Proof-of-stake (PoS) protocols are a class of consensus mechanisms for blockchains that work by selecting validators in proportion to their quantity of holdings in the associated cryptocurrency. This is done to avoid the computational cost of proof-of-work (POW) schemes. The first functioning use of PoS for cryptocurrency was Peercoin in 2012, although the scheme, on the surface, still resembled a POW.

Description 

For a blockchain transaction to be recognized, it must be appended to the blockchain. In the proof of stake blockchain the appending entities are named minters or  (in the proof of work blockchains this task is carried out by the miners); in most protocols, the validators receive a reward for doing so. For the blockchain to remain secure, it must have a mechanism to prevent a malicious user or group from taking over a majority of validation. PoS accomplishes this by requiring that validators have some quantity of blockchain tokens, requiring potential attackers to acquire a large fraction of the tokens on the blockchain to mount an attack.

Proof of work (PoW), another commonly used consensus mechanism, uses a validation of computational prowess to verify transactions, requiring a potential attacker to acquire a large fraction of the computational power of the validator network. This incentivizes consuming huge quantities of energy. PoS is more energy-efficient.

Early PoS implementations were plagued by a number of new attacks that exploited the unique vulnerabilities of the PoS protocols. Eventually two dominant designs emerged: so called Byzantine Fault Tolerance-based and chain-based approaches.  Bashir identifies three more types of PoS:
 committee-based PoS (a.k.a. nominated PoS, NPoS);
 delegated proof of stake (DPoS);
 liquid proof of stake (LPoS).

Attacks 
The additional vulnerabilities of the PoS schemes are directly related to their advantage, a relatively low amount of calculations to be performed while constructing a blockchain.

Long-range attacks 
The low amount of computing power involved allows a class of attacks that replace a non-negligible portion of the main blockchain with a hijacked version. These attacks are called in literature by different names, Long-Range, Alternative History, Alternate History, History Revision, and  are unfeasible in the PoW schemes due to the sheer volume of calculations required. The early stages of a blockchain are much more malleable for rewriting, as they likely have much smaller group of stakeholders involved, simplifying the collusion. If the per-block and per-transaction rewards are offered, the malicious group can, for example, redo the entire history and collect these rewards. 

The classic "Short-Range" attack (bribery attack) that rewrites just a small tail portion of the chain is also possible.

Nothing at stake 
Since validators do not need to spend a considerable amount of computing power (and thus money) on the process, they are prone to the Nothing-at-Stake attack: the participation in a successful validation increases the validator's earnings, so there is a built-in incentive for the validators to accept all chain forks submitted to them, thus increasing the chances of earning the validation fee. The PoS schemes enable low-cost creation of blockchain alternatives starting at any point in history (costless simulation), submitting these forks to eager validators endangers the stability of the system. If this situation persists, it can allow double-spending, where a digital token can be spent more than once. This can be mitigated through penalizing validators who validate conflicting chains ("economic finality") or by structuring the rewards so that there is no economic incentive to create conflicts. Byzantine Fault Tolerance based PoS are generally considered robust against this threat.

Bribery attack 
Bribery attack, where the attackers financially induce some validators to approve their fork of blockchain, is enhanced in PoS, as rewriting a large portion of history might enable the collusion of once-rich stakeholders that no longer hold significant amounts at stake to claim a necessary majority at some point back in time, and grow the alternative blockchain from there, an operation made possible by the low computing cost of adding blocks in the PoS scheme.

Variants

Chain-based PoS 
This is essentially a modification of the PoW scheme, where the competition is based not on applying brute force to solving the identical puzzle in the smallest amount of time, but instead on varying the difficulty of the puzzle depending on the stake of the participant; the puzzle is solved if on a tick of the clock (|| is concatenation):
   
The smaller amount of calculations required for solving the puzzle for high-value stakeholders helps to avoid excessive hardware.

Nominated PoS (NPoS) 
Also known as "committee-based", this scheme involves an election of a committee of validators using a verifiable random function with probabilities of being elected higher with higher stake. Validators then randomly take turns producing blocks. NPoS is utilized by Ouroboros Praos and BABE.

BFT-based PoS 

The outline of the BFT PoS "epoch" (adding a block to the chain) is as follows:
 A "proposer" with a "proposed block" is randomly selected by adding it to the temporary pool used to select just one consensual block;
 The other participants, validators, obtain the pool, validate, and vote for one;
 The BFT consensus is used to finalize the most-voted block.
The scheme works as long as no more than a third of validators are dishonest. BFT schemes are used in Tendermint and Casper FFG.

Delegated proof of stake (DPoS) 
Proof of stake delegated systems use a two-stage process: first,
the stakeholders elect a validation committee, a.k.a. witnesses, by voting proportionally to their stakes, then the witnesses take tuns in a round-robin fashion to propose new blocks that are then voted upon by the witnesses, usually in the BFT-like fashion. Since there are fewer validators in the DPoS than in many other PoS schemes, the consensus can be established faster. The scheme is used in many chains, including EOS, Lisk, Tron.

