Что такое алгоритмы консенсуса в блокчейне?

Введение

Алгоритм консенсуса — это фундаментальный механизм, который позволяет координацию между пользователями или машинами в распределенной среде. Его основная функция — гарантировать, что все агенты системы приходят к соглашению по единственному источнику правды, даже когда некоторые компоненты выходят из строя. Эта концепция, известная как отказоустойчивость, является необходимой для функционирования блокчейн-сетей.

В централизованных системах единственное учреждение контролирует и наполняет сеть, имея возможность вносить изменения по своему усмотрению без необходимости в сложных системах управления. Однако в децентрализованных системах ситуация радикально меняется. Работая с распределенными базами данных, возникает вопрос: как установить соглашения о том, какие данные включать?

Преодоление этого вызова в среде, где участники не доверяют друг другу, вероятно, стало самым важным достижением, которое проложило путь для блокчейнов. Эта статья исследует, почему алгоритмы консенсуса жизненно важны для функционирования криптовалют и распределенных реестров.

Алгоритмы консенсуса и криптовалюты

В экосистеме криптовалют балансы пользователей регистрируются в базе данных, называемой блокчейн. Важно, чтобы все узлы хранили идентичную копию этой базы данных, так как появление противоречивой информации может поставить под угрозу целостность всей сети.

Криптография с открытым ключом обеспечивает, что пользователи не могут тратить чужие монеты. Тем не менее, должна существовать единственная истина, на которую участники могут опираться, чтобы определить, были ли средства уже использованы.

Сатоши Накамото, создатель Биткойна, предложил систему Proof of Work (PoW) для координации участников. Мы проанализируем ее работу позже, но сначала определим общие характеристики между различными существующими алгоритмами консенсуса.

Сначала от пользователей, которые хотят добавить блоки (валидаторы), требуется предоставить залог или "stake". Этот элемент представляет собой стоимость, которую валидатор должен заложить, чтобы предотвратить его злонамеренные действия. Если он попытается обмануть систему, он потеряет свой залог, который может состоять из вычислительной мощности, криптовалют или своей репутации.

Зачем им рисковать своими ресурсами? Ответ прост: на кону есть вознаграждение. Обычно это вознаграждение проявляется как родная криптовалюта протокола, основанная на комиссиях, уплаченных пользователями, на новых сгенерированных криптовалютах или на обоих источниках.

Последним основным требованием является прозрачность. Необходимо уметь идентифицировать, когда кто-то пытается обмануть систему. В идеале, для валидаторов должно быть дорого производить блоки, но дешево для любого пользователя их проверять. Это гарантирует, что валидаторы также находятся под контролем обычных пользователей.

Типы алгоритмов консенсуса

Доказательство работы (PoW)

Доказательство работы (PoW) является выдающимся алгоритмом консенсуса блокчейна. Он был изначально реализован с Bitcoin, хотя концепция существовала задолго до этого. В этой системе валидаторы (, называемые майнерами), применяют хеш-функции к данным, которые они хотят добавить, до тех пор, пока не будет получено конкретное решение.

Хеш — это, по сути, случайная последовательность символов, сгенерированная при выполнении хеш-функции. Если входные данные идентичны, результаты будут одинаковыми. Однако даже малейшее изменение приводит к совершенно другому хешу.

Выходные данные не позволяют определить входные данные, превращая эту функцию в эффективный метод демонстрации того, что данные были известны в течение определенного времени. Хэш можно предоставить третьей стороне, и, раскрыв данные, этот человек может проверить, что выходные данные совпадают, выполнив их в функции.

В PoW протокол определяет условия, при которых блок считается действительным. Например, он может установить, что только блок, хэш которого начинается с "00", является действительным. Единственный способ, которым майнер может создать действительный блок, — это методом перебора, изменяя параметр в своих данных для получения различных результатов, пока не найдется правильный.

На основных блокчейнах уровень сложности чрезвычайно высок. Для эффективной конкуренции требуются установки, оснащенные ASIC, аппаратным обеспечением, специально разработанным для увеличения шансов на создание действительного блока.

