Різні типи алгоритмів консенсусу

Алгоритм консенсусу — це процедура, що використовується в інформатиці, у якій учасники розподіленої мережі домовляються про стан мережі або про стан одного-єдиного значення даних і встановлюють довіру серед невідомих однорангових вузлів у мережі.

Алгоритми консенсусу розроблені так, щоб члени блокчейну дійшли згоди щодо валідації транзакції в мережі, зміни параметрів мережі, визначення того, які вузли є надійними для обробки нових блоків, та інших важливих функцій.

Не дозволяйте технічній природі цієї статті збити вас із пантелику — «консенсус» є навколо нас усюди — це дуже людське поняття, але застосоване до того, що може бути автоматизованим.

**Почнемо з того, що в централізованих системах консенсусні задачі виконуються центральним органом. **

У децентралізованих системах на кшталт Bitcoin ми маємо мережу, що складається із сотень, тисяч і навіть сотень тисяч майнерів або вузлів, які приєднуються, щоб виконувати одне або кілька завдань, та забезпечують надійну й ефективну екосистему.

Розмірковуючи про децентралізований консенсус на цьому прикладі, припустімо, що ви в компанії з чотирьох друзів, і один із членів, Алекс, представляє п’яту людину, Боба. Коли Боб йде, найімовірніше, група почне обговорювати Боба (це протокол), щоб зрозуміти, чи він їм сподобався (результат буде «консенсусом»).

_Хосе: «Боб схожий на класного хлопця». _

Кевін: «Так, класний хлопець. Як ви познайомилися?»

_Алекс: «Він був на одному з моїх курсів із фінансів у коледжі; ми ділилися порадами щодо криптовалютної трейдингової практики, і в підсумку він виявився доволі кумедним хлопцем». _

_Кевін: «Класно, але його меми були просто дуже дивними». _

_Джон: «Ти просто не розумієш мем-культуру». _

_Хосе: «Так, ти не витрачаєш багато часу на перегортання TikTok — я думав, що вони досить смішні». _

У цьому прикладі «консенсус» було досягнуто щодо того, чи добре Боб інтегрується в дружню компанію. Часто існує необхідний консенсус щодо думки навіть за відсутності конкретних зобов’язань або контрактів, укладених. Один учасник, Кевін, неохоче ставиться до того, щоб впускати Боба в групу, але Хосе, Алекс і Джон — не проти Боба.

У такому разі, якби ми закодували наведений вище приклад в алгоритм консенсусу: тоді буде 3 «він класний» і 1 «він класний, але я не впевнений щодо XYZ» — і все одно це дасть «він класний». Більшість перемагає, тож Боб зможе тусуватися з класними хлопцями, незважаючи на думку Кевіна.

Наприклад, Bitcoin створений для того, щоб знайти консенсус щодо того, чи є нові транзакції дійсними («класними») чи ні.

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

Що таке Proof of Work?

**Proof of Work (PoW) — це найпопулярніший і найстаріший алгоритм консенсусу, який з’явився разом зі створенням Bitcoin у 2009 році Сатоші Накамото. **Система PoW складається із глобальної мережі майнерів —так званих мережевих вузлів— які змагаються за те, щоб розв’язати математичні задачі. Майнер, який успішно розв’язує задачу, отримує право додати новий блок до блокчейну та винагороду, що виплачується щойно створеною криптовалютою.

Proof of work по суті є способом майнера показати докази того, що він надав обчислювальну потужність для досягнення консенсусу в мережі та валідації автентичності кожного блоку. Далі, кожен блок (транзакція) розміщується в послідовному порядку, усуваючи ризик подвійних витрат.

Поки що PoW був найбільш надійним механізмом консенсусу для блокчейнів криптовалют. Щоб змінити мережу, зловмиснику потрібно було б перенмайнити всі наявні блоки в ланцюжку. Чим більше росте блокчейн, тим важче монополізувати обчислювальну потужність мережі, адже це вимагало б величезного споживання енергії та дорогого обладнання.

Коли майнер розв’язує задачу, він знаходить nonce (скорочено для «number used once», тобто число, що використовується один раз), який створює хеш із значенням нижчим або рівним тому, що встановлено мережевою складністю (difficulty).

Nonce є центральною частиною систем PoW, оскільки він дозволяє майнеру створити заголовок блоку, який хешується за допомогою функції SHA-256, тобто містити еталонне число для блоку в ланцюжку. Заголовок блоку також містить мітку часу та хеш попереднього блоку.

Недоліки PoW

Майнерам потрібно забезпечити значну обчислювальну потужність, щоб розв’язувати задачі. Але оскільки обчислення складні, кількість енергії, яку споживає один S9 Antminer, зазвичай становить від 1400 – 1500 ват-годин за годину для хешрейту 14.5 TH/s. S19, більш потужна версія, споживає 3250 ват-годин за годину при хешрейті 110 TH/s.

З певними обчисленнями ми можемо порахувати обсяг енергії, який споживають дата-центри або майнінгові компанії з сотнями чи тисячами майнінг-риґів в одному місці щодня. Високе споживання енергії та екологічна шкода — це головна критика, що висувається на адресу proof of work.