Liquid proof of stake (LPoS) 
In the liquid PoS anyone with a stake can declare themselves a validator, but for the small holders is makes sense to delegate their voting rights instead to larger players in exchange for some benefits (like periodic payouts). A market is established where the validators compete on the fees, reputation, and other factors. Token holders are free to switch their support to another validator at any time. LPoS is used in Tezos.

'Stake' definition 
The exact definition of "stake" varies from implementation to implementation. For instance, some cryptocurrencies use the concept of "coin age", the product of the number of tokens with the amount of time that a single user has held them, rather than merely the number of tokens, to define a validator's stake.

Implementations 

The first functioning implementation of a proof-of-stake cryptocurrency was Peercoin, introduced in 2012. Other cryptocurrencies, such as Blackcoin, Nxt, Cardano, and Algorand followed. However, , PoS cryptocurrencies were still not as widely used as proof-of-work cryptocurrencies.

In September 2022, Ethereum, the world second largest cryptocurrency in 2022, switched from proof of work to a proof of stake consensus mechanism system, after several proposals and some delays.

Concerns

Security 
Critics have argued that the proof of stake model is less secure compared to the proof of work model.

Centralization 
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.

Energy consumption 
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 . The researchers also noted that the energy consumption for proof-of-stake with permissioned systems that used less validators  were more efficient than permission-less systems that don't use validators at all. They also couldn't find the energy consumption of a proof-of-stake system on a large scale, as such a system did not exist at the time of the report.

In January 2022 Vice-Chair of the European Securities and Markets Authority Erik Thedéen called on the EU to ban the proof of work model in favor of the proof of stake model due to its lower energy consumption.

On 15 September 2022, Ethereum transitioned its consensus mechanism from proof-of-work to proof-of-stake in an upgrade process known as "the Merge". This has cut Ethereum's energy usage by 99%.

References

Sources 
 
 
 

Cryptography
Cryptocurrencies
지분 증명(Proof-of-stake, PoS)이란 알고리즘의 한 형태로서, 이를 통해 암호화폐 블록체인 네트워크가 분산화된 합의를 얻는 것을 목표로 한다. 지분 증명 기반의 암호화폐 시스템에서 다음 블록의 생성자는 블록체인의 관련 암호화폐를 특정량 보유하고 있는 ‘주주’들 중에서 선출된다. 이는 암호화폐 채굴을 활용하는 비트코인이나 이더리움과 같은 작업 증명 기반 시스템과 대조되는 것이다. 암호화폐 채굴이란 거래를 검증하기 위한 복잡한 문제를 풂으로써 새로운 화폐를 출시하는 것을 완곡하게 표현한 것이다.

블록 선별에 대한 상이한 접근법 
블록 선별 시스템 내에서 더 많은 양의 암호화폐를 보유하고 있는 주주가 더 큰 영향을 끼치는 시나리오를 방지하기 위해 각 암호화폐는 블록 생성자 선별에 대하여 다른 접근법을 활용한다.

지분 증명은 어떤 블록체인에서든 간에 다음 유효 블록을 정의하는 방법을 가지고 있어야 한다. 계좌 잔고에 따른 선별은 가장 부유한 한 명의 구성원이 계속 유리한 고지를 차지하기 때문에 시스템이 중앙화되는 결과를 낳게 되며, 이는 바람직하지 못하다. 따라서 이를 대신하기 위하여 다양한 선별 방법이 고안되었다.

임의 블록 선별

엔엑스티(Nxt)와 블랙코인(BlackCoin)은 지분의 규모와 함께 가장 낲은 해시값을 찾는 수식을 활용하는 임의화 방식으로 다음 생성자를 예측한다. 여기서 지분은 공개되기 때문에 각 노드는 꽤 높은 정확성으로 어떤 계좌가 블록을 단조할 권한을 얻게 될 것인지를 예측할 수 있다.

임의 지분 증명 (rPoS)

오브(Orbs)는 이와 유사한 절차를 활용하지만, 단일한 블록 리더보다는 위원회 전체를 선출한다. 오브가 주주에게 블록 선별에 대한 자격을 부여할 때는 해당 주주가 보유한 토큰량보다는 평판도를 산출하여 기준으로 삼는다.

각 노드는 검증 가능한 임의 비콘을 사용하여 임의로 선별되고, 이를 통해 기존의 거래 블록을 제안한다. 이후 해당 블록은 총 노드 중에서 미리 지정된 수의 노드를 가진 위원회를 통해 검증된다. 오브에 따르면 해당 위원회는 수천 개의 노드 중에서 선별되기 때문에, 네트워크상의 모든 노드가 블록 형성 과정에 참여하는 것과 동일한 수준의 보안성을 유지할 수 있다고 한다.

