Os diferentes tipos de algoritmos de consenso

Um algoritmo de consenso é um procedimento utilizado na informática em que os participantes de uma rede distribuída **chegam a acordo sobre o estado da rede ou sobre o estado de um único valor de dados e estabelecem confiança entre pares desconhecidos na rede. **

Os algoritmos de consenso são concebidos para que os membros de uma blockchain cheguem a um acordo para validar uma transacção na rede, alterarem parâmetros de rede, decidirem quais os nós em que se pode confiar para processar novos blocos e outras funções importantes.

Não deixe que a natureza técnica deste artigo o desoriente— encontrar “consenso” está à nossa volta em todo o lado— é uma noção muito humana, mas aplicada a algo que pode ser automatizado.

**Para começar, nos sistemas centralizados, as tarefas de consenso são executadas por uma autoridade central. **

Em sistemas descentralizados como o Bitcoin, temos uma rede composta por centenas, milhares e até centenas de milhares de mineradores ou nós que se juntam para realizar uma ou mais tarefas e fornecer um ecossistema fiável e eficiente.

Pensando neste exemplo sobre o consenso descentralizado, suponha que está num grupo de quatro amigos, e um dos membros, Alex, introduz uma quinta pessoa, Bob. Quando o Bob sai, é mais provável que o grupo comece a falar sobre o Bob (isto é o protocolo) para ver se gostaram dele (o resultado será o “consenso”).

José: “O Bob parece um tipo porreiro.”

Kevin: “Sim, tipo porreiro. Como é que o conheceste?”

Alex: “Estava numa das minhas aulas de finanças na universidade; partilhávamos dicas de trading de cripto e acabou por ser um tipo bastante engraçado.”

Kevin: “Porreiro, mas os memes dele eram mesmo muito estranhos.”

John: “Não percebes a cultura dos memes.”

José: “Pois é— vocês não passam tanto tempo a ver TikTok; eu achei aquilo bastante engraçado.”

Neste exemplo, foi alcançado um “consenso” sobre se o Bob se integra bem no grupo de amigos. Muitas vezes existe um necessário consenso de opinião mesmo na ausência de compromissos ou contratos específicos feitos. Um participante, Kevin, hesita em deixar o Bob entrar no grupo, mas José, Alex e John estão de acordo com o Bob.

Neste caso, se quiséssemos codificar o exemplo acima num algoritmo de consenso: então seria 3 “ele é porreiro” e 1 “ele é porreiro, mas eu não tenho a certeza sobre XYZ” e mesmo assim resulta num “ele é porreiro”. A maioria ganha, por isso o Bob vai poder conviver com os “gajos porreiros”, apesar da opinião do Kevin.

O Bitcoin, por exemplo, foi construído para encontrar consenso sobre se as novas transacções são válidas (“porreiras”) ou não.

Aqui vamos rever os tipos de algoritmos de consenso de blockchain mais populares —e outros nem por isso— em redes públicas e privadas.

O que é Proof of Work?

**Proof of Work (PoW) é o algoritmo de consenso mais popular e o mais antigo, que surgiu com a criação do Bitcoin em 2009 por Satoshi Nakamoto. **Um sistema PoW consiste numa rede global de mineradores —chamados nós de rede— que competem para resolver puzzles matemáticos. O minerador que resolve com sucesso o puzzle ganha o direito de adicionar um novo bloco à blockchain e recebe uma recompensa paga em criptomoeda criada recentemente.

O proof of work é, basicamente, a forma de um minerador mostrar evidência de que disponibilizou poder computacional para alcançar o consenso da rede e validar a autenticidade de cada bloco. Além disso, cada bloco (transacção) é organizado por ordem sequencial, eliminando o risco de gasto duplo.

