Різні типи алгоритмів консенсусу

Алгоритм консенсусу — це процедура, що використовується в комп’ютерних науках, в якій учасники розподіленої мережі погоджуються з станом мережі або станом одного значення даних і встановлюють довіру між невідомими однолітками в мережі.

Алгоритми консенсусу розроблені так, щоб учасники блокчейну досягали згоди для підтвердження транзакції в мережі, зміни параметрів мережі, визначення, які вузли є надійними для обробки нових блоків, та інших важливих функцій.

Не дозволяйте технічній природі цієї статті збити вас з пантелику — пошук «консенсусу» оточує нас всюди — це дуже людська концепція, але просто застосована до чогось, що можна автоматизувати.

Для початку, в централізованих системах завдання консенсусу виконуються центральним органом.

У децентралізованих системах, таких як Біткоїн, у нас є мережа, що складається з сотень, тисяч і навіть сотень тисяч гірників або вузлів, які об’єднуються для виконання одного або кількох завдань і забезпечення надійної та ефективної екосистеми.

Думаючи про децентралізований консенсус з цього прикладу, припустимо, що ви в групі з чотирьох друзів, і один з учасників, Алекс, знайомить п’ятого, Боба. Коли Боб піде, найімовірніше, група почне обговорювати Боба (це протокол), щоб зрозуміти, чи сподобався він їм (результат буде «консенсусом»).

Хосе: «Боб, здається, класний хлопець.»

Кевін: «Так, класний хлопець. Як ти з ним познайомився?»

Алекс: «Він був в одному з моїх фінансових курсів в університеті; ми ділилися порадами з криптотрейдингу, і він виявився досить веселим хлопцем.»

Кевін: «Гарно, але його меми були просто надзвичайно дивними.»

Джон: «Ти просто не розумієш культуру мемів.»

Хосе: «Так, ти не витрачаєш багато часу на скролінг TikTok — я вважав їх досить смішними.»

У цьому прикладі був досягнутий «консенсус» щодо того, наскільки добре Боб інтегрується в коло друзів. Часто існує необхідний консенсус думок, навіть за відсутності конкретних зобов’язань або контрактів. Один учасник, Кевін, неохоче ставиться до того, щоб впустити Боба в групу, але Хосе, Алекс і Джон — за Боба.

У цьому випадку, якщо ми закодуємо вище наведений приклад в алгоритм консенсусу: тоді буде 3 «він класний» і 1 «він класний, але я не впевнений щодо XYZ», що все ще призведе до «він класний». Перемога більшості, отже, Боб зможе проводити час з класними хлопцями, незважаючи на думку Кевіна.

Біткоїн, наприклад, побудований для пошуку консенсусу щодо того, чи є нові транзакції дійсними («класними»), чи ні.

Тут ми розглянемо найпопулярніші — і не дуже популярні — типи алгоритмів консенсусу блокчейну в публічних та приватних мережах.

Що таке Proof of Work?

Proof of Work (PoW) — це найпопулярніший і найстаріший алгоритм консенсусу, який з’явився з створенням Біткоїна в 2009 році Сатоші Накамото. Система PoW складається з глобальної мережі гірників — так званих вузлів мережі — які змагаються за розв’язування математичних головоломок. Гірник, який успішно розв’язує головоломку, отримує право додати новий блок до блокчейну і отримує винагороду у вигляді новоствореної криптовалюти.

Proof of Work — це, по суті, спосіб гірника показати докази того, що він надав обчислювальну потужність для досягнення консенсусу в мережі та підтвердження автентичності кожного блоку. Далі, кожен блок (транзакція) розташований у послідовному порядку, що усуває ризик подвійного витрачання.

Досі PoW був найнадійнішим механізмом консенсусу для криптовалютних блокчейнів. Зміна мережі вимагала б від атакуючого повторного видобутку всіх існуючих блоків у ланцюзі. Чим більше зростає блокчейн, тим важче монополізувати обчислювальну потужність мережі, оскільки це вимагало б величезних витрат енергії та дорогого обладнання.

Коли гірник розв’язує головоломку, він знаходить nonce (скорочено від number used once), який генерує хеш зі значенням нижче або рівному тому, що встановлено складністю мережі.

Nonce є центральною частиною систем PoW, оскільки він дозволяє гірнику створити заголовок блоку, зашифрований за допомогою хеш-функції SHA-256, що означає, що він ставить номер посилання для блоку в ланцюзі. Заголовок блоку також містить мітку часу та хеш попереднього блоку.

Недоліки PoW

Гірникам потрібно надати значну обчислювальну потужність для розв’язання головоломок. Але оскільки обчислення є складними, кількість енергії, яку споживає один S9 Antminer, зазвичай становить від 1400 до 1500 ватів на годину при хешрейті 14.5 TH/s. S19, більш потужна версія, споживає 3250 ватів на годину при хешрейті 110 TH/s.

З невеликою математикою ми можемо розрахувати кількість енергії, яку споживають дата-центри або компанії з видобутку, з сотнями або тисячами видобувних установок в одному місці щодня. Високе споживання енергії та шкода для навколишнього середовища є основною критикою, яку висувають до Proof of Work.

Щоб поставити це в контекст, до того, як Ethereum перейшов на Proof of Stake, гірники Ethereum у всьому світі споживали близько 10 TWh/рік, що дорівнює споживанню Чехії.

Гучний шум також шкодить рівням слуху людини — понад 80 dBa. Ось чому видобувні установки зазвичай зберігаються в підвалах або видобувних установках, щоб уникнути порушення повсякденних справ.

Що таке Proof of Stake?

Proof of Stake (PoS) — це другий за популярністю алгоритм консенсусу. Замість гірників, блокчейни PoS мають мережевих валідаторів, які використовують свої монети/токени як доказ своєї прихильності до мережі, а не обчислювальної потужності.

Ставка означає «блокування» криптоактивів на певний період у платформі блокчейну, що, в свою чергу, винагороджує користувачів більшою кількістю криптовалюти.

PoW проти PoS: Основні відмінності

У PoS користувачі можуть ставити частину своїх активів з єдиною метою отримання пасивного доходу. Інша опція — стати валідатором. На відміну від систем PoW, валідатори не змагаються за створення нових блоків, оскільки вони вибираються випадковим чином алгоритмом. Чим більше монет/токенів ставить користувач, тим більша ймовірність стати валідатором і створити нові блоки в блокчейні.

У системах PoW час для генерації нових блоків визначається складністю видобутку; чим більше учасників приєднується до мережі, тим більша хешпотужність, тобто обчислювальна потужність, необхідна для видобутку нових блоків. На відміну від цього, блокчейни PoS мають фіксований час генерації блоків, розділений на слоти — час, необхідний для створення блоку — та епохи, які є одиницями часу, що складаються зі слотів.

Щоб пояснити це краще, слот в Ethereum складає 12 секунд, що є часом, необхідним мережі для створення блоку, і 32 слоти створюють епоху. Таким чином, одна епоха триває 6.4 хвилини. Кожен слот в блокчейні PoS має заздалегідь визначену кількість валідаторів, які голосують за дійсність пропонованого блоку. Якщо блок дійсний, він додається до ланцюга, а пропонент блоку та атестори отримують винагороду в ETH.

Блокчейни PoS карають зловмисних учасників за атаки на мережу в стилі 51%, що називається «слайшинг», де чесні валідатори викидають зловмисного валідатора з мережі та зменшують їх баланс. Це відбиває бажання зловмисних учасників атакувати мережу, оскільки необхідна кількість ставлених коштів є значно високою. У випадку з Ethereum це 32 ETH.