코인 나이 기반 선별

피어코인(Peercoin)은 무작위화와 더불어 ‘코인 나이’라는 개념을 활용하여 블록을 선별한다. 코인 나이는 코인 보유 기간과 실제 코인 개수를 곱해서 산출한다. 코인 보유자는 한 달 이상 코인을 보유했을 때만 블록 형성에 대한 경쟁에 참여할 수 있다. 해당 코인이 블록 형성에 사용되고 나면 한 달 이상 코인 보유에 대한 주기는 처음부터 다시 시작하게 된다.

장점 
지분 증명 기반 화폐는 작업 증명 알고리즘 기반 화폐에 비해 에너지 사용 측면에서 더 효율적이라는 장점을 가지고 있다.

두 시스템은 인센티브 또한 다르게 작동한다. 작업 증명에서는 채굴자가 잠재적으로 자신이 채굴하는 화폐를 단 하나도 보유하지 않을 수 있고, 이에 따라 자신의 수익을 최대화하는 데에만 집중하는 것이 가능하다. 이러한 차이가 보안에 대한 위험성을 높이는지, 아니면 낮추는지는 확실하지 않다. 반면 지분 증명에서는 코인을 소위 ‘보호’하는 자가 항상 코인을 보유하게 된다. 물론 몇몇 암호화폐는 다른 노드에 스테이킹 권한을 빌려주는 것을 허용하기도 한다.

마이닝 

PoS를 이용한 마이닝은 컴퓨팅 하드웨어 경쟁 대신 암호화폐의 양을 분석하는 데 기반을 둔다.

비판 

몇몇 저자는 지분 증명이 분산화된 합의 프로토콜에 이상적인 방식이 아니라고 주장한다. 예컨대 발생할 수 있는 문제 중에는 ‘위험성 제로’의 문제가 있는데, 이는 블록 생성자가 다수의 블록체인 히스토리에 투표함으로써 잃을 것이 없게 되고, 합의에 도달하지 못하는 결과를 가져오게 되는 시나리오이다. 이와 같은 문제가 생기는 이유는 작업 증명 시스템과 달리 여러 체인에서 작업할 때 드는 비용이 적기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 지금까지 많은 시도가 있어왔다.

 피어코인은 지분 증명을 처음으로 도입한 암호화폐이다. 피어코인은 초기에 개발자의 개인키로 서명한 중앙 통신 체크포인트를 사용하였다. 마지막으로 알려진 체크포인트 이상으로는 블록체인 재구성이 허용되지 않았다. 체크포인트는 현 0.6버전에서 옵트인 방식이 적용되며, 해당 네트워크가 적합한 분배 수준을 달성하였기 때문에 강제되지 않는다.
 이더리움이 제안한 슬래셔 프로토콜(Slasher protocol)은 하나 이상의 블록체인 브랜치에서 단조 작업을 하는 부정행위자를 처벌할 권한을 사용자에게 부여한다. 이러한 제안은 포크를 생성하기 위해 사용자가 이중 서명을 해야 하고, 지분을 보유하지 않은 상태에서 포크를 생성하면 처벌받을 수 있음을 상정한다. 그러나 슬래셔는 결국 도입되지 않았다. 이더리움의 개발자들은 지분 증명이 어려울 것으로 결론을 내리고, 이더해시(Ethash)라고 불리는 작업 증명 알고리즘을 도입했다. 이는 다른 지분 증명 프로토콜인 ‘캐스퍼(Casper)’로 대체될 예정이다.
 엔엑스티의 프로토콜은 지난 720개 블록의 재구성만을 허용한다. 그러나 이는 여전히 문제를 해결하지 못한다. 클라이언트는 해당 블록체인이 가장 높은 블록체인인지의 여부와는 상관없이 721개의 블록 포크를 따를 수 있으며, 이는 합의에 도달하지 못하는 결과를 가져오게 된다.
 하이브리드 소실 증명 및 지분 증명. 소실 증명 블록은 체크포인트로서 작동하며, 보다 큰 보상이 주어지고, 거래를 포함하지 않으며, 더 강화된 보안성을 제공하고, 서로에게 뿐만 아니라 지분 증명 체인에 앵커링 되지만 비용이 더 비싸다.
 디크레드(Decred)의 하이브리드 작업 증명 및 지분 증명에서 지분 증명은 작업 증명의 타임스탬핑 기능에 의존하며 활동 증명에 기반한다. 이는 작업 증명 채굴자가 블록을 채굴하고 지분 증명이 이중 인증 메커니즘으로 작동하게 하여 ‘위험성 제로’의 문제를 해결하는 것을 목표로 한다.

통계 시뮬레이션에 따르면 여러 체인에서 동시에 단조 작업을 진행하는 것이 가능하며, 심지어 수익을 창출할 수도 있는 것으로 밝혀졌다. 하지만 지분 증명의 지지자들은 가장 많이 언급되는 공격 시나리오들이 절대 발생할 수 없거나 예측이 매우 힘들어 이론에 지나지 않을 뿐이라고 믿는다.

각주 

암호학
암호화폐