Algorytmy konsensusu w blockchainie

Sieci kryptowalut różnią się od siebie organizacją pracy. Ponieważ istnieje decentralizacja, konieczne jest wdrożenie rozproszonego rejestru. Jest to niezbędne do uzgadniania transakcji przy jednoczesnym unikaniu dodatkowych kosztów.

W tym artykule skupimy się na popularnych algorytmach blockchain, aby poznać ich funkcje oraz czynniki wpływające na wydajność i bezpieczeństwo.

Czym jest algorytm konsensusu blockchain?

Mechanizm konsensusu to procedura, dzięki której wszyscy uczestnicy sieci osiągają ogólne porozumienie co do aktualnego stanu rozproszonego rejestru. W ten sposób algorytmy konsensusu zapewniają niezawodność w sieci blockchain i ustanawiają wiarygodne relacje między nieznanymi stronami w środowisku obliczeń rozproszonych. Uzgodniony protokół gwarantuje, że każdy nowy blok dodawany do łańcucha bloków jest jedyną wersją prawdy zaakceptowaną przez wszystkie węzły w tym łańcuchu. Modele konsensusu blockchain obejmują określone cele, takie jak osiągnięcie porozumienia, współpraca, równość węzłów oraz obowiązkowy udział każdego węzła w procesie uzgadniania. Zatem algorytm konsensusu ma na celu znalezienie wspólnego porozumienia, które jest korzystne dla całej sieci. Ponadto algorytm ten realizuje:

• częstotliwość generowania bloków;
• uniknięcie ryzyka pobrania dodatkowych środków;
• weryfikację danych w bloku.

Mówiąc prościej, algorytm konsensusu zapobiega błędom w zdecentralizowanych sieciach. Co więcej, zadaniem tego mechanizmu jest wdrożenie warunków korzystnych dla wszystkich uczestników.

Algorytmy konsensusu: rodzaje

Monety cyfrowe są rozwijane na różnych blockchainach. Algorytmy konsensusu również różnią się na tych blockchainach.

Ponad 90% rynku kryptowalut opiera się na trzech głównych, ustandaryzowanych algorytmach:

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Jednak rozważymy nie tylko podstawowe mechanizmy, ale także kilka innych, które choć nie zostały zaadoptowane przez wiele projektów, są bardzo interesujące do zgłębienia i mogą odegrać ważną rolę w naszej przyszłości.

1. Proof of Work (PoW)

Ten algorytm konsensusu służy do wyboru górnika, który wygeneruje następny blok w łańcuchu. Bitcoin, Litecoin i wielu innych gigantów branży blockchain używa PoW w swojej pracy. Główną ideą tego algorytmu jest rozwiązanie złożonego losowego problemu matematycznego wygenerowanego przez blockchain i rozpowszechnienie rozwiązania. Cechą tego algorytmu jest złożoność rozwiązania problemu, ale można go łatwo ponownie zweryfikować. Ta matematyczna łamigłówka wymaga dużej mocy obliczeniowej, a więc węzeł, który rozwiąże ją jako pierwszy, ma prawo wygenerować następny blok. PoW dąży do tego, aby atak na sieć był wyjątkowo kosztowny i wymagał wysokich nakładów energii, ponieważ górnicy zużywają energię, świadcząc usługi pomiarowe i zapewniające bezpieczeństwo sieci. Wadami tego mechanizmu są ograniczona skalowalność i niska przepustowość.

2. Proof of Stake (PoS)

Być może jest to najpopularniejsza alternatywa dla PoW: nawet Ethereum niedawno przeszło z konsensusu PoW na PoS. W tym typie algorytmu konsensusu zamiast inwestowania w drogi sprzęt do rozwiązywania złożonej łamigłówki, tak zwani walidatorzy inwestują w monety sieciowe, blokując część swoich monet jako stawkę (staking). Następnie wszyscy walidatorzy zaczynają sprawdzać bloki, stawiając na blok, który ich zdaniem może zostać dodany do łańcucha. Na podstawie rzeczywistych bloków dodanych do blockchaina wszyscy walidatorzy otrzymują nagrodę proporcjonalną do swoich stawek, a ich stawka odpowiednio wzrasta. Ostatecznie do wygenerowania nowego bloku walidator jest wybierany na podstawie swojego ekonomicznego udziału w sieci. W ten sposób algorytm PoS zachęca walidatorów poprzez mechanizm motywacyjny do osiągnięcia konsensusu. Do zalet tego mechanizmu zalicza się większą skalowalność na podstawowym poziomie oraz potencjalne oszczędności energii w porównaniu z PoW. Do wad należy ryzyko centralizacji, które z kolei prowadzi do spadku bezpieczeństwa. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX i inne blockchainy działają w oparciu o PoS.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Mechanizm DPoS jest rozwinięciem PoS, ale stanowi inny rodzaj algorytmu konsensusu opartego na systemach głosowania. Zamiast losowo wybierać pojedyncze węzły do przeprowadzenia weryfikacji, społeczność posiadaczy tokenów używa swojego udziału (stawki), aby głosować na wybraną liczbę zaufanych węzłów, często nazywanych delegatami. Są oni odpowiedzialni za sprawdzanie transakcji i utrzymanie sieci, a w zamian otrzymują nagrodę w postaci części opłat transakcyjnych. DPoS można porównać do demokracji przedstawicielskiej — uczestnicy głosują na zaufanego przedstawiciela, aby chronił sieć w ich imieniu. Głosujący mogą zastąpić delegatów, jeśli działają oni przeciwko interesom większości zainteresowanych stron. Algorytm DPoS został wynaleziony przez Dana Larimera i jest używany w projektach, z których się wywodzi, takich jak BitShares, Steem oraz EOS, ale jest również wykorzystywany w innych sieciach, takich jak Tezos i Ark. Zalety DPoS to wysoka skalowalność i szersze rozproszenie inflacji (bardziej równomierny podział świeżo wyemitowanych tokenów między walidatorów), a wadami są niewystarczające bezpieczeństwo i stała tendencja do centralizacji sieci.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET jest jednym z najbardziej sprawiedliwych algorytmów konsensusu, który wybiera następny blok wyłącznie uczciwymi metodami. Jest szeroko stosowany w wielu prywatnych i korporacyjnych blockchainach, w szczególności Hyperledger. W tym algorytmie każdy walidator w sieci otrzymuje realną szansę na utworzenie swojego bloku. Wszystkie węzły robią to, czekając losową ilość czasu i dodając do bloku potwierdzenie czasu oczekiwania. Utworzone bloki są przekazywane do sieci do rozpatrzenia przez pozostałych uczestników. Zwycięzcą jest walidator, który ma najmniejszą wartość timera w części dowodowej. Blok węzła zwycięskiego walidatora jest dodawany do blockchaina. W algorytmie istnieją dodatkowe kontrole, aby zapobiec sytuacji, w której dany węzeł zawsze wygrywa wybory, generując najniższą wartość timera. Jeśli chodzi o zalety: można wyróżnić wysoką wydajność i niskie zużycie zasobów; wady — niski poziom bezpieczeństwa oraz zależność od strony trzeciej opracowującej zestaw instrukcji dla procesora.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA to algorytm konsensusu oparty na reputacji, który wykorzystuje wartość tożsamości i reputacji walidatorów bloków. W marcu 2017 roku zespół deweloperski Ethereum, kierowany przez Gavina Wooda, zaproponował PoA jako rozwiązanie problemu ataków spamowych na sieć testową Ropstein Ethereum. PoA wygląda jak PoS, z tą różnicą, że walidatorzy zamiast monet stawiają swoją reputację. Zaufane węzły/walidatorzy są wybierani przez liderów sieci, co sprawia, że PoA jest przydatne tylko dla prywatnych blockchainów. Stosowany w VeChain Thor, Microsoft Azure i innych. Zalety: wysoka szybkość transakcji, skalowalność i niski koszt utrzymania sieci. Wady: odrzucenie decentralizacji oraz możliwe złośliwe zachowanie uczestników sieci, któremu prawie nie da się zapobiec.

6. Proof of Capacity (PoC)

W konsensusie Proof of Capacity walidatorzy inwestują miejsce na swoim dysku twardym zamiast inwestować w drogi sprzęt lub spalać monety. Im więcej środków przeznaczą na sprawdzanie przestrzeni na dysku twardym, tym większą mają szansę na udział w kopaniu następnego bloku i otrzymaniu nagrody za blok. Korzystając z pamięci masowej zamiast obliczeń na ASIC-ach, blockchainy oparte na PoC są znacznie bardziej energooszczędne. Do projektów PoC należą Filecoin, Storj i Burstcoin. Oczywista zaleta tego podejścia to efektywność energetyczna, a wady wynikają z niewystarczającego bezpieczeństwa ze względu na podatność na ataki.

Istnieją również inne algorytmy konsensusu, takie jak:

• 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.

Jednak ich zastosowanie obecnie można przypisać raczej do przypadków prywatnych i innowacji, co może być tematem osobnego artykułu.

Podsumowanie

Każdy z przedstawionych algorytmów ma swoje mocne i słabe strony, a także możliwe zastosowania. Patrząc z tej perspektywy, można zasadnie założyć, że nie konkurują one ze sobą. Ważne jest, aby wybrać jeden rozsądnie, zgodnie z wymaganiami sieci biznesowej. 

Implementacja PoW jest bezpieczna i zdecentralizowana. PoW to doskonały mechanizm konsensusu dla kryptowalut. Jednak jest całkowicie nieodpowiedni dla sieci społecznościowych i gier blockchain. 

W rodzącej się branży blockchain ważne jest kontynuowanie badań, aby odkrywać nowe architektury blockchain. Nowe mechanizmy konsensusu otworzą nowe możliwości wykorzystania technologii blockchain, a w szczególności kryptowalut.