Типы консенсус-механизмов блокчейна

Консенсус блокчейна — это процедура, в ходе которой участники сети достигают согласия о текущем состоянии данных в сети. Благодаря этому алгоритмы консенсуса устанавливают надежность и доверие к самоу сети.

Механизмы консенсуса составляют основу всех криптовалютных блокчейнов и обеспечивают их безопасность. Прежде чем перейти к рассмотрению различных механизмов консенсуса, необходимо определить, что значит для блокчейн достижение консенсуса.

Блокчейн - это децентрализованная, распределенная и часто публичная цифровая база данных, которая используется для записи транзакций. Каждая такая транзакция записывается в виде "блока" данных, который должен быть независимо проверен одноранговыми компьютерными сетями, прежде чем его можно будет добавить в цепочку. Эта система помогает защитить блокчейн от мошеннических действий и решает проблему "двойных трат".

Для того чтобы гарантировать, что все участники ("ноды") сети блокчейн согласны с одной версией истории, сети блокчейн, такие как Bitcoin и Ethereum, реализуют так называемые механизмы консенсуса (также известные как протоколы консенсуса или алгоритмы консенсуса). Эти механизмы направлены на то, чтобы сделать систему отказоустойчивой.

Чтобы узнать больше о принципах, лежащих в основе блокчейна, и о проблеме достижения консенсуса в распределенной, децентрализованной системе, прочтите эту статью: Что такое блокчейн? От византийской проблемы генералов к консенсусу

Консенсус - это процесс, в ходе которого группа равных нод (узлов) в сети определяет, какие транзакции в блокчейне действительны, а какие нет. Механизмы консенсуса - это методики, используемые для достижения этого согласия. Именно эти наборы правил помогают защитить сеть от злонамеренного поведения и хакерских атак.

Существует множество различных типов механизмов консенсуса, в зависимости от блокчейна и его применения. Хотя они различаются по энергопотреблению, безопасности и масштабируемости, все они преследуют одну цель: обеспечить достоверность и честность записей. Вот обзор некоторых наиболее известных типов механизмов консенсуса, используемых в распределенных системах для достижения консенсуса.

Используется в Bitcoin, EthereumPoW и многих других публичных блокчейнах. Доказательство работы (PoW) было самым первым созданным механизмом консенсуса. Он считается самым надежным и безопасным из всех механизмов консенсуса, несмотря на существующие опасения по поводу масштабируемости. Хотя термин "Proof-of-Work" был впервые введен в начале 1990-х годов, именно основатель Биткойна Сатоши Накамото впервые применил эту технологию в контексте цифровых валют.

В PoW майнеры, по сути, соревнуются друг с другом в решении чрезвычайно сложных вычислительных головоломок с помощью мощных компьютеров. Тот, кто первым придумает 64-значное шестнадцатеричное число ("хэш"), получает право на формирование нового блока и подтверждение транзакций. Успешный майнер также получает вознаграждение в виде заранее определенной суммы криптовалюты, известной как "вознаграждение за блок".

Поскольку для генерации новых блоков требуется большое количество вычислительных ресурсов и энергии, операционные издержки PoW, как известно, высоки. Это является барьером на пути новых майнеров, что приводит к опасениям по поводу централизации и ограничений масштабируемости.

И дело не только в высоких затратах. Наиболее распространенной критикой PoW является влияние потребления электроэнергии на окружающую среду. Это заставило многих искать более устойчивые, энергоэффективные протоколы консенсуса, такие как Proof-of-Stake (PoS).

Доказательство ставки, как следует из названия, этот популярный метод консенсуса основан на процессе, известном как "стейкинг". В системе доказательства ставки (PoS) майнеры должны внести свою "ставку" цифровой валюты, чтобы получить шанс быть случайно выбранным в качестве валидатора. Процесс не похож на лотерею, где чем больше монет вы ставите, тем выше ваши шансы.

В отличие от PoW, где майнеры стимулируются вознаграждением за блок (вновь созданные монеты), те, кто вносит свой вклад в систему PoS, просто получают комиссию за транзакцию.

PoS рассматривается как более устойчивая и экологичная альтернатива PoW, а также как более защищенная от 51% атак. Однако, поскольку система отдает предпочтение организациям с большим количеством токенов, PoS вызвала критику за то, что она может привести к централизации. К известным платформам PoS относятся Ethereum (после обновления Merge), Cardano (ADA), Solana (SOL) и Tezos (XTC).

