Consensus-algoritmen in de blockchain

Cryptocurrencynetwerken verschillen van elkaar in de organisatie van het werk. Omdat er sprake is van decentralisatie, is het noodzakelijk een gedistribueerd register te implementeren. Dit is nodig om transacties af te stemmen en tegelijkertijd extra kosten te vermijden.

In dit artikel richten we ons op populaire blockchain-algoritmen om hun functies en de factoren die prestaties en beveiliging beïnvloeden, te ontdekken.

Wat is een blockchain-consensusalgoritme?

Een consensusmechanisme is een procedure waarmee alle peers in een netwerk tot een algemene overeenkomst komen over de huidige staat van het gedistribueerde register. Consensusalgoritmen zorgen dus voor betrouwbaarheid in het blockchainnetwerk en leggen betrouwbare relaties vast tussen onbekende partijen in een gedistribueerde computingomgeving. Een onderhandeld protocol zorgt ervoor dat elk nieuw blok dat aan een keten van blokken wordt toegevoegd de enige versie van de waarheid is waar alle nodes in die keten het over eens zijn. Consensusmodellen van blockchain bestaan uit enkele specifieke doelen, zoals het bereiken van overeenstemming, samenwerking, gelijkheid van nodes en de verplichte deelname van elke node aan het onderhandelingsproces. Het consensusalgoritme is dus gericht op het vinden van een gemeenschappelijke overeenkomst die een voordeel is voor het hele netwerk. Bovendien implementeert dit algoritme:

• de frequentie van het genereren van blokken;
• het vermijden van het risico dat extra middelen worden afgeschreven;
• het controleren van de gegevens in het blok.

Eenvoudig gezegd voorkomt het consensusalgoritme fouten in gedecentraliseerde netwerken. Bovendien is de taak van het mechanisme om wederzijds voordelige voorwaarden voor alle deelnemers te realiseren.

Consensusalgoritmen: overzicht

Digitale munten worden ontwikkeld op verschillende blockchains. Consensusalgoritmen verschillen ook per blockchain.

Meer dan 90% van de cryptocurrency-markt is gebaseerd op drie belangrijkste geharmoniseerde algoritmen:

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

We zullen echter niet alleen de onderliggende mechanismen bekijken, maar ook enkele andere die, hoewel ze niet door veel projecten zijn overgenomen, zeer interessant zijn om te verkennen en in onze toekomst een grote rol kunnen spelen.

1. Proof of Work (PoW)

Dit consensusalgoritme wordt gebruikt om de miner te selecteren die het volgende blok in de keten zal genereren. Bitcoin, Litecoin en vele andere mastodonten van de blockchainindustrie gebruiken PoW in hun werking. Het belangrijkste idee van ​dit algoritme is om een complex, willekeurig wiskundig probleem op te lossen dat door een blockchain wordt gegenereerd en een oplossing uit te zenden. Een kenmerk van dit algoritme is de complexiteit van het probleem, maar het kan gemakkelijk opnieuw worden gecontroleerd. Deze wiskundige puzzel vereist veel rekenkracht en daarom krijgt de node die de puzzel als eerste oplost de kans om het volgende blok te produceren. PoW streeft ernaar te zorgen dat een aanval op het netwerk buitensporig duur is en hoge energiekosten vereist, aangezien miners energie verbruiken om meet- en netwerkbeveiligingsdiensten te leveren. De nadelen van dit mechanisme worden beschouwd als beperkte schaalbaarheid en lage throughput.

2. Proof of Stake (PoS)

Misschien is dit het meest voorkomende alternatief voor PoW: zelfs Ethereum is onlangs overgestapt van PoW naar PoS-consensus. In dit type consensusalgoritme investeren de zogenaamde validators in plaats van in dure apparatuur om een complexe puzzel op te lossen, in netwerkmunten, waarbij ze een deel van hun munten vastzetten als inzet (staking). Daarna beginnen alle validators de blokken te controleren, waarbij ze inzetten op het blok waarvan zij denken dat het aan de keten kan worden toegevoegd. Op basis van de daadwerkelijk aan de blockchain toegevoegde blokken ontvangen alle validators een beloning die evenredig is aan hun inzetten, en hun inzet wordt dienovereenkomstig verhoogd. Uiteindelijk wordt de validator om een nieuw blok te genereren geselecteerd op basis van zijn economische aandeel in het netwerk. Zo moedigt het PoS-algoritme validators via een incentivesmechanisme aan om consensus te bereiken. De voordelen van dit mechanisme worden beschouwd als grotere schaalbaarheid op basisniveau en potentiële energiebesparing in vergelijking met PoW. Nadelen zijn het risico op centralisatie, wat op zijn beurt leidt tot een afname van de veiligheid. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX en andere blockchains werken op PoS.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Het mechanisme DPoS is een ontwikkeling van PoS, maar het is een ander type consensusalgoritme dat gebaseerd is op stemsystemen. In plaats van willekeurig individuele nodes te selecteren om een controle uit te voeren, gebruikt de tokenholder-community haar aandeel (inzet) om te stemmen op het gekozen aantal vertrouwde nodes, vaak delegates genoemd. Zij zijn verantwoordelijk voor het controleren van transacties en het onderhouden van het netwerk, en worden daarvoor beloond in ruil voor een deel van de transactiekosten. DPoS kan worden vergeleken met representatieve democratie - deelnemers stemmen op een vertrouwde vertegenwoordiger om het netwerk namens hen te beschermen. Kiezers kunnen delegates vervangen als zij handelen tegen de belangen van de meerderheid van de betrokken partijen. Het DPoS-algoritme is uitgevonden door Dan Larimer en wordt gebruikt in projecten waar het zijn oorsprong vindt, zoals BitShares, Steem en EOS, maar is ook in trek in andere netwerken, zoals Tezos en Ark. De voordelen van DPoS zijn hoge schaalbaarheid en een bredere spreiding van inflatie (een gelijkmatigere verdeling van vers gecreëerde tokens tussen validators), en de nadelen zijn onvoldoende beveiliging en een gestage trend naar centralisatie in het netwerk.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET is een van de eerlijkste consensusalgoritmen die het volgende blok uitsluitend met eerlijke middelen selecteren. Het wordt veel gebruikt in veel private en zakelijke blockchains, met name Hyperledger. In dit algoritme krijgt elke validator in het netwerk een reële kans om zijn blok te creëren. Alle nodes doen dit door een willekeurige tijd te wachten en een bevestiging van hun wachttijd in het blok op te nemen. De gecreëerde blokken worden voor beoordeling aan het netwerk overgedragen door de overige deelnemers. De winnaar is de validator met de kleinste timerwaarde in het proof-gedeelte. Het blok van de winnende validator-node wordt aan de blockchain toegevoegd. Er zijn extra controles in het algoritme om te voorkomen dat een bepaalde node altijd de verkiezing wint door de laagste timerwaarde te genereren. Over de voordelen: hoge efficiëntie en laag hulpbronnenverbruik; de nadelen — een laag beveiligingsniveau en afhankelijkheid van een derde partij die een instructieset voor de processor ontwikkelt.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA is een op reputatie gebaseerd consensusalgoritme dat de waarde van de identiteit en reputatie van blokvalidators gebruikt. In maart 2017 stelde het ontwikkelingsteam van Ethereum onder leiding van Gavin Wood PoA voor als oplossing voor spam-aanvallen op het Ropstein-testnetwerk van Ethereum. PoA lijkt op PoS, behalve dat validators in plaats van munten hun reputatie inleggen. Vertrouwde nodes/validators worden gekozen door netwerkleiders, waardoor PoA alleen nuttig is voor private blockchains. Gebruikt in VeChain Thor, Microsoft Azure en andere. Voordelen: hoge transactiesnelheid, schaalbaarheid en lage kosten voor netwerkonderhoud. Nadelen: een afwijzing van decentralisatie en mogelijk kwaadwillig gedrag van netwerkdeelnemers, dat bijna onmogelijk te voorkomen is.

6. Proof of Capacity (PoC)

Bij de Proof of Capacity-consensus investeren validators hun harde schijfruimte in plaats van te investeren in dure apparatuur of munten te verbranden. Hoe meer middelen er zijn om de ruimte op de harde schijf te controleren, hoe groter de kans dat zij worden geselecteerd voor het minen van het volgende blok en het ontvangen van een beloning voor het blok. Door opslag te gebruiken in plaats van computing met ASICS zijn blockchains op PoC veel energie-efficiënter. PoC heeft projecten zoals Filecoin, Storj en Burstcoin. Het duidelijke voordeel van deze aanpak ligt in de energie-efficiëntie; de nadelen liggen in onvoldoende beveiliging door blootstelling aan aanvallen.

Er zijn ook andere consensusalgoritmen, zoals:

• Proof of Activity;
• Proof of Space and Time;
• Proof of Weight;
• Proof of Storage;
• Proof of Importance;
• Proof of Participation;
• Proof of History;
• Leased Proof of Stake;
• Proof of Burn;
• Practical Byzantine Fault Tolerance.

Maar hun gebruik kan momenteel eerder worden toegeschreven aan specifieke cases en innovaties, wat een onderwerp voor een apart artikel kan zijn.

Samenvatting

Elk van de gepresenteerde algoritmen heeft zijn sterke en zwakke punten, evenals mogelijke toepassingen. Wanneer je het vanuit dit perspectief bekijkt, is het redelijk om aan te nemen dat ze niet met elkaar concurreren. Het is belangrijk om op basis van de vereisten van het bedrijfsnetwerk verstandig één keuze te maken. 

De implementatie van PoW is veilig en gedecentraliseerd. PoW is een uitstekend consensusmechanisme voor cryptocurrencies. Het is echter volkomen ongeschikt voor sociale netwerken en blockchain-games. 

In de prille blockchainindustrie is het belangrijk om onderzoek voort te zetten om nieuwe blockchainarchitecturen te ontdekken. Nieuwe consensusmechanismen zullen nieuwe mogelijkheden openen voor het gebruik van blockchain- en cryptocurrencytechnologie in het bijzonder.