hoje e fornecer protocolos blockchain que possam atualmente crescer e que sejam mais envolventes que outros protocolos que estejam distribuídos no espaço de registo.
• E porque estes protocolos PoS são baseados em ferramentas criptográficas (como as assinaturas digitais e certificados de chave pública ‘’Public Key Certificates’’ ), isto torna possível o uso de protocolos criptográficos que podem fornecer serviços uteis e construir estes protocolos em cima de registos PoS naturalmente.
• De este modo, registos PoS podem fornecer um tipo de funcionalidade que é bastante versátil e que corresponde aos requerimentos das diferentes aplicações que possam incluir, mas não excluindo o voto eletrónico, gestão de fornecimento em cadeia e muitas outras aplicações de registos distribuídos de alto valor.

:poland: Polish translation

Hi there awesome article - you can now find a bulgarian translation here : 🇧🇬 Обобщение: Какво е “Доказателство за залог”/ Proof-of-Stake? ( Агелос Киайас )