Модификация механизма консенсуса PoS, делегированное доказательство доли (DPoS) опирается на систему голосования на основе репутации для достижения консенсуса. Пользователи сети "голосуют" за выбор "свидетелей" (также известных как "производители блоков") для обеспечения безопасности сети от их имени. Только свидетели высшего уровня (набравшие наибольшее количество голосов) получают право подтверждать транзакции в блокчейне.

Чтобы проголосовать, пользователи добавляют свои токены в стейкинг пул . Затем голоса взвешиваются в зависимости от размера доли каждого участника голосования - чем больше у него монет в стейкинге, тем больше право голоса. Избранные свидетели, успешно подтвердившие транзакции в блоке, получают вознаграждение, которое обычно делится с теми, кто за них голосовал.

Свидетели высшего уровня всегда подвержены риску быть замененными теми, кто считается более надежным и, следовательно, получает больше голосов. Они даже могут быть исключены из списка, если не справляются со своими обязанностями или пытаются подтвердить мошеннические транзакции. Это стимулирует свидетелей всегда оставаться честными, обеспечивая целостность блокчейна.

Хотя DPoS менее распространен, чем PoS, многие считают его более эффективным, демократичным и финансово всеобъемлющим, чем его предшественник. Ее используют Lisk (LSK), EOS.IO (EOS), Steem (STEEM), BitShares (BTS) и Ark (ARK).

Доказательство активности (PoA) - это гибрид механизмов консенсуса PoW и PoS. Он используется в блокчейн-проектах Decred (DCR) и Espers (ESP).

В системах PoA процесс майнинга начинается, как и в PoW, когда майнеры соревнуются в решении сложной математической задачи, используя огромные вычислительные мощности. Однако после того, как блок добыт, система переключается на PoS, при этом успешно сгенерированный заголовок блока транслируется в сеть PoA. Затем случайным образом выбирается группа валидаторов, которые подписывают хэш, подтверждая новый блок. Как и в PoS, чем больше монет у валидатора, тем выше его шансы быть выбранным. После того как каждый выбранный валидатор подписал блок, он добавляется в сеть и готов к регистрации транзакций. Вознаграждение за блок делится между майнером и валидаторами.

Хотя система PoA была разработана с намерением объединить лучшие черты PoW и PoS, избегая при этом их недостатков, она вызвала критику за энергоемкий этап майнинга и присущую ей предвзятость к валидаторам, имеющим большое количество монет.

Не путать с доказательством активности (также "PoA"), доказательство репутации (PoA) работает путем выбора своих валидаторов на основе репутации. Модифицированная версия PoS была предложена соучредителем Ethereum и бывшим техническим директором Гэвином Вудом в 2017 году.

В PoA валидаторы не делают блокируют свои монеты в стейкинге. Вместо этого они должны поставить на кон свою репутацию за право подтверждать блоки. Это сильно отличается от большинства протоколов блокчейна, которые обычно не требуют раскрытия личности для участия.

Поскольку этот механизм практически не требует вычислительной мощности, он гораздо менее ресурсоемкий, чем некоторые его предшественники, в частности PoW. Он также является одним из менее затратных вариантов, что делает его наиболее предпочтительным решением для частных сетей, таких как JP Morgan (JPMCoin). Другие проекты на основе PoA включают VeChain (VET) и тестовую сеть Ethereum Kovan.

Несмотря на высокую масштабируемость, слабое место в этом проекте находится в области децентрализации, поскольку в сети могут участвовать лишь избранные. Кроме того, требование к валидаторам быть идентифицируемыми также повышает риск коррупции и манипуляций со стороны третьих лиц.

Другой более устойчивой альтернативой алгоритму PoW Биткойна является доказательство сжигания (PoB). В PoB майнеры получают право добывать блок, "сжигая" (уничтожая) заранее определенное количество токенов проверяемым способом - а именно, отправляя их на "адрес сжигателя", где их нельзя восстановить или потратить. Чем больше монет сожжено, тем больше шансов быть выбранным случайным образом.

В отличие от PoS, где майнеры могут получить или продать свои заблокированные монеты, если они когда-либо покинут сеть, сожженные монеты теряются безвозвратно. Этот метод, требующий от майнеров жертвовать краткосрочным богатством, чтобы получить пожизненную привилегию на создание новых блоков, помогает стимулировать долгосрочную приверженность майнеров. Акт сжигания монет также приводит к их дефициту, ограничивая инфляцию и повышая спрос.

Криптовалюты, использующие протокол доказательства сжигания, включают Slimcoin (SLM), Counterparty (XCP) и Factom (FCT).