В майнинге инвестиции соответствуют стоимости этих машин и необходимой электроэнергии для их работы. ASIC-устройства разработаны исключительно для майнинга, не имея полезности вне этой области. Единственный способ вернуть первоначальные инвестиции — это майнить и зарабатывать вознаграждения за успешное добавление новых блоков в блокчейн.

Проверка блока сетью проста: одно выполнение функции позволяет проверить результаты. Если данные генерируют допустимый хэш, блок будет принят, и майнер получит свое вознаграждение. В противном случае сеть объявит его недействительным, что приведет к потере времени и электроэнергии.

Доказательство доли (PoS)

Доказательство доли (PoS) было предложено в первые дни Bitcoin как альтернатива Доказательству работы. В PoS нет майнеров, специализированного оборудования или массового потребления энергии. Все, что нужно, это обычный компьютер.

И еще один важный элемент: инвестиции в монеты системы. В PoS, вместо использования внешних ресурсов (аппаратного обеспечения и электричества), используются внутренние ресурсы (криптовалют). Правила различаются в зависимости от протокола, но обычно требуется минимальная сумма для участия в стекинге.

Средства должны быть заблокированы в кошельке ( и не могут быть перемещены в течение периода стекинга). Обычно валидаторы согласовывают, какие транзакции перейдут в следующий блок. В некотором смысле, ставится на то, какой блок будет выбран, оставляя остальное на усмотрение протокола.

Если предложенный блок выбран, валидатор получает часть комиссий за транзакцию, пропорционально своему стейку. Чем больше заблокированная сумма, тем выше вероятность выигрыша. Однако попытка обмануть систему, предлагая недействительные транзакции, приведет к частичной или полной потере стейка. Таким образом, устанавливается механизм, аналогичный PoW: честные действия оказываются более выгодными, чем мошеннические.

Как правило, вновь созданные криптовалюты не входят в состав вознаграждений валидатора. Следовательно, родная монета блокчейна должна эмитироваться иным образом. Это может быть осуществлено через начальное распределение (, например, ICO или IEO), или с использованием PoW на ранних этапах протокола до перехода на PoS.

До сих пор чистый Proof of Stake в основном реализуется в криптовалютах с меньшей капитализацией. Следовательно, не полностью доказано, может ли он стать жизнеспособной альтернативой PoW в крупном масштабе. Хотя теоретически это кажется обоснованным, практическая реализация сталкивается с различными проблемами.

Когда PoS внедряется в сети с большим объемом информации, система становится идеальным полем для экспериментов с финансовыми стимулами и теорией игр. Те, кто обладает знаниями о том, как "взломать" систему PoS, попытаются это сделать только если существует возможность извлечь выгоду, поэтому единственный способ оценить его уязвимость – это протестировать его непосредственно в сети.

Скоро мы увидим крупномасштабные испытания PoS с внедрением Casper в рамках обновлений сети Ethereum (, также известной как Ethereum 2.0).

Другие алгоритмы консенсуса

Доказательство работы и Доказательство доли - это самые распространенные алгоритмы консенсуса, но существуют и многие другие варианты, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки:

• Доказательство задержанной работы
• Арендованный Proof of Stake
• Доказательство полномочий
• Доказательство сжигания
• Делегированное доказательство доли (Delegated Proof of Stake)
• Гибридный консенсус PoW/PoS

Заключение

Механизмы достижения консенсуса имеют жизненно важное значение для работы распределенных систем. Многие считают, что главное новшество Bitcoin заключается в использовании Proof of Work, чтобы позволить пользователям согласовать общий набор фактов.

В настоящее время алгоритмы консенсуса поддерживают не только системы цифровой валюты, но и блокчейны, которые позволяют разработчикам выполнять код в распределенных сетях. Они являются основополагающим столпом технологии блокчейн и имеют жизненно важное значение для долгосрочной жизнеспособности различных существующих сетей.

Среди всех алгоритмов консенсуса Proof of Work по-прежнему является самым распространенным. На самом деле, до сих пор не была предложена более надежная и безопасная альтернатива. Тем не менее, в настоящее время ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на замену PoW, и вполне вероятно, что в ближайшие годы появятся новые решения для консенсуса.