Щоб поставити це в перспективу, до того як Ethereum перейшов на Proof of Stake, майнери Ethereum у всьому світі споживали близько 10 TWh/yr, тобто стільки ж, скільки Чеська Республіка.

Гучний шум також шкодить рівню слуху людини —понад 80 dBa. Саме тому майнінг-риґи зазвичай тримають у підвалах або на майнінгових майданчиках, щоб не заважати щоденним активностям.

Що таке Proof of Stake?

Proof of Stake (PoS) — це другий за популярністю алгоритм консенсусу. Замість майнерів у PoS-блокчейнах є мережеві валідатори, які використовують свої монети/токени як доказ своєї відданості мережі, а не обчислювальну потужність.

Ставка (staking) означає «заморожування» криптоактивів на певний період у блокчейн-платформі, а натомість винагороджує користувачів більшою кількістю криптовалюти.

PoW vs. PoS: Основні відмінності

У PoS користувачі можуть зробити ставку на частину своїх активів лише з метою отримання пасивного доходу. Інший варіант — стати валідатором. На відміну від систем PoW, валідатори не змагаються за створення нових блоків, оскільки їх випадково обирає алгоритм. Чим більше монет/токенів користувач ставить, тим вищі його шанси стати валідатором і створювати нові блоки в блокчейні.

У системах PoW час для генерації нових блоків визначається майнінговою складністю; чим більше учасників приєднується до мережі, тим більша hashpower, тобто обчислювальна потужність, необхідна для майнінгу нових блоків. Натомість PoS-блокчейни мають фіксований час генерації блоків, поділений на слоти — час, потрібний для створення блоку— і епохи, які є одиницями часу, що складаються зі слотів.

Щоб пояснити це краще, слот у Ethereum складається з 12 секунд — це час, за який мережа створює блок, і 32 слоти утворюють епоху. Отже, одна епоха — 6.4 хвилини. Кожен слот у PoS-блокчейні має наперед визначену кількість валідаторів, які голосують щодо дійсності запропонованого блока. Якщо блок дійсний, його додають у ланцюжок, а пропонент блоку та атестатори отримують винагороди в ETH.

PoS-блокчейни карають зловмисників за атаки на мережу у стилі 51%, що називається slashing, коли чесні валідатори виключають зловмисного валідатора з мережі й «зливають» (drain) його баланс. Це стримує зловмисників від атак на мережу, оскільки потрібна кількість заблокованих коштів є суттєво високою. У випадку Ethereum це 32 ETH.

Переваги PoS:

• Менше витрачає енергії порівняно з PoW
• Більш підходить для роботи з рішеннями рівня 2, ніж PoW
• Здатний до досягнення вищої пропускної здатності, оскільки консенсус встановлюється до того, як блоки передаються далі.
• Дешевший за PoW-блокчейни, оскільки не потребує елітного обладнання, щоб створювати нові блоки.

Недоліки PoS

• Системи PoS усе ще піддаються централізації, якщо валідатори з великою кількістю заблокованих токенів можуть впливати на мережу.
• Менш підтверджені в плані безпеки порівняно з блокчейнами PoW.

Що таке Proof of History?

**Proof of History (PoH) — це алгоритм консенсусу, представлений блокчейном Solana, який полягає в тому, щоб проставити мітку часу для всіх подій у мережі, щоб довести, що вони сталися в певний момент. **PoH можна описати як криптографічний годинник, який підтверджує транзакції в послідовному порядку.

Solana поєднує свій підхід PoH із PoS. Тому учасники мережі мають робити stake SOL, щоб стати валідаторами та обробляти нові блоки, а механізм PoH перевіряє дійсність цих транзакцій у реальному часі. Іншими словами, PoH забезпечує безпеку, тоді як PoS приносить мережу валідаторів, які можуть перевіряти мітки часу й підтверджувати транзакції.

Однак Solana жертвує децентралізацією заради надшвидкої пропускної здатності транзакцій. Блокчейн спирається на напівцентралізовану архітектуру, у якій один вузол обирається лідером, відповідальним за реалізацію єдиного джерела часу, тобто годинника PoH, і всі інші вузли мають дотримуватися відповідних послідовностей часу. Лідери періодично обираються через вибори PoS.

Хоча Solana є одним із найшвидших блокчейнів у індустрії, вона регулярно страждає від простоїв (downtime). З моменту запуску в 2020 році мережа зазнала приблизно десяти простоїв, п’ять із яких сталися у 2022. Основна причина цих відключень — «некоректно налаштований вузол».

Що таке Delegated Proof of Stake?

Delegated Proof of Stake** (DPoS) — це варіація концепції PoS, у якій спільнота відіграє централізовану роль.**

У DPoS-блокчейнах члени спільноти роблять stake на свої криптовалюти, щоб проголосувати за наступних свідків або делегатів для виробництва блоків. Щоб зробити це, користувачі мають об’єднати свої токени в пул staking блокчейну, а потім прив’язати кошти до визначеного делегата.

