Алгоритмы консенсуса в блокчейне

Криптовалютные сети отличаются друг от друга организацией работы. Поскольку здесь используется децентрализация, необходимо реализовать распределённый реестр. Это необходимо для согласования транзакций без дополнительных затрат.

В этой статье мы сосредоточимся на популярных алгоритмах блокчейна, чтобы выяснить их функции и факторы, влияющие на производительность и безопасность.

Что такое алгоритм консенсуса блокчейна?

Механизм консенсуса — это процедура, с помощью которой все узлы сети приходят к общему соглашению о текущем состоянии распределённого реестра. Таким образом, алгоритмы консенсуса обеспечивают надёжность в блокчейн-сети и выстраивают доверительные отношения между неизвестными друг другу участниками в распределённой вычислительной среде. Согласованный протокол гарантирует, что каждый новый блок, добавляемый в цепочку блоков, является единственной версией истины, с которой согласны все узлы этой цепочки. Модели консенсуса блокчейна включают в себя определённые цели, такие как достижение соглашения, кооперация, равенство узлов и обязательное участие каждого узла в процессе согласования. Таким образом, алгоритм консенсуса направлен на поиск общего согласия, выгодного для всей сети. Кроме того, этот алгоритм реализует:

• частоту генерации блоков;
• предотвращение риска списания дополнительных средств;
• проверку данных в блоке.

Проще говоря, алгоритм консенсуса позволяет избежать ошибок в децентрализованных сетях. Более того, задача механизма — обеспечить взаимовыгодные условия для всех участников.

Алгоритмы консенсуса: виды

Цифровые монеты разрабатываются на различных блокчейнах. Алгоритмы консенсуса на этих блокчейнах тоже различаются.

Более 90% криптовалютного рынка основано на трёх основных согласованных алгоритмах:

Proof of Work (PoW)

Proof of Stake (PoS)

Delegated Proof of Stake (DPoS)

Однако мы рассмотрим не только базовые механизмы, но и некоторые другие, которые, хотя и не были приняты многими проектами, весьма интересны для изучения и могут сыграть важную роль в нашем будущем.

1. Proof of Work (PoW)

Этот алгоритм консенсуса используется для выбора майнера, который будет генерировать следующий блок в цепочке. Bitcoin, Litecoin и многие другие мастодонты блокчейн-индустрии используют PoW в своей работе. Основная идея ​этого алгоритма заключается в решении сложной случайной математической задачи, сгенерированной блокчейном, и передаче найденного решения. Особенность этого алгоритма — сложность решения задачи, при этом его можно легко перепроверить. Эта математическая головоломка требует больших вычислительных мощностей, и поэтому узел, решивший её первым, получает право создать следующий блок. PoW стремится обеспечить, чтобы атака на сеть была чрезмерно дорогой и требовала высоких затрат энергии, поскольку майнеры потребляют энергию, предоставляя услуги учёта и сетевой безопасности. К недостаткам этого механизма относятся ограниченная масштабируемость и низкая пропускная способность.

2. Proof of Stake (PoS)

Пожалуй, это самая распространённая альтернатива PoW: даже Ethereum недавно перешёл с консенсуса PoW на PoS. В этом типе алгоритма консенсуса вместо инвестирования в дорогостоящее оборудование для решения сложной задачи так называемые валидаторы инвестируют в монеты сети, блокируя часть своих монет в качестве ставки (staking). После этого все валидаторы начинают проверять блоки, делая ставку на тот блок, который, по их мнению, может быть добавлен в цепочку. На основе фактически добавленных в блокчейн блоков все валидаторы получают вознаграждение, пропорциональное их ставкам, а их доля соответственно увеличивается. В итоге для генерации нового блока валидатор выбирается на основе его экономической доли в сети. Таким образом, алгоритм PoS стимулирует валидаторов с помощью механизма поощрений достигать консенсуса. К преимуществам этого механизма относят повышенную масштабируемость на базовом уровне и потенциальную экономию энергии по сравнению с PoW. Недостатки включают риск централизации, что, в свою очередь, приводит к снижению безопасности. Ethereum, Peercoin, Lisk, PIVX и другие блокчейны работают на PoS.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Механизм DPoS является развитием PoS, но это другой тип алгоритма консенсуса, основанный на системах голосования. Вместо случайного выбора отдельных узлов для проведения проверки сообщество держателей токенов использует свою долю (ставку), чтобы голосовать за выбранное количество доверенных узлов, часто называемых делегатами. Они отвечают за проверку транзакций и поддержание сети и получают вознаграждение в обмен на долю комиссий за транзакции. DPoS можно сравнить с представительной демократией — участники голосуют за доверенного представителя, чтобы он защищал сеть от их имени. Избиратели могут заменить делегатов, если те действуют против интересов большинства заинтересованных сторон. Алгоритм DPoS был изобретён Dan Larimer и используется в проектах, у истоков которых он стоял, таких как BitShares, Steem и EOS, но также востребован и в других сетях, таких как Tezos и Ark. Преимущества DPoS — высокая масштабируемость и более широкое распределение инфляции (более равномерное распределение только что выпущенных токенов между валидаторами), а недостатки — недостаточная безопасность и устойчивый тренд к централизации сети.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET — один из самых справедливых алгоритмов консенсуса, который выбирает следующий блок, используя только честные средства. Он широко применяется во многих частных и корпоративных блокчейнах, в частности в Hyperledger. В этом алгоритме каждый валидатор в сети получает реальный шанс создать свой блок. Все узлы делают это, ожидая случайное количество времени и добавляя в блок подтверждение своего ожидания. Созданные блоки передаются в сеть для рассмотрения остальными участниками. Победителем становится валидатор, у которого наименьшее значение таймера в части доказательства. Блок узла-валидатора-победителя добавляется в блокчейн. В алгоритме предусмотрены дополнительные проверки, чтобы не допустить постоянной победы одного и того же узла, который генерирует наименьшее значение таймера. Из плюсов можно выделить высокую эффективность и низкие требования к ресурсам; из минусов — низкий уровень безопасности и зависимость от третьей стороны, разрабатывающей набор инструкций для процессора.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA — это алгоритм консенсуса, основанный на репутации, который использует ценность идентичности и репутации валидаторов блоков. В марте 2017 года команда разработчиков Ethereum во главе с Gavin Wood предложила PoA как решение проблемы спам-атак в тестовой сети Ethereum Ropstein. PoA похож на PoS, за исключением того, что вместо монет валидаторы ставят свою репутацию. Доверенные узлы/валидаторы выбираются лидерами сети, что делает PoA полезным только для частных блокчейнов. Используется в VeChain Thor, Microsoft Azure и других. Плюсы: высокая скорость транзакций, масштабируемость и низкая стоимость обслуживания сети. Минусы: отказ от децентрализации и возможное вредоносное поведение участников сети, которое практически невозможно предотвратить.

6. Proof of Capacity (PoC)

В консенсусе Proof of Capacity валидаторы инвестируют свободное место на жёстком диске вместо вложений в дорогостоящее оборудование или сжигания монет. Чем больше средств проверки пространства на жёстком диске, тем выше у них шансы получить право на майнинг следующего блока и вознаграждение за него. Использование хранилища вместо вычислений на ASICS делает блокчейны на PoC гораздо более энергоэффективными. На PoC работают такие проекты, как Filecoin, Storj и Burstcoin. Очевидное преимущество этого подхода — энергоэффективность, а недостатки заключаются в недостаточной безопасности из-за подверженности атакам.

Также существуют и другие алгоритмы консенсуса, такие как:

• 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.

Но их использование на данный момент скорее относится к частным случаям и инновациям, что может стать темой для отдельной статьи.

Итоги

Каждый из представленных алгоритмов имеет свои сильные и слабые стороны, а также возможные варианты применения. Если рассматривать их под этим углом, можно разумно предположить, что они не конкурируют друг с другом. Важно осознанно выбрать один из них в соответствии с требованиями бизнес-сети. 

Реализация PoW безопасна и децентрализована. PoW — отличный механизм консенсуса для криптовалют. Однако он совершенно не подходит для социальных сетей и блокчейн-игр. 

В зарождающейся блокчейн-индустрии важно продолжать исследования, чтобы открывать новые архитектуры блокчейна. Новые механизмы консенсуса откроют новые возможности для использования технологий блокчейна и криптовалют, в частности.