Различные типы алгоритмов консенсуса

Алгоритм консенсуса — это процедура, используемая в информатике, в которой участники распределенной сети соглашаются с состоянием сети или состоянием одного значения данных и устанавливают доверие между неизвестными участниками сети.

Алгоритмы консенсуса разработаны так, чтобы члены блокчейна пришли к соглашению для проверки транзакции в сети, изменения параметров сети, определения, какие узлы надежны для обработки новых блоков, и выполнения других важных функций.

Не позволяйте техническому характеру этой статьи сбивать вас с толку — поиск «консенсуса» окружает нас повсюду — это очень человеческое понятие, просто примененное к чему-то, что можно автоматизировать.

Для начала, в централизованных системах задачи консенсуса выполняются центральным органом.

В децентрализованных системах, таких как Bitcoin, у нас есть сеть, состоящая из сотен, тысяч и даже сотен тысяч майнеров или узлов, которые объединяются для выполнения одной или нескольких задач и обеспечения надежной и эффективной экосистемы.

Думая о децентрализованном консенсусе с помощью этого примера, предположим, что вы находитесь в группе из четырех друзей, и один из участников, Алекс, представляет пятого человека, Боба. Когда Боб уходит, скорее всего, группа начнет обсуждать Боба (это протокол), чтобы узнать, понравился ли он им (результатом будет «консенсус»).

Хосе: «Боб кажется классным парнем.»

Кевин: «Да, классный парень. Как ты его встретил?»

Алекс: «Он был в одном из моих финансовых курсов в колледже; мы делились советами по криптоторговле, и он оказался довольно забавным парнем.»

Кевин: «Хорошо, но его мемы были просто супер странными.»

Джон: «Ты просто не понимаешь мем-культуру.»

Хосе: «Да, ты не проводишь много времени, пролистывая TikTok — я думал, что они довольно смешные.»

В этом примере был достигнут «консенсус» относительно того, хорошо ли Боб вписывается в группу друзей. Часто существует необходимый консенсус мнений, даже в отсутствие конкретных обязательств или заключенных контрактов. Один из участников, Кевин, колебался по поводу допуска Боба в группу, но Хосе, Алекс и Джон были не против Боба.

В данном случае, если бы мы попытались закодировать вышеупомянутый пример в алгоритм консенсуса: тогда это будет 3 «он классный» и 1 «он классный, но я не уверен по поводу XYZ», что все равно приведет к «он классный». Большинство побеждает, поэтому Боб сможет общаться с классными ребятами, несмотря на мнение Кевина.

Биткойн, например, создан для того, чтобы находить консенсус о том, являются ли новые транзакции действительными («классными») или нет.

Здесь мы рассмотрим самые популярные — и не очень популярные — типы алгоритмов консенсуса блокчейна в публичных и частных сетях.

Что такое Proof of Work?

Proof of Work (PoW) — это самый популярный и старый алгоритм консенсуса, который появился с созданием Биткойна в 2009 году Сатоши Накамото. Система PoW состоит из глобальной сети майнеров — называемых узлами сети — которые конкурируют за решение математических задач. Майнер, который успешно решает задачу, получает право добавить новый блок в блокчейн и получает вознаграждение, выплачиваемое в вновь созданной криптовалюте.

Proof of work — это в основном способ майнера показать доказательства того, что он предоставил вычислительную мощность для достижения консенсуса в сети и проверки подлинности каждого блока. Кроме того, каждый блок (транзакция) упорядочен в последовательном порядке, что исключает риск двойных расходов.

До сих пор PoW был самым безопасным механизмом консенсуса для криптовалютных блокчейнов. Изменение сети потребовало бы от злоумышленника повторного майнинга всех существующих блоков в цепочке. Чем больше растет блокчейн, тем сложнее монополизировать вычислительную мощность сети, так как это потребовало бы огромного потребления энергии и дорогого оборудования.

Как только майнер решает задачу, он находит nonce (сокращение от number used once), который производит хеш со значением, меньшим или равным тому, что установлено сложностью сети.

Nonce является центральной частью систем PoW, так как он позволяет майнеру создать заголовок блока, зашифрованный с помощью хеш-функции SHA-256, что означает указание номера ссылки для блока в цепочке. Заголовок блока также содержит временную метку и хеш предыдущего блока.

Недостатки PoW

Майнерам необходимо предоставлять значительную вычислительную мощность для решения задач. Но поскольку вычисления сложны, количество энергии, которое потребляет один S9 Antminer, обычно составляет от 1400 до 1500 ватт в час при хешрейте 14.5 TH/s. S19, более мощная версия, потребляет 3250 ватт в час при хешрейте 110 TH/s.

С помощью некоторых расчетов мы можем определить количество энергии, которую потребляют центры обработки данных или горнодобывающие компании с сотнями или тысячами горных установок в одном месте ежедневно. Высокое потребление энергии и ущерб окружающей среде — это основная критика, выдвинутая против Proof of Work.