DPoS було розроблено колишнім CTO EOS Даном Ларімером, який у 2015 році реалізував цей алгоритм у BitShares. Ларімер та інші прихильники DPoS заявляли, що DPoS розширює демократичний масштаб, адже саме спільнота обирає наступного валідатора. Сьогодні блокчейни на кшталт TRON і Cardano використовують DPoS.

Однак критика DPoS полягає в тому, що його методологія надає перевагу заможним користувачам. Ті, у кого велика кількість токенів, можуть мати більший вплив у мережі. Віталік Бутерін був одним із перших критиків DPoS, який у блозі стверджував, що цей алгоритм стимулює свідків створювати картелі та підкуповувати виборців за підтримку.

Що таке Proof of Authority?

**Proof of Authority (PoA) — це алгоритм консенсусу, у якому лише дозволені члени можуть взаємодіяти з блокчейном, виконувати транзакції, робити або пропонувати зміни параметрів мережі, переглядати історію транзакцій тощо. **

Термін уперше ввів Ґевін Вуд — розробник блокчейнів, який співзаснував Ethereum, Polkadot і мережу Kusama.

У PoA-блокчейні **все побудовано на репутації — мережеві учасники здійснюють stake своїми ідентичностями замість монет. **Вони забезпечують вищий рівень масштабованості й пропускної здатності, оскільки спираються лише на обмежену кількість валідаторів. Ми можемо вважати це дуже централізованою моделлю, але PoA-блокчейни зазвичай приватні й краще підходять для підприємств та організацій, які використовують технологію блокчейну, щоб посилити бізнес і операційні системи.

Що таке Proof of Elapsed Time?

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

Алгоритм PoET був уперше представлений розробниками програмного забезпечення Intel і впроваджений у Hyperledger Sawtooth, орієнтований на приватні блокчейни та інституції.

Алгоритм може бути не таким популярним, як інші блокчейни, оскільки він не був достатньо чітко визначений. Але ідея полягала в тому, щоб запропонувати готовий рушій у стилі Накамото, який дозволяв приватним блокчейнам обирати наступного продуцента блоків. І чим вони відрізняються? Ну, алгоритм генерує «випадковий час очікування» для кожного мережевого вузла, і протягом цього часу вузол має «sleep». Вузол із найкоротшим періодом очікування прокидається першим і отримує право продукувати блок у ланцюжку.

Отже, основна відмінність така: майнери в PoET не працюють 24/7 і споживають менше енергії. Крім того, у мережі PoW майнери змагаються за те, щоб зхешувати наступний заголовок блоку, тоді як у PoET це більше схоже на систему випадкового відбору.

Часті питання про алгоритми консенсусу:

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

Поширене хибне уявлення полягає в тому, що Ethereum автоматично масштабуватиметься, щойно стане блокчейном на базі PoS. Однак цей перехід зробили, щоб посилити Ethereum за рахунок:

• Зниження споживання енергії
• Зниження бар’єрів входу через усунення вимог до обладнання
• Дозволу економічних штрафів за недобросовісну поведінку вузлів
• Запровадження нової моделі емісії токенів
• А також кращої інфраструктури для роботи з рішеннями Ethereum Layer-2.

**Що таке permissionless і permissioned блокчейни?: **

Permissionless-блокчейн — це публічний блокчейн, у якому будь-хто може здійснювати транзакції, переглядати історію транзакцій, робити stake монет, ставати валідатором тощо. З іншого боку, у permissioned (приватних) блокчейнах лише учасники з дозволом можуть отримати доступ до мережі, щоб здійснювати транзакції, взаємодіяти з мережевими вузлами, відстежувати активність on-chain тощо.

Чи PoW — найбезпечніший алгоритм консенсусу? У PoW є цілком достатньо недоліків, але на сьогодні він був найперевіренішим і найнадійнішим способом підтримувати консенсус і безпеку мережі в блокчейні.

Останні міркування: пояснення алгоритму консенсусу

Блокчейн — це технологія, здатна вирішувати багато викликів і «болей» у різних індустріях, не лише у банкінгу та фінансах. Однак у нього є й власна частка невдач. Тому розробники створили кілька типів і версій алгоритмів консенсусу, щоб вирішувати типові проблеми, такі як централізація, нестача масштабованості та низька пропускна здатність.

Але говорити про майбутнє алгоритмів блокчейну складно через одну задачу: Blockchain Trilemma (трилема блокчейну). Її вперше окреслив Віталік Бутерін, і вона стверджує, що мережі блокчейнів не здатні забезпечити дві з трьох переваг: децентралізацію, безпеку та масштабованість. Є кілька платформ блокчейну, як-от Fantom і Solana, які впровадили власні гібридні версії алгоритмів консенсусу в спробі вирішити трилему, але жодна з них поки що не була справді успішною.

Також були запропоновані інші технічні підходи для покращення властивостей блокчейну, і одним із найпопулярніших є layer-2s — це ланцюги, під’єднані до layer-1, наприклад Arbitrum з Ethereum, і sharding, який ділить весь блокчейн на багато менших мереж. Бутерін вважає sharding найкращим підходом для забезпечення трьох властивостей ідеального блокчейну.