O que são os algoritmos de consenso na blockchain?

Introdução

Um algoritmo de consenso é um mecanismo fundamental que permite a coordenação entre usuários ou máquinas em um ambiente distribuído. Sua função principal é garantir que todos os agentes do sistema cheguem a um acordo sobre uma única fonte de verdade, mesmo quando alguns componentes falham. Este conceito, conhecido como tolerância a falhas, é essencial para o funcionamento das redes blockchain.

Em sistemas centralizados, uma entidade única controla e alimenta a rede, podendo realizar modificações conforme seu critério sem necessidade de complexos sistemas de governança. No entanto, em sistemas descentralizados, o cenário muda radicalmente. Ao trabalhar com bases de dados distribuídas, surge a questão: como estabelecer acordos sobre quais dados incorporar?

Superar este desafio em um ambiente onde os participantes não confiam uns nos outros representou provavelmente o avanço mais crucial que abriu caminho para as blockchains. Este artigo explora por que os algoritmos de consenso são vitais para o funcionamento das criptomoedas e dos registros distribuídos.

Algoritmos de consenso e criptomoedas

No ecossistema das criptomoedas, os saldos dos utilizadores são registados numa base de dados denominada blockchain. É fundamental que todos os nós mantenham uma cópia idêntica desta base de dados, uma vez que a aparição de informações contraditórias poderia comprometer a integridade de toda a rede.

A criptografia de chave pública garante que os usuários não possam gastar as moedas de terceiros. No entanto, deve haver uma única fonte de verdade na qual os participantes se baseiem para determinar se os fundos já foram utilizados.

Satoshi Nakamoto, criador do Bitcoin, propôs o sistema Proof of Work (PoW) para coordenar os participantes. Analisaremos seu funcionamento mais adiante, mas primeiro identificaremos características comuns entre diversos algoritmos de consenso existentes.

Inicialmente, é solicitado aos usuários que desejam adicionar blocos (validadores) que forneçam uma garantia ou "stake". Este elemento representa um valor que o validador deve comprometer para dissuadi-lo de agir maliciosamente. Se tentar enganar o sistema, perderá sua garantia, que pode consistir em poder computacional, criptomoedas ou sua reputação.

Por que arriscariam os seus próprios recursos? A resposta é simples: existe uma recompensa em jogo. Geralmente, essa recompensa se materializa como a criptomoeda nativa do protocolo, com base nas comissões pagas pelos usuários, em novas criptomoedas geradas, ou em ambas as fontes.

O último requisito fundamental é a transparência. É necessário poder identificar quando alguém tenta enganar o sistema. Idealmente, deveria ser caro para os validadores produzir blocos, mas económico para qualquer utilizador verificá-los. Isso garante que os validadores estejam também supervisionados por utilizadores comuns.

Tipos de algoritmos de consenso

Prova de Trabalho (PoW)

O Proof of Work (PoW) é o algoritmo de consenso blockchain por excelência. Foi implementado inicialmente com o Bitcoin, embora o conceito existisse muito antes. Neste sistema, os validadores (chamados mineiros) aplicam funções hash aos dados que desejam adicionar até produzir uma solução específica.

Um hash é uma sequência aparentemente aleatória de caracteres gerada ao executar uma função hash. Se os dados de entrada forem idênticos, os resultados serão os mesmos. No entanto, a mais mínima alteração gera um hash completamente diferente.

Os dados de saída não permitem determinar os dados de entrada, tornando esta função um método eficaz para demonstrar que um dado foi conhecido durante certo tempo. Pode-se fornecer o hash a um terceiro e, ao revelar os dados, essa pessoa pode verificar se a saída coincide ao executá-los na função.

No PoW, o protocolo define as condições que tornam um bloco válido. Por exemplo, poderia estabelecer que apenas um bloco cujo hash comece com "00" é válido. A única forma de um minerador criar um bloco válido é através de força bruta, modificando um parâmetro em seus dados para produzir diferentes resultados até encontrar o correto.

Nas principais blockchains, o nível de dificuldade é extremamente alto. Para competir de forma eficaz, são necessárias instalações equipadas com ASICs, hardware especificamente projetado para aumentar as probabilidades de produzir um bloco válido.

Na mineração, o investimento corresponde ao custo dessas máquinas e à energia elétrica necessária para o seu funcionamento. Os ASICs são projetados exclusivamente para mineração, sem utilidade fora deste âmbito. A única forma de recuperar o investimento inicial é minerando e ganhando recompensas ao adicionar com sucesso novos blocos à blockchain.

A verificação de um bloco pela rede é simples: uma única execução da função permite verificar os resultados. Se os dados gerarem um hash válido, o bloco será aceito e o minerador receberá a sua recompensa. Caso contrário, a rede o invalidará, resultando em perda de tempo e eletricidade.

Prova de Participação (PoS)

O Proof of Stake (PoS) foi proposto nos primeiros dias do Bitcoin como uma alternativa ao Proof of Work. No PoS não existem mineradores, hardware especializado ou consumo massivo de energia. O único necessário é um computador convencional.

E um elemento adicional fundamental: o investimento em moedas do sistema. No PoS, em vez de utilizar recursos externos (hardware e eletricidade), utilizam-se recursos internos (criptomoedas). As regras variam conforme o protocolo, mas geralmente é exigido um valor mínimo para participar no staking.

Os fundos devem ser bloqueados numa wallet ( e não podem ser movidos durante o período de staking ). Habitualmente, os validadores acordam quais transações passarão para o próximo bloco. De certa forma, aposta-se em qual bloco será selecionado, deixando que o protocolo decida o resto.

Se o bloco proposto for selecionado, o validador recebe uma parte das comissões de transação, proporcional ao seu stake. Quanto maior a quantidade bloqueada, maiores serão as probabilidades de ganhar. No entanto, tentar enganar o sistema oferecendo transações inválidas resultaria na perda parcial ou total do stake. Assim, estabelece-se um mecanismo semelhante ao PoW: agir de forma honesta é mais rentável do que fazê-lo de forma fraudulenta.

Geralmente, as criptomoedas recém-criadas não fazem parte das recompensas do validador. A moeda nativa da blockchain deve, portanto, ser emitida de forma diferente. Isso pode ser realizado através de uma distribuição inicial (, por exemplo, um ICO ou IEO) ou utilizando PoW nas etapas iniciais do protocolo antes da transição para PoS.

Até à data, o Proof of Stake puro é implementado principalmente em criptomoedas de menor capitalização. Portanto, não está completamente provado se pode constituir uma alternativa viável ao PoW em grande escala. Embora teoricamente pareça válido, a implementação prática apresenta diferentes desafios.

Quando o PoS é implementado em redes com grande volume de informação, o sistema torna-se um perfeito campo de experimentação para incentivos financeiros e teoria dos jogos. Aqueles que possuem o conhecimento para "hackear" um sistema PoS só o tentarão se houver possibilidade de aproveitá-lo, portanto, a única forma de avaliar sua vulnerabilidade é testando-o diretamente na rede.

Em breve veremos testes em grande escala de PoS com a implementação do Casper como parte das atualizações da rede Ethereum ( também conhecida como Ethereum 2.0).

Outros algoritmos de consenso

Proof of Work e Proof of Stake são os algoritmos de consenso mais comuns, mas existem muitas outras variantes, cada uma com suas vantagens e desvantagens:

• Prova de Trabalho Atrasada
• Prova de Participação Arrendada
• Prova de Autoridade
• Prova de Queima
• Prova de Participação Delegada
• Consenso híbrido PoW/PoS

Conclusão

Os mecanismos para alcançar consenso são vitais para o funcionamento de sistemas distribuídos. Muitos consideram que a maior inovação do Bitcoin reside no uso de Proof of Work para permitir que os usuários concordem com um conjunto compartilhado de fatos.

Atualmente, os algoritmos de consenso sustentam não apenas sistemas de moeda digital, mas também blockchains que permitem aos desenvolvedores executar código em redes distribuídas. Constituem um pilar fundamental da tecnologia blockchain e são essenciais para a viabilidade a longo prazo das diversas redes existentes.

Entre todos os algoritmos de consenso, o Proof of Work continua a ser o mais utilizado. Na verdade, ainda não foi proposta uma alternativa mais fiável e segura. No entanto, existe uma intensa investigação e desenvolvimento em curso para substituir o PoW, sendo altamente provável que surjam novas soluções de consenso nos próximos anos.