O que é prova de participação?

A prova de participação (proof of stake, PoS) é uma categoria de mecanismo de consenso que protege uma blockchain por meio de ativos em staking e regras de protocolo. Os participantes colocam o ativo definido pela rede em um estado sobre o qual o protocolo pode agir, tornando-se validadores ou apoiando um deles. Em seguida, o protocolo distribui entre os validadores as tarefas de propor blocos e votar, e paga recompensas ou aplica penalidades conforme essas tarefas sejam cumpridas corretamente.

A "participação" aqui não é participação societária em uma empresa, e ter um token não permite alterar o registro diretamente. O staking cumpre principalmente duas funções: limitar quem pode influenciar o consenso e dar a quem descumpre as regras ativos que podem ser perdidos. Um bloco proposto por um validador ainda precisa ser checado pelos outros nós; um bloco que viola regras de transação ou de protocolo não se torna válido porque quem o propôs colocou muito em staking.

O problema que a prova de participação endereça

Uma rede aberta não pode distribuir o direito de manter o registro contando contas ou nós, porque o mesmo participante pode criar uma quantidade ilimitada de identidades. A prova de participação vincula a influência sobre o consenso a uma participação verificável dentro do protocolo, de modo que criar contas vazias em massa não obtém, por si só, peso equivalente.

Ela também precisa resolver os problemas de coordenação comuns a toda blockchain: quem propõe o próximo conjunto de transações, como os demais participantes checam e votam, qual ramo é adotado quando vários blocos válidos aparecem ao mesmo tempo, e a partir de quando uma transação alcança o estado final definido pelo protocolo.

Diferente da prova de trabalho, a prova de participação normalmente não exige que os participantes façam continuamente um grande número de tentativas de hash para disputar a produção de blocos. Ela constrói suas restrições de segurança com ativos bloqueados ou comprometidos, mensagens dos validadores e recompensas e penalidades. Isso costuma reduzir a energia e o equipamento especializado necessários ao cálculo do consenso, mas não elimina custos como servidores, comunicação de rede, manutenção de software ou a concentração da participação.

Do staking à confirmação do bloco

As redes de prova de participação diferem bastante em algoritmo de seleção, limites de votação e regras de penalidade. O que segue descreve um processo comum, e não uma sequência idêntica em todas as redes.

Entrar no conjunto de validadores

O participante primeiro coloca em staking a quantidade de ativos exigida pelo protocolo e executa software de validação. A participação pode vir do próprio validador ou de delegadores — pessoas que atribuem seu peso de participação para um validador usar sem necessariamente transferir o controle dos ativos. Algumas redes definem valor mínimo, espera de ativação e período de saída; outras permitem delegar valores menores direto a um validador existente.

Tornar-se validador não é apenas colocar ativos em um endereço. Normalmente o validador também precisa guardar as chaves de assinatura, manter o equipamento on-line, receber blocos sem atraso e enviar as mensagens do protocolo dentro do prazo exigido. Se os ativos em staking podem ser retirados a qualquer momento, quanto tempo leva a saída e se os delegadores mantêm o controle dos ativos são pontos definidos por cada rede e por cada arranjo de serviço.

Designar quem propõe blocos

O protocolo designa, no conjunto atual de validadores, os participantes que vão propor novos blocos. Uma abordagem comum combina seleção aleatória e peso de participação: peso maior normalmente significa mais chance de receber tarefas ao longo de um período, mas não garante ser escolhido sempre.

A aleatoriedade serve para reduzir o risco de que quem vai propor o próximo bloco seja manipulado ou atacado com antecedência. Uma rede específica pode introduzir intervalos, rodadas, comitês ou propostas por revezamento; um comitê é um grupo de validadores que o protocolo escolhe temporariamente para cumprir tarefas de votação em conjunto. Por isso "um sorteio ponderado pela participação" resume apenas parte desses mecanismos e não substitui as regras concretas do protocolo.

Checar o bloco e enviar votos

Quem é escolhido monta e transmite um bloco candidato. Os demais validadores ou nós checam condições como assinaturas das transações, estado dos ativos, formato do bloco e elegibilidade da proposta. Os validadores com responsabilidades de consenso também enviam mensagens assinadas indicando qual bloco consideram válido, por qual ramo se deve continuar naquele momento, ou qual ponto de verificação pode ser confirmado. Um ponto de verificação é um bloco de referência que o protocolo escolhe periodicamente como alvo de uma votação concentrada.

Essas mensagens assinadas costumam ser chamadas de atestações ou votos. O protocolo as contabiliza pelo peso de participação efetivo de cada validador, e não simplesmente contando mensagens. Dividir a mesma participação entre várias identidades de validador normalmente não cria peso total adicional do nada.

Lidar com ramos concorrentes e finalidade

A latência da rede ou uma proposta indevida podem deixar os nós vendo temporariamente vários candidatos válidos. Uma regra de escolha de bifurcação determina qual ramo um nó segue naquele momento, comumente com base no peso de participação representado pelos votos mais recentes dos validadores. Um ramo recente ainda pode mudar conforme novas mensagens chegam.

Algumas redes de prova de participação têm ainda regras explícitas de finalidade: quando a votação passa de um limite definido, um bloco ou ponto de verificação é marcado como finalizado. Resultados finais contraditórios normalmente significam que peso de participação suficiente violou as premissas de segurança em que o protocolo se apoia; em redes com slashing, assinaturas contraditórias comprováveis também podem acioná-lo. Outras redes podem usar um modelo de confirmação diferente, então os limites de votação ou a cadência do Ethereum não podem ser tratados como padrão de toda rede PoS.

Peso de participação não é votação direta de quem tem tokens

"Mais participação, mais influência" descreve só parte da relação. O que o protocolo realmente contabiliza costumam ser as mensagens válidas que entraram no processo de consenso, atendem às condições de ativação e foram assinadas com chaves de validador — e não o saldo de todos os ativos em uma carteira.

Quem tem tokens pode operar um validador, delegar ativos a outro validador ou usar um serviço de staking. A delegação normalmente muda o peso que um validador representa, mas quem delega não necessariamente opera um nó, checa cada bloco ou envia votos. Por exemplo, o mecanismo de delegação da Cardano permite manter o direito de uso dos ativos e, ao mesmo tempo, atribuir o peso de produção de blocos a um pool de staking. Quando um provedor opera em nome de alguém, a forma de custódia dos ativos, as permissões de retirada, falhas operacionais e taxas acrescentam riscos externos ao protocolo.

Peso de participação também não é um direito geral de voto sobre as regras. Os validadores julgam os blocos conforme o software que executam; a adoção de uma atualização de protocolo depende ainda de como quem opera nós, quem desenvolve, as aplicações, as pessoas que usam a rede e outros participantes escolhem software e cadeias. Execução do consenso e governança do protocolo são relacionadas, mas não são a mesma coisa.

Recompensas, penalidades comuns e slashing

A prova de participação normalmente usa recompensas para incentivar os validadores a propor blocos no prazo, enviar votos corretos e permanecer on-line. Um validador que perde tarefas pode não receber a recompensa correspondente, e algumas redes ainda descontam uma parcela pequena dos ativos em staking. Essas consequências, vindas de estar off-line ou atrasado, podem ser distinguidas das sanções por descumprimento grave.

Slashing é uma penalidade mais severa aplicada a condutas que podem ser claramente comprovadas, como o mesmo validador assinar blocos em conflito onde isso não é permitido. O protocolo pode comprovar esse comportamento pelas evidências de assinatura que o validador deixa, e descontar parte da participação, forçar a saída, ou ambos.

Nem todas as redes de prova de participação têm as mesmas condições de slashing, e nem toda falha de software causa a perda de toda a participação. O resultado concreto depende das regras da rede, do tipo de violação, de quantos validadores violaram ao mesmo tempo e do contrato de serviço aceito pela pessoa. Entregar ativos a um serviço de staking também não significa que uma plataforma assuma automaticamente o risco do protocolo e o risco do provedor.

A finalidade vem com premissas de segurança

Um bloco explicitamente marcado como final normalmente é mais difícil de substituir do que um bloco recente não finalizado, mas "final" ainda se apoia nas premissas de segurança do protocolo. Se peso de participação suficiente violar as regras ao mesmo tempo, se o software de validação tiver um defeito grave, ou se a rede ficar dividida por muito tempo, o sistema pode parar de finalizar, ou até produzir resultados contraditórios.

O Ethereum é um exemplo: ele usa o peso de participação representado pelos votos dos validadores para escolher a cabeça de cadeia atual e forma finalidade por meio de votos em pontos de verificação. Alcançar a finalidade exige apoio de uma proporção definida do peso de participação, e as condições para impedir a finalização não são as mesmas que para reverter um bloco já finalizado. Isso ilustra que proposta, escolha de bifurcação e finalidade são etapas distintas; não significa que outras redes PoS usem os mesmos limites.

Um nó que volta à rede depois de muito tempo off-line também pode precisar de um ponto de verificação recente e confiável para não ser enganado por um histórico longo produzido por validadores antigos. Esse problema de "subjetividade fraca" e suas soluções não são iguais em todos os protocolos PoS, mas mostram que sincronizar um nó novo em uma cadeia com participação não se resolve necessariamente comparando dados desde o bloco de gênese.

O que uma participação grande consegue fazer

Quem controla mais peso de participação efetivo normalmente ganha mais influência em propostas ou votos. Pode atrasar certas transações, interferir na escolha de um ramo recente ou impedir que a rede alcance a finalidade. Com limites mais altos, e combinado a violações específicas, também pode produzir confirmações contraditórias ou tentar reorganizar o histórico.

Mas vantagem em participação não torna válida uma transação inválida. Nós completos que seguem as regras e checam os blocos de forma independente continuam rejeitando blocos com assinaturas falsificadas, ativos criados do nada ou violações das regras de transição de estado. Uma participação grande influencia a escolha e a confirmação entre candidatos válidos; não é uma permissão administrativa que contorna todas as regras do protocolo.

A capacidade real de ataque depende dos limites de votação do protocolo específico, das condições de slashing, da distribuição dos validadores, das implementações de cliente e do estado da rede. O "ataque de 51%" não se transfere diretamente da prova de trabalho para toda rede de prova de participação, e o saldo de um único endereço não revela quem controla de fato as chaves de validador e os votos.

Principais trade-offs

A prova de participação evita a disputa massiva e contínua de hash da prova de trabalho, mas desloca os recursos de segurança do cálculo externo para os ativos do protocolo e a infraestrutura de validação. Entre os trade-offs comuns:

• Concentração da participação: grandes detentores, plataformas de custódia, protocolos de staking que reúnem muitos ativos delegados ou poucos operadores de nós podem acumular peso de validação considerável.
• Barreiras de entrada: valores mínimos, requisitos de hardware, manutenção técnica e esperas de saída podem limitar a participação direta.
• Risco de penalidade: uso indevido de chaves, assinatura duplicada, configuração errada de software ou falhas do provedor podem levar à perda de recompensas ou a slashing.
• Risco de liquidez e de preço: os ativos podem ficar indisponíveis durante o staking ou o período de saída, e seu valor de mercado também muda.
• Dependências de software e rede: defeitos de cliente, fatia excessiva de uma única implementação ou uma interrupção de rede podem deixar muitos validadores off-line ou fazê-los enviar mensagens incorretas ao mesmo tempo.
• Governança e recuperação: recuperar-se de um ataque grave pode exigir que nós, aplicações e comunidade se coordenem fora do protocolo sobre qual histórico adotar.

Rendimento de staking não é juro sem risco. As recompensas vêm da emissão da rede, de taxas ou de outras receitas do protocolo. O staking em si pode envolver risco de preço do ativo, de bloqueio e de penalidade, e usar um serviço ou contrato de staking pode acrescentar risco de provedor e de contrato inteligente.

A prova de participação e noções próximas

A prova de participação é uma categoria de mecanismo de consenso; o staking é a ferramenta com que ela delimita direitos de participação e conduta. Não tudo que se chama "staking" participa do consenso de base: recompensas por bloqueio em uma plataforma, incentivos de liquidez em produtos de finanças descentralizadas ou o bloqueio de tokens de governança também podem receber esse nome, com função e riscos diferentes.

A prova de participação delegada normalmente permite delegar peso a validadores, que operam a infraestrutura e participam da produção de blocos ou da votação. Esse nome abrange designs bem distintos, então a palavra "delegada" sozinha não revela o método de eleição, a quantidade de validadores, a custódia dos ativos nem quem responde pelas penalidades.

A prova de participação também não significa que a validação pelos nós desapareça. Um nó completo sem participação ainda pode checar se os blocos seguem as regras; apenas normalmente não assume as tarefas de proposta e votação que exigem assinatura de validador. Fazer staking, operar um validador e operar um nó completo que só valida dados são três questões distintas.

Perguntas frequentes

Ter tokens já torna alguém validador?

Normalmente não. Também é preciso atender a requisitos de staking, ativação, software e gestão de chaves, ou delegar os ativos a um participante que preste serviços de validação. As regras específicas são definidas pela rede.

Mais participação sempre produz mais blocos?

Não necessariamente. O peso de participação normalmente melhora a chance de ser escolhido ou de votar ao longo de um período, mas uma escolha pontual pode ter componente aleatório, e um protocolo pode definir tetos de peso, comitês ou outros limites.

A prova de participação não consome energia?

Não. Validadores e nós ainda precisam operar servidores, armazenar dados e se comunicar. Ela normalmente evita a disputa massiva de hash da prova de trabalho, mas o consumo de energia não vai a zero.

Slashing e prejuízo de investimento são a mesma coisa?

Não. Slashing é o desconto de participação aplicado pelo protocolo por conduta imprópria comprovável; perdas por queda de preços de mercado, taxas de serviço, impossibilidade de sair no prazo ou falhas de contrato pertencem a outros riscos.

Um bloco finalizado é absolutamente inalterável?

Não de forma incondicional. Finalidade significa que, sob as premissas de proporção de participação, de rede e de software definidas pelo protocolo, reverter um bloco exige violação grave e custo alto. Quando essas premissas de segurança são rompidas, ainda pode ser necessária coordenação fora do protocolo.

Conceitos relacionados

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Fontes

• NISTIR 8202: visão geral da tecnologia blockchain — definição geral da prova de participação, peso de participação e publicação de blocos.
• Ethereum.org: prova de participação — responsabilidades dos validadores, propostas, votos, escolha de bifurcação, finalidade e exemplos de penalidades de staking.
• Ethereum.org: recompensas e penalidades — penalidades por ficar off-line, condutas sujeitas a slashing e mecanismos de recuperação do Ethereum.
• Ethereum.org: perguntas frequentes sobre prova de participação — escolha de bifurcação, finalidade, subjetividade fraca e limites do design específico do Ethereum.
• Cardano Docs: delegação — delegação, direito de uso dos ativos e responsabilidades dos pools de staking em outra implementação PoS.