Чтобы проиллюстрировать это, до перехода Ethereum на Proof of Stake, майнеры Ethereum по всему миру потребляли около 10 TWh/год, что соответствует потреблению Чехии.

Громкий шум также вреден для уровня слуха человека — выше 80 дБа. Именно поэтому горные установки обычно размещают в подвалах или горных помещениях, чтобы избежать нарушения повседневной деятельности.

Что такое Proof of Stake?

Proof of Stake (PoS) — это второй по популярности алгоритм консенсуса. Вместо майнеров блокчейны PoS имеют сетевых валидаторов, которые используют свои монеты/токены в качестве доказательства своей приверженности сети, а не вычислительной мощности.

Стейкинг означает «блокировку» криптоактивов на определенный период на платформе блокчейна, что, в свою очередь, вознаграждает пользователей дополнительной криптовалютой.

PoW против PoS: основные различия

В PoS пользователи могут ставить часть своих активов с единственной целью получения пассивного дохода. Другой вариант — стать валидатором. В отличие от систем PoW, валидаторы не конкурируют для создания новых блоков, так как они выбираются случайным образом алгоритмом. Чем больше монет/токенов ставит пользователь, тем больше вероятность стать валидатором и создавать новые блоки в блокчейне.

В системах PoW время на создание новых блоков определяется сложностью майнинга; чем больше участников присоединяется к сети, тем больше хешмощность, т.е. вычислительная мощность, необходимая для майнинга новых блоков. Напротив, блокчейны PoS имеют фиксированное время генерации блоков, разделенное на слоты — время, необходимое для создания блока — и эпохи, которые представляют собой единицы времени, состоящие из слотов.

Чтобы лучше объяснить это, слот в Ethereum составляет 12 секунд, что является временем, необходимым сети для создания блока, и 32 слота создают эпоху. Таким образом, одна эпоха составляет 6.4 минуты. Каждый слот в блокчейне PoS имеет заранее определенное количество валидаторов, которые голосуют за действительность предлагаемого блока. Если блок действителен, он добавляется в цепь, а предлагающий блок и аттестаторы получают вознаграждение в ETH.

Блокчейны PoS наказывают злонамеренных участников за атаки на сеть в стиле 51%, что называется «слежением», когда честные валидаторы исключают злонамеренного валидатора из сети и истощают его баланс. Это отталкивает злонамеренных участников от атак на сеть, так как требуемое количество ставленных средств довольно велико. В случае Ethereum это 32 ETH.

Плюсы PoS:

• Менее энергоемкий по сравнению с PoW
• Более подходящий для работы с решениями второго уровня, чем PoW
• Способен достичь более высокой пропускной способности, поскольку консенсус устанавливается до передачи блоков.
• Менее дорогостоящий, чем блокчейны PoW, так как не требует элитного оборудования для создания новых блоков.

Недостатки PoS

• Системы PoS все еще подвержены централизации, если валидаторы с большим количеством ставленных токенов могут влиять на сеть.
• Менее доказаны с точки зрения безопасности по сравнению с блокчейнами PoW.

Что такое Proof of History?

Proof of History (PoH) — это алгоритм консенсуса, представленный блокчейном Solana и состоящий в присвоении временной метки всем событиям в сети, чтобы доказать, что они произошли в определенное время. PoH можно описать как криптографические часы, которые подтверждают транзакции в последовательном порядке.

Solana сочетает свой подход PoH с PoS. Поэтому участники сети должны ставить SOL, чтобы стать валидаторами и обрабатывать новые блоки, а механизм PoH проверяет действительность этих транзакций в реальном времени. Другими словами, PoH обеспечивает безопасность, в то время как PoS создает сеть валидаторов, которые могут проверять временные метки и подтверждать транзакции.

Однако Solana жертвует децентрализацией, чтобы обеспечить молниеносную пропускную способность транзакций. Блокчейн полагается на полузаваренную архитектуру, в которой один узел избирается в качестве лидера, который отвечает за внедрение единого источника времени, т.е. часов PoH, и все остальные узлы должны следовать последовательностям времени соответственно. Лидеры периодически избираются через выборы PoS.

Хотя Solana является одним из самых быстрых блокчейнов в отрасли, она регулярно сталкивается с простоями. С момента своего запуска в 2020 году сеть испытала примерно десять простоев, пять из которых произошли в 2022 году. Основной причиной этих отключений является «неправильно настроенный узел».

Что такое Делегированный Proof of Stake?

Делегированный Proof of Stake (DPoS) — это вариант концепции PoS, в которой сообщество играет центральную роль.

В блокчейнах DPoS члены сообщества ставят свои криптовалюты, чтобы голосовать за следующих свидетелей или делегатов для производства блоков. Для этого пользователи должны объединить свои токены в пул стейкинга блокчейна, а затем связать средства с указанным делегатом.

DPoS был разработан бывшим CTO EOS Дэном Ларимером, который внедрил алгоритм на BitShares в 2015 году. Лаример и другие сторонники DPoS утверждали, что DPoS расширяет демократический охват, поскольку именно сообщество выбирает следующего валидатора. Сегодня такие блокчейны, как TRON и Cardano, используют DPoS.

Однако критика DPoS заключается в том, что его методология благоприятствует богатым пользователям. Те, у кого много токенов, могут оказывать большее влияние на сеть. Виталик Бутерин был одним из первых критиков DPoS, заявив в блоге, что этот алгоритм консенсуса стимулирует свидетелей формировать картели и подкупать избирателей для получения поддержки.

Что такое Proof of Authority?

Proof of Authority (PoA) — это алгоритм консенсуса, в котором только уполномоченные участники могут взаимодействовать с блокчейном, выполнять транзакции, вносить или предлагать изменения параметров сети, просматривать историю транзакций и т.д.

Термин был введен Гэвином Вудом, разработчиком блокчейна, который соучредил Ethereum, Polkadot и Kusama Network.

В блокчейне PoA все вращается вокруг репутации — участники сети ставят свои идентичности вместо монет. Они обеспечивают более высокий уровень масштабируемости и пропускной способности, поскольку это зависит только от ограниченного числа валидаторов. Мы можем думать, что это сильно централизованная модель, но блокчейны PoA обычно являются частными и лучше подходят для предприятий и организаций, которые используют технологии блокчейна для улучшения бизнеса и операционных систем.

Что такое Proof of Elapsed Time?

Proof of Elapsed Time (PoET) — это еще один алгоритм консенсуса, который лучше всего работает с частными блокчейнами.

Алгоритм PoET был впервые представлен разработчиками программного обеспечения Intel и внедрен в Hyperledger Sawtooth, нацеленный на частные блокчейны и учреждения.

Алгоритм может быть не столь популярным, как другие блокчейны, поскольку он не был должным образом определен. Но идея заключалась в том, чтобы представить готовый, стилизованный по Накамото двигатель, который позволял бы частным блокчейнам выбирать следующего производителя блока. А чем они отличаются? Ну, алгоритм генерирует «случайное время ожидания» для каждого узла сети, и в это время узел должен «спать». Узел с самым коротким временем ожидания просыпается первым и получает право произвести блок в цепочке.

Таким образом, основное отличие заключается в том, что майнеры в PoET не работают круглосуточно и потребляют меньше энергии. Кроме того, в сети PoW майнеры конкурируют за хеширование следующего заголовка блока, тогда как в PoET это скорее случайная система отбора.

Часто задаваемые вопросы по алгоритмам консенсуса:

Станет ли Ethereum быстрее теперь, когда он перешел на PoS?

Распространенное заблуждение заключается в том, что Ethereum автоматически масштабируется теперь, когда это блокчейн на основе PoS. Однако этот переход был сделан для улучшения Ethereum путем:

• Снижения потребления энергии
• Снижения барьеров для входа путем устранения аппаратных требований
• Предоставления экономических штрафов за неправильное поведение узлов
• Введения новой модели эмиссии токенов
• И лучшей инфраструктуры для работы с решениями второго уровня Ethereum.

Что такое неконтролируемые и контролируемые блокчейны?:

Неконтролируемый блокчейн относится к публичному блокчейну, в котором любой может выполнять транзакции, просматривать историю транзакций, ставить монеты, становиться валидатором и т.д. С другой стороны, в контролируемых (частных) блокчейнах только участники с разрешением могут получить доступ к сети для выполнения транзакций, взаимодействия с узлами сети, отслеживания активности в цепочке и т.д.

Является ли PoW самым безопасным алгоритмом консенсуса? PoW имеет свои недостатки, но до сих пор это самый проверенный и надежный способ поддерживать консенсус и безопасность сети в блокчейне.

Заключительные мысли: алгоритм консенсуса объяснен

Блокчейн — это технология, способная решать множество проблем и болевых точек в различных отраслях, не только в банковском деле и финансах. Однако у него есть свои недостатки. Поэтому разработчики создали множество типов и версий алгоритмов консенсуса для решения общих проблем, таких как централизация, нехватка масштабируемости и низкая пропускная способность.

Но говорить о будущем алгоритмов блокчейна сложно из-за одной проблемы: Трилемма блокчейна. Впервые обозначенная Виталиком Бутериным, она утверждает, что блокчейн-сети не могут предоставить два из трех преимуществ: децентрализацию, безопасность и масштабируемость. Существуют несколько платформ, таких как Fantom и Solana, которые реализовали свои собственные гибридные версии алгоритмов консенсуса в попытке решить Трилемму блокчейна, но пока ни одна из них не была действительно успешной.

Другие технические подходы были предприняты для улучшения свойств блокчейна, и одним из самых популярных является решение Layer-2, которое представляет собой цепи, подключенные к Layer-1, например, Arbitrum с Ethereum, и шардирование, которое делит весь блокчейн на множество меньших сетей. Бутерин считает, что шардирование — лучший способ обеспечить три свойства идеального блокчейна.