Що таке алгоритми консенсусу в блокчейні?

Вступ

Алгоритм консенсусу є основним механізмом, що дозволяє координацію між користувачами або машинами в розподіленому середовищі. Його основна функція полягає в тому, щоб забезпечити досягнення домовленості між усіма агентами системи щодо єдиного джерела істини, навіть коли деякі компоненти виходять з ладу. Це поняття, відоме як стійкість до збоїв, є суттєвим для функціонування блокчейн-мереж.

У централізованих системах єдина сутність контролює та забезпечує мережу, маючи можливість вносити зміни на свій розсуд без необхідності складних систем управління. Однак у децентралізованих системах ситуація радикально змінюється. Працюючи з розподіленими базами даних, постає питання: як встановити угоди щодо того, які дані включати?

Подолання цього виклику в середовищі, де учасники не довіряють один одному, стало, ймовірно, найважливішим кроком, який проклав шлях для блокчейнів. Ця стаття розглядає, чому алгоритми консенсусу є життєво важливими для функціонування криптовалют та розподілених реєстрів.

Алгоритми консенсусу та криптовалюти

У екосистемі криптовалют залишки користувачів реєструються в базі даних, що називається блокчейн. Важливо, щоб усі вузли зберігали ідентичну копію цієї бази даних, оскільки поява суперечливої інформації може поставити під загрозу цілісність усієї мережі.

Криптографія з публічним ключем забезпечує те, що користувачі не можуть витрачати чужі монети. Однак має існувати єдине джерело правди, на яке учасники можуть покладатися, щоб визначити, чи були вже використані кошти.

Сатоші Накамото, творець Bitcoin, запропонував систему Proof of Work (PoW) для координації учасників. Ми проаналізуємо її роботу пізніше, але спочатку ідентифікуємо спільні характеристики серед різних існуючих алгоритмів консенсусу.

Спочатку користувачів, які бажають додати блоки ( валідатори ), просять надати гарантію або "stake". Цей елемент представляє собою значення, яке валідатор повинен зобов'язатися, щоб відвернути його від злочинних дій. Якщо він намагатиметься обманути систему, він втратить свою гарантію, яка може складатися з обчислювальної потужності, криптовалют або його репутації.

Чому вони ризикували б своїми власними ресурсами? Відповідь проста: існує винагорода на кону. Зазвичай ця винагорода втілюється у вигляді рідної криптовалюти протоколу, що базується на комісіях, сплачених користувачами, на нових криптовалютах, що генеруються, або на обох джерелах.

Остання основна вимога - це прозорість. Необхідно мати можливість ідентифікувати, коли хтось намагається обманути систему. Ідеально, щоб для валідаторів було дорого виробляти блоки, але економічно вигідно для будь-якого користувача їх перевіряти. Це гарантує, що валідатори також підлягають нагляду з боку звичайних користувачів.

Типи алгоритмів консенсусу

Доказ роботи (PoW)

Proof of Work (PoW) є найкращим алгоритмом консенсусу блокчейнів. Він був вперше реалізований з Bitcoin, хоча концепція існувала значно раніше. У цій системі валідатори (, які називаються майнерами), застосовують хеш-функції до даних, які вони бажають додати, поки не отримають конкретне рішення.

Хеш — це, здавалося б, випадкова послідовність символів, яка генерується при виконанні хеш-функції. Якщо вхідні дані однакові, результати будуть однаковими. Однак найменше зміна призводить до абсолютно іншого хешу.

Вихідні дані не дозволяють визначити вхідні дані, перетворюючи цю функцію на ефективний метод для демонстрації того, що дані були відомі протягом певного часу. Хеш можна надати третій стороні, і, розкривши дані, ця особа може перевірити, що вихідні дані збігаються, виконуючи їх у функції.

У PoW протокол визначає умови, за яких блок вважається дійсним. Наприклад, він може встановити, що тільки блок, чий хеш починається з "00", є дійсним. Єдиний спосіб, яким майнер може створити дійсний блок, - це методом підбору, змінюючи параметр у своїх даних, щоб отримати різні результати, поки не знайде правильний.

На основних блокчейнах рівень складності є надзвичайно високим. Для ефективної конкуренції потрібні установки, обладнані ASIC, апаратним забезпеченням, спеціально розробленим для підвищення ймовірності створення дійсного блоку.

У майнінгу інвестиції відповідають вартості цих машин і електричної енергії, необхідної для їх роботи. ASIC-майнери призначені виключно для майнінгу, не маючи корисності поза цією сферою. Єдиний спосіб повернути початкові інвестиції – це майнити та отримувати винагороди за успішне додавання нових блоків до блокчейну.

Перевірка блоку мережею проста: одне виконання функції дозволяє перевірити результати. Якщо дані генерують дійсний хеш, блок буде прийнято, і майнер отримає свою винагороду. В іншому випадку мережа його скасує, що призведе до витрати часу та електрики.

Доказ стейку (PoS)

Доказ стейку (PoS) був запропонований в перші дні Bitcoin як альтернатива Доказу роботи. У PoS немає майнерів, спеціалізованого обладнання та масового споживання енергії. Єдине, що потрібно, це звичайний комп'ютер.

І ще один основний елемент: інвестиції в монети системи. У PoS, замість використання зовнішніх (апаратних засобів та електрики), використовуються внутрішні ресурси (криптовалюти). Правила відрізняються залежно від протоколу, але зазвичай вимагається мінімальна вартість для участі в стекингу.

Фонди повинні бути заблоковані в гаманці ( і не можуть переміщатися протягом періоду стейкінгу ). Зазвичай валідатори домовляються, які транзакції перейдуть до наступного блоку. У певному сенсі, йдеться про ставку на те, який блок буде обрано, дозволяючи протоколу вирішити решту.

Якщо запропонований блок буде обрано, валідатор отримує частину комісій за транзакції, пропорційну його ставці. Чим більша заблокована сума, тим вищі шанси на перемогу. Проте спроба обманути систему, пропонуючи недійсні транзакції, призведе до часткової або повної втрати ставки. Таким чином, встановлюється механізм, подібний до PoW: діяти чесно вигідніше, ніж шахрайським шляхом.

Зазвичай новостворені криптовалюти не входять до винагород валідатора. Тому рідна монета блокчейну повинна випускатися інакше. Це може бути здійснено через початковий розподіл (, наприклад, ICO або IEO), або використовуючи PoW на початкових етапах протоколу до переходу на PoS.

На сьогоднішній день чистий Proof of Stake в основному реалізується в криптовалютах з меншою капіталізацією. Тому не зовсім доведено, чи може він стати життєздатною альтернативою PoW в масштабах. Хоча теоретично це виглядає дійсно, практична реалізація стикається з різними викликами.

Коли PoS впроваджується в мережах з великою кількістю інформації, система стає ідеальним полем для експериментів з фінансовими стимулами та теорією ігор. Ті, хто має знання, щоб "зламати" систему PoS, спробують це зробити лише за наявності можливості отримати вигоду, тому єдиний спосіб оцінити її вразливість – це протестувати її безпосередньо в мережі.

Незабаром ми побачимо масштабні випробування PoS з впровадженням Casper у рамках оновлень мережі Ethereum (, також відомої як Ethereum 2.0).

Інші алгоритми консенсусу

Proof of Work та Proof of Stake є найпоширенішими алгоритмами консенсусу, але існує багато інших варіантів, кожен з яких має свої переваги та недоліки:

• Доказ затриманої роботи
• Орендоване підтвердження частки
• Доказ авторитету
• Доказ спалення
• Делегований доказ стейку
• Гібридний консенсус PoW/PoS

Висновок

Механізми досягнення консенсусу є життєво важливими для функціонування розподілених систем. Багато хто вважає, що найбільша інновація Bitcoin полягає у використанні Proof of Work для дозволу користувачам узгоджувати спільний набір фактів.

В даний час алгоритми консенсусу підтримують не лише системи цифрової валюти, але й блокчейни, які дозволяють розробникам виконувати код у розподілених мережах. Вони є основою технології блокчейн і є життєво важливими для довгострокової життєздатності різних існуючих мереж.

Серед усіх алгоритмів консенсусу Proof of Work залишається найпоширенішим. Насправді, досі не було запропоновано більш надійної та безпечної альтернативи. Проте, триває інтенсивне дослідження та розробка для заміни PoW, і висока ймовірність, що в наступні роки з'являться нові рішення консенсусу.