Переваги PoS:

• Менш енергоємний в порівнянні з PoW
• Більш підходить для роботи з рішеннями другого рівня, ніж PoW
• Здатний досягти вищої пропускної здатності, оскільки консенсус встановлюється перед передачею блоків.
• Менш дорогий, ніж блокчейни PoW, оскільки не потребує елітного обладнання для створення нових блоків.

Недоліки PoS

• Системи PoS все ще підлягають централізації, якщо валідатори з великою кількістю ставлених токенів можуть впливати на мережу.
• Менш перевірені з точки зору безпеки в порівнянні з блокчейнами PoW.

Що таке Proof of History?

Proof of History (PoH) — це алгоритм консенсусу, представлений блокчейном Solana, який полягає в присвоєнні мітки часу всім подіям у мережі, щоб підтвердити, що вони відбулися в певний час. PoH можна описати як криптографічний годинник, який підтверджує транзакції у послідовному порядку.

Solana поєднує свій підхід PoH з PoS. Отже, учасники мережі повинні ставити SOL, щоб стати валідаторами та обробляти нові блоки, а механізм PoH перевіряє дійсність тих транзакцій, які відбуваються в реальному часі. Іншими словами, PoH підтримує безпеку, тоді як PoS забезпечує мережу валідаторів, які можуть перевіряти мітки часу та підтверджувати транзакції.

Проте Solana жертвує децентралізацією, щоб забезпечити неймовірно швидкий пропускний здатність транзакцій. Блокчейн покладається на напівцентралізовану архітектуру, в якій один вузол обирається як лідер, відповідальний за реалізацію єдиного джерела часу, тобто годинника PoH, і всі інші вузли повинні дотримуватися послідовності часу відповідно. Лідери періодично вибираються через вибори PoS.

Хоча Solana є одним з найшвидших блокчейнів у галузі, вона регулярно страждає від простоїв. З моменту свого запуску в 2020 році мережа зазнала приблизно десяти простоїв, п’ять з яких відбулися в 2022 році. Основною причиною цих відключень є «неправильно налаштований вузол».

Що таке Делегований Proof of Stake?

Делегований Proof of Stake (DPoS) — це варіація концепції PoS, в якій спільнота грає центральну роль.

У блокчейнах DPoS члени спільноти ставлять свої криптовалюти, щоб голосувати за наступних свідків або делегатів для виробництва блоків. Для цього користувачі повинні об’єднати свої токени в пулі стейкінгу блокчейну, а потім зв’язати кошти з вказаним делегатом.

DPoS був розроблений колишнім технічним директором EOS Даном Ларимером, який реалізував алгоритм на BitShares у 2015 році. Лаример і інші прихильники DPoS заявили, що DPoS розширює демократичний обсяг, оскільки саме спільнота обирає наступного валідатора. Сьогодні блокчейни, такі як TRON і Cardano, використовують DPoS.

Однак критика DPoS полягає в тому, що його методологія надає перевагу заможним користувачам. Ті, хто має велику кількість токенів, можуть мати більший вплив на мережу. Віталік Бутерін був одним з перших критиків DPoS, стверджуючи в блозі, що цей алгоритм консенсусу заохочує свідків формувати картелі та підкуповувати виборців для підтримки.

Що таке Proof of Authority?

Proof of Authority (PoA) — це алгоритм консенсусу, в якому тільки уповноважені учасники можуть взаємодіяти з блокчейном, виконувати транзакції, вносити або пропонувати зміни параметрів мережі, переглядати історію транзакцій тощо.

Термін був введений Гевіном Вудом, розробником блокчейну, який спільно заснував Ethereum, Polkadot та Kusama Network.

У блокчейні PoA все зводиться до репутації — учасники мережі ставлять свої ідентичності замість монет. Вони забезпечують вищий рівень масштабованості та пропускної здатності, оскільки покладаються лише на обмежену кількість валідаторів. Ми можемо вважати це сильно централізованою моделлю, але блокчейни PoA зазвичай є приватними і краще підходять для підприємств та організацій, які використовують технологію блокчейн для покращення бізнесу та операційних систем.

Що таке Proof of Elapsed Time?

Proof of Elapsed Time (PoET) — це ще один алгоритм консенсусу, який найкраще працює з приватними блокчейнами.

Алгоритм PoET вперше був представлений розробниками програмного забезпечення Intel і реалізований у Hyperledger Sawtooth, орієнтованому на приватні блокчейни та установи.

Цей алгоритм може бути не таким популярним, як інші блокчейни, оскільки не був адекватно визначений. Але ідея полягала в тому, щоб представити готовий, стилю Накамото, механізм, який дозволяв приватним блокчейнам вибирати наступного виробника блоку. І як вони відрізняються? Ну, алгоритм генерує «випадковий час очікування» для кожного вузла мережі, і протягом цього часу вузол повинен «спати». Вузол із найкоротшим часом очікування прокидається першим і отримує право виробляти блок у ланцюзі.

Отже, основна відмінність полягає в тому, що гірники в PoET не працюють 24/7 і споживають менше енергії. Далі, в мережі PoW гірники змагаються за хешування заголовка наступного блоку, тоді як у PoET це більше система випадкового вибору.

FAQ про алгоритми консенсусу:

Чи стане Ethereum швидшим, тепер, коли він перейшов на PoS?

Загальне непорозуміння полягає в тому, що Ethereum автоматично масштабуватиметься, тепер, коли він є блокчейном на базі PoS. Однак цей перехід було здійснено для покращення Ethereum, шляхом:

• Зниження споживання енергії
• Зниження бар’єрів для входу шляхом усунення вимог до апаратного забезпечення
• Дозволу економічних штрафів за неналежну поведінку вузлів
• Введення нової моделі для емісії токенів
• І кращої інфраструктури для роботи з рішеннями другого рівня Ethereum.

Що таке бездозвільні та дозвільні блокчейни?:

Бездозвільний блокчейн відноситься до публічного блокчейну, в якому будь-хто може виконувати транзакції, переглядати історію транзакцій, ставити монети, ставати валідатором тощо. З іншого боку, в дозвільних (приватних) блокчейнах лише члени з дозволом можуть отримати доступ до мережі для виконання транзакцій, взаємодії з вузлами мережі, відстеження активності в ланцюзі тощо.

Чи є PoW найбільш безпечним алгоритмом консенсусу? PoW має свої недоліки, але досі це був найбільш перевірений і надійний спосіб підтримки консенсусу і безпеки мережі в блокчейні.

Остаточні думки: пояснення алгоритму консенсусу

Блокчейн — це технологія, здатна вирішувати багато викликів і проблем у різних галузях, не лише у банківській справі та фінансах. Проте вона має свої власні недоліки. Отже, розробники створили кілька типів і версій алгоритмів консенсусу для вирішення загальних проблем, таких як централізація, нестача масштабованості та низька пропускна здатність.

Проте говорити про майбутнє алгоритмів блокчейну важко через одну проблему: Трилема блокчейну. Вперше описана Віталіком Бутеріним, вона стверджує, що блокчейн-мережі не можуть забезпечити дві з трьох переваг: децентралізацію, безпеку та масштабованість. Існує кілька платформ блокчейну, таких як Fantom і Solana, які реалізували свої власні гібридні версії алгоритмів консенсусу в спробі вирішити трилему блокчейну, але жодна не була дійсно успішною досі.

Були зроблені й інші технічні підходи для покращення властивостей блокчейну, і одним з найпопулярніших є рішення другого рівня, які є ланцюгами, підключеними до першого рівня, наприклад, Arbitrum з Ethereum, і шардінг, що ділить весь блокчейн на багато менших мереж. Бутерін вважає шардінг найкращим підходом для забезпечення трьох властивостей ідеального блокчейну.