Алгоритмы консенсуса в блокчейне

Технология блокчейн – это новый сдвиг в мире интернета, который привел к изменениям во многих областях. Многие отрасли начали внедрять блокчейн-решения для своих приложений и услуг. Консенсусный алгоритм необходим среди одноранговых узлов сети блокчейна для обеспечения его корректной работы.

В этой статье мы сделаем акцент на популярных алгоритмах консенсуса, чтобы выяснить их функции и факторы влияющие на производительность и безопасность.

Механизм консенсуса – это процедура, посредством которой все одноранговые узлы сети достигают общего соглашения о текущем состоянии распределенного регистра. Таким образом, согласованные алгоритмы обеспечивают надежность в сети блокчейн и устанавливают доверительные отношения между неизвестными партнерами в распределенной вычислительной среде. По сути, согласованный протокол гарантирует, что каждый новый блок, который добавляется в цепочку блоков, является единственной версией истины, согласованной всеми узлами в этой цепочке. Консенсусные модели блокчейна состоят из некоторых конкретных целей, таких как достижение соглашения, сотрудничество, равноправие узлов и обязательное участие каждого узла в процессе согласования. Таким образом, консенсусный алгоритм направлен на поиск общего соглашения, которое является выигрышем для всей сети.

Более 90% рынка криптовалют основано на трех основных согласованных алгоритмах:

• Proof of Work (PoW)
• Proof of Stake (PoS)
• Delegated Proof of Stake (DPoS)

Тем не менее, мы рассмотрим не только основные, но и некоторые другие механизмы, которые хоть и не были приняты многими проектами, но их очень интересно исследовать, и они могут сыграть большую роль в нашем будущем.

1. Proof of Work (PoW)

Данный согласованный алгоритм используется для выбора майнера, который сгенерирует следующий блок в цепочке. Bitcoin, Ethereum, Litecoin и многие другие мастодонты блокчейн-индустрии используют PoW в своей работе. Основная идея этого алгоритма состоит в том, чтобы решить сложную случайную математическую задачу, сгенерированную блокчейном и выдать решение. Особенностью данного алгоритма является сложность решения задачи, но при этом его можно легко перепроверить. Эта математическая головоломка требует больших вычислительных мощностей и, таким образом, узел, который решает головоломку, раньше остальных добирается до следующего блока. PoW стремится, чтобы атака на сеть была чрезмерно дорогой и требует высоких энергозатрат, так как майнеры потребляют энергоресурсы для предоставления услуг учета и безопасности сети. Недостатками данного механизма принято считать ограниченную масштабируемость и невысокую пропускную способность.

2. Proof of Stake (PoS)

Пожалуй, это наиболее распространенная альтернатива PoW. Даже Ethereum планирует переход от PoW к PoS консенсусу в ближайшем будущем. В этом типе алгоритма консенсуса вместо того, чтобы вкладывать средства в дорогостоящее оборудование для решения сложной головоломки, валидаторы вкладывают средства в монеты сети, блокируя часть своих монет в качестве ставки (стейкинг). После этого все валидаторы начинают проверять блоки, делая ставку на тот блок, который, по их мнению, может быть добавлен в цепочку. На основании фактических блоков, добавленных в блокчейн, все валидаторы получают вознаграждение, пропорциональное их ставкам, и их ставка увеличивается соответствующим образом. В конце концов, для генерации нового блока валидатор выбирается на основе его экономической доли в сети. Таким образом, алгоритм PoS поощряет валидаторов через механизм стимулирования для достижения консенсуса. Плюсами данного механизма считают повышенную масштабируемость на базовом уровне и потенциальную экономию энергии в сравнении с PoW. К недостаткам следует отнести риск централизации, что в свою очередь ведет к снижению безопасности. На PoS работают Peercoin, Lisk, PIVX и другие блокчейны.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Механизм DPoS является развитием PoS, но, по сути, представляет собой алгоритм консенсуса другого типа, который основан на системах голосования. Вместо того, чтобы отдельные узлы выбирались случайным образом для выполнения проверки, сообщество держателей токенов использует свою долю (ставку) для голосования по выбранному количеству доверенных узлов, часто называемых делегатами. Они несут ответственность за проверку транзакций, поддержание сети и получают вознаграждение в обмен на транзакционные сборы. DPoS можно сравнить с представительной демократией — участники голосуют за доверенного представителя для защиты сети от своего имени. Избиратели могут заменить делегатов, если они действуют против интересов большинства заинтересованных сторон. Алгоритм DPoS был изобретен Дэном Ларимером и используется в проектах, у истоков которых он стоял, таких как BitShares, Steem, EOS, но также востребован и в других сетях, к примеру Tezos, Ark. Достоинствами DPoS являются высокая масштабируемость и более широкое распространение инфляции (более равномерное распространение свеженапечатанных токенов между валидаторами), а минусами недостаточная безопасность и устойчивая тенденция централизации в сети.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET – один из самых справедливых согласованных алгоритмов, который выбирает следующий блок, используя только честные средства. Он широко используется во