Até agora, o PoW foi o mecanismo de consenso mais seguro para blockchains de criptomoeda. Alterar a rede exigiria que um atacante remine todos os blocos existentes na cadeia. Quanto mais a blockchain cresce, mais difícil se torna monopolizar o poder de computação da rede, já que isso exigiria um consumo de energia enorme e equipamento caro.

Quando um minerador resolve um puzzle, encontra um nonce (sigla para número usado uma vez) que produz uma hash com um valor menor ou igual ao definido pela dificuldade de rede.

O nonce é uma parte central dos sistemas PoW, pois permitirá ao minerador criar um cabeçalho de bloco com hash utilizando a função de hash SHA-256, o que significa colocar um número de referência para um bloco numa cadeia. O cabeçalho do bloco também contém um timestamp e a hash do bloco anterior.

Os contras do PoW

Os mineradores precisam fornecer um poder computacional considerável para resolver os puzzles. Mas como os cálculos são complexos, a quantidade de energia que um único S9 Antminer consome é normalmente entre 1400 – 1500 watts por hora para uma hashrate de 14.5 TH/s. O S19, uma versão mais potente, consome 3250 watts por hora a uma hashrate de 110 TH/s.

Com alguma matemática, podemos calcular a quantidade de energia que centros de dados ou empresas de mineração consomem com centenas ou milhares de unidades de mineração numa única localização, diariamente. O alto consumo de energia e o dano ambiental são a principal crítica associada ao proof of work.

Para colocar isto em perspectiva: Antes de a Ethereum mudar para Proof of Stake, os mineradores de Ethereum em todo o mundo consumiam cerca de 10 TWh/ano, o mesmo que a República Checa.

O ruído intenso também prejudica os níveis de audição humana —acima de 80 dBa. É por isso que as unidades de mineração são normalmente mantidas em caves ou instalações de mineração para evitar perturbar as actividades do dia a dia.

O que é Proof of Stake?

Proof of Stake (PoS) é o segundo algoritmo de consenso mais popular. Em vez de mineradores, as blockchains PoS têm validadores de rede que usam as suas moedas/tokens como evidência do seu compromisso com a rede, em vez de poder computacional.

Fazer staking significa “bloquear” activos cripto durante um período numa plataforma de blockchain, e, em retorno, recompensa os utilizadores com mais criptomoeda.

PoW vs. PoS: principais diferenças

No PoS, os utilizadores podem fazer staking de uma parte dos seus activos com o único objectivo de gerar rendimento passivo. A outra opção é tornar-se validador. Ao contrário dos sistemas PoW, os validadores não competem para criar novos blocos, já que são escolhidos aleatoriamente por um algoritmo. Quanto mais moedas/tokens um utilizador fizer staking, maiores são as suas hipóteses de se tornar validador e criar novos blocos na blockchain.

Nos sistemas PoW, o tempo para gerar novos blocos é determinado pela dificuldade de mineração; quanto mais participantes entram na rede, maior o hashpower, ou seja, o poder computacional necessário para minerar novos blocos. Em contrapartida, as blockchains PoS têm um tempo fixo para a geração de blocos, dividido em slots —o tempo que leva a criar um bloco— e em epochs, que são unidades de tempo constituídas por slots.

Para explicar melhor: um slot na Ethereum consiste em 12 segundos, que é quanto tempo a rede demora a criar um bloco, e 32 slots criam uma epoch. Portanto, uma epoch é de 6,4 minutos. Cada slot numa blockchain PoS tem um número predeterminado de validadores que votam sobre a validade do bloco proposto. Se o bloco for válido, é adicionado à cadeia, e o proponente do bloco e os attestadores recebem recompensas em ETH.

As blockchains PoS punem actores maliciosos por atacarem a rede com ataques do tipo 51%, o que é chamado de slashing; nesse processo, os validadores honestos expulsam o validador malicioso da rede e esvaziam o seu saldo. Isto desencoraja actores maliciosos de atacarem a rede, uma vez que o número de fundos em staking necessários é consideravelmente elevado. No caso da Ethereum, 32 ETH.

Prós do PoS:

• Menos intensivo em energia do que o PoW
• Mais adequado para trabalhar com soluções de camada 2 do que o PoW
• Capaz de atingir um throughput mais elevado, já que o consenso é estabelecido antes de os blocos serem passados.
• Mais barato do que blockchains PoW, pois não requer hardware de topo para criar novos blocos.

Contras do PoS

• Os sistemas PoS ainda estão sujeitos à centralização se validadores com um grande número de tokens em staking conseguirem influenciar a rede.
• Menos comprovado em termos de segurança do que as blockchains PoW.

O que é Proof of History?

**Proof of History (PoH) é um algoritmo de consenso apresentado pela blockchain Solana e consiste em colocar um timestamp em todos os eventos na rede para provar que aconteceram num dado momento. **O PoH pode ser descrito como um relógio criptográfico que confirma transacções em ordem sequencial.

A Solana combina a sua abordagem PoH com PoS. Por isso, os participantes da rede têm de fazer staking de SOL para se tornarem validadores e processarem novos blocos, e o mecanismo PoH verifica a validade dessas transacções que ocorrem em tempo real. Por outras palavras, o PoH mantém a segurança, enquanto o PoS traz uma rede de validadores que pode verificar os timestamps e confirmar as transacções.

No entanto, a Solana sacrifica a descentralização para fornecer um throughput de transacções extremamente rápido. A blockchain assenta numa arquitectura semi-centralizada em que um único nó é eleito como líder, responsável por implementar uma única fonte de tempo, ou seja, o relógio PoH, e todos os outros nós têm de seguir as sequências de tempo de forma correspondente. Os líderes são eleitos periodicamente através de eleições PoS.

Embora a Solana seja uma das blockchains mais rápidas da indústria, sofre regularmente com interrupções (downtimes). Desde o seu lançamento em 2020, a rede sofreu aproximadamente dez interrupções, cinco das quais ocorreram em 2022. A razão principal para estas falhas é um “nó mal configurado”.

O que é Delegated Proof of Stake?

Delegated Proof of Stake** (DPoS) é uma variação do conceito de PoS em que a comunidade desempenha um papel central.**

Em blockchains DPoS, os membros da comunidade fazem staking das suas criptomoedas para votar nos próximos witnesses ou delegados para a produção de blocos. Para o fazer, os utilizadores têm de agregar os seus tokens no pool de staking da blockchain e, em seguida, ligar os fundos a um delegado especificado.

O DPoS foi desenvolvido pelo antigo CTO da EOS, Dan Larimer, que implementou o algoritmo na BitShares em 2015. Larimer e outros defensores do DPoS disseram que o DPoS alarga o âmbito democrático, já que é a comunidade que escolhe o próximo validador. Hoje, blockchains como TRON e Cardano usam DPoS.

No entanto, a crítica ao DPoS é que a sua metodologia favorece utilizadores ricos. Aqueles com um grande número de tokens conseguem ter uma influência maior na rede. Vitalik Buterin foi um dos primeiros críticos do DPoS, afirmando num post de blog que este algoritmo de consenso incentiva os witnesses a formarem cartel e a subornarem eleitores para obter apoio.

O que é Proof of Authority?

**Proof of Authority (PoA) é um algoritmo de consenso em que apenas membros com permissões podem interagir com a blockchain, realizar transacções, fazer ou sugerir alterações a parâmetros de rede, rever o histórico de transacções, etc. **

O termo foi cunhado por Gavin Wood, um programador de blockchain que co-fundou a Ethereum, a Polkadot e a rede Kusama.

Numa blockchain PoA, **tudo tem a ver com reputação —os participantes da rede estão a fazer staking das suas identidades em vez de moedas. **Eles fornecem um nível superior de escalabilidade e throughput, já que dependem apenas de um número limitado de validadores. Podemos pensar que este é um modelo fortemente centralizado, mas as blockchains PoA são normalmente privadas e ajustam-se melhor a empresas e organizações que usam tecnologia blockchain para melhorar negócios e sistemas operacionais.

O que é Proof of Elapsed Time?

Proof of Elapsed Time (PoET) é outro algoritmo de consenso que funciona melhor com blockchains privadas.

O algoritmo PoET foi apresentado pela primeira vez por programadores de software da Intel e implementado no Hyperledger Sawtooth, destinado a blockchains privadas e instituições.

O algoritmo pode não ser tão popular como outras blockchains, já que não foi definido de forma adequada. Mas a ideia era apresentar um motor pronto, estilo Nakamoto, que permitia a blockchains privadas escolherem o próximo produtor de blocos. E como é que se diferenciam? Bem, o algoritmo gera um “tempo de espera aleatório” para cada nó de rede e, durante esse tempo, o nó deve “sleep”. O nó com o período de espera mais curto acorda primeiro e ganha o direito de produzir um bloco na cadeia.

Assim, a principal diferença é que os mineradores no PoET não estão a trabalhar 24/7 e consomem menos energia. Além disso, numa rede PoW, os mineradores competem para fazer hash do próximo cabeçalho de bloco, enquanto no PoET é mais um sistema de selecção aleatória.

Perguntas frequentes sobre Algoritmos de Consenso:

A Ethereum vai ficar mais rápida agora que transitou para PoS?

Um equívoco comum é que a Ethereum vai escalar automaticamente agora que é uma blockchain baseada em PoS. No entanto, esta transição foi feita para melhorar a Ethereum por:

• Reduzir o consumo de energia
• Reduzir as barreiras à entrada, eliminando requisitos de hardware
• Permitir penalizações económicas por comportamento incorrecto dos nós
• Introduzir um novo modelo para emissões de tokens
• E criar uma melhor infra-estrutura para trabalhar com soluções da Ethereum Layer-2.

**O que são blockchains permissionless e permissioned?: **

Uma blockchain permissionless refere-se a uma blockchain pública em que qualquer pessoa pode efectuar transacções, rever o histórico de transacções, fazer staking de moedas, tornar-se validador, etc. Por outro lado, em blockchains permissioned (privadas), apenas os membros com permissões podem aceder à rede para fazer transacções, interagir com nós de rede, acompanhar actividades on-chain, etc.

O PoW é o algoritmo de consenso mais seguro? O PoW tem a sua quota de desvantagens, mas até agora tem sido a forma mais comprovada e confiável de manter o consenso e a segurança de uma rede numa blockchain.

Considerações finais: algoritmo de consenso explicado

A blockchain é uma tecnologia capaz de resolver muitos desafios e pontos de dor em diferentes indústrias, não apenas em banca e finanças. No entanto, tem também a sua quota de contratempos. Por isso, os programadores criaram vários tipos e versões de algoritmos de consenso para lidar com problemas comuns, como centralização, falta de escalabilidade e baixo throughput.

Mas falar sobre o futuro dos algoritmos de blockchain é difícil devido a um desafio: o Trilema da Blockchain. Primeiramente descrito por Vitalik Buterin, afirma a incapacidade das redes blockchain em fornecer dois dos três benefícios: descentralização, segurança e escalabilidade. Existem várias plataformas de blockchain, como Fantom e Solana, que implementaram versões híbridas próprias de algoritmos de consenso na tentativa de resolver o trilema da blockchain, mas nenhuma teve realmente sucesso até agora.

Outras abordagens técnicas foram feitas para melhorar as propriedades da blockchain, e uma das mais populares são as layer-2s, que são cadeias ligadas a uma layer-1, por exemplo Arbitrum com Ethereum, e o sharding, que divide toda a blockchain em muitas redes mais pequenas. Maserin considera o sharding como a melhor abordagem para fornecer as três propriedades de uma blockchain perfeita.