В отличие от большинства своих предшественников, которые предоставляют права на майнинг на основе вычислительной мощности или количества монет, доказательство мощности (PoC) - также известное как доказательство пространства (PoSpace) - основывает свой алгоритм майнинга на количестве свободного места на жестком диске майнера.

В PoC майнеры заранее генерируют список всех возможных хэшей в процессе, называемом "планированием". Затем эти схемы хранятся на жестком диске. Чем больше объем памяти у майнера, тем больше возможных решений. Чем больше решений, тем выше шансы получить правильную комбинацию хэшей и выиграть вознаграждение.

Поскольку PoC не требует дорогостоящего или специализированного оборудования, он открывает возможности для участия в сети обычному человеку. Таким образом, он является менее энергоемкой и более децентрализованной альтернативой некоторым более распространенным механизмам консенсуса, рассматриваемым в данном руководстве. Однако пока не так много разработчиков решили использовать эту систему, и есть опасения, что она подвержена атакам вредоносных программ. В настоящее время этот механизм используется в Signum (SIGNA) - ранее Burstcoin (BURST), Storj (STORJ) и Chia (XCH).

Доказательство истекшего времени используется в блокчейн-сетях с допуском (тех, которые требуют от участников идентифицировать себя). PoET использует доверенные вычисления для обеспечения случайного времени ожидания при создании блока. Она была разработана компанией Intel в начале 2016 года и основана на специальном наборе инструкций процессора, называемом Intel software guard extensions (SGX).

Алгоритм консенсуса на основе лотереи времени, PoET работает путем случайного назначения разного времени ожидания для каждого узла в сети. Во время периода ожидания каждый из этих узлов переходит в "спящий режим" на определенное время. Первый проснувшийся (то есть тот, у кого наименьшее время ожидания) получает право на добычу. Такая рандомизация гарантирует, что каждый участник имеет равные шансы стать победителем, обеспечивая справедливость в сети.

Механизм консенсуса PoET является высокоэффективным, менее ресурсоемким и масштабируемым. Он был реализован в системе Sawtooth компании Hyperledger.

Как следует из названия, доказательство истории (PoH) обеспечивает доказательство исторических событий. Разработанный компанией Solana Labs (SOL), PoH позволяет встраивать "временные метки" в сам блокчейн, проверяя прохождение времени между транзакциями без необходимости полагаться на другие узлы.

Этот метод временных меток обеспечивается так называемой функцией верифицируемой задержки (verifiable delay function, VDF) SHA-256 с последовательным хэшированием. Она работает, принимая результат транзакции и используя его в качестве входных данных для следующего хэша, что позволяет всем четко видеть, какое событие произошло в определенной последовательности. Поскольку VDF могут быть решены только одним процессорным счетом, PoH значительно снижает вычислительный вес блокчейна, делая его более быстрым и энергоэффективным, чем многие его современники.

Поскольку PoH используется только в Solana, его еще предстоит протестировать в больших масштабах.

Впервые появившаяся в NEM (XEM), доказательство важности (PoI) выбирает своих майнеров на основе определенных критериев в процессе, который называется "сбор урожая". Общие требования включают количество и размер транзакций за последние 30 дней, количество заблокированных монет и активность сети. На основе этих факторов узлам присваивается балл важности. Чем выше этот показатель, тем выше вероятность того, что его выберут для создания блока и получения сопутствующей комиссии за транзакцию.

Несмотря на сходство с PoS, использование дополнительных показателей в PoI позволяет отказаться от присущей первому варианту тенденции вознаграждать богатых, принимая во внимание общую поддержку сети участниками. Таким образом, просто высокая ставка в POI не обязательно гарантирует выигрыш блока.

До сих пор не существует универсального подхода, когда речь идет о проверке подлинности распределенных блокчейн-платформ. Каждый механизм консенсуса имеет свой набор преимуществ и недостатков. Хотя PoW и PoS, безусловно, являются наиболее распространенными, продолжает появляться множество новых и развивающихся алгоритмов. Для более подробного обсуждения принципов, лежащих в основе каждого вида консенсуса, читайте здесь:

Данная статья не является индивидуальным инвестиционным советом. Команды Выхино Инвестментс не является выгодоприобретателем и заинтересованным лицом в продвижении и получении вознаграждений от компаний-разработчиков указанных в данной статье финансовых инструментов. Помните, что операции с высокорискованными активами, которыми являются криптовалюты, могут привести к существенным финансовым потерям.Различные типы консенсуса блокчейна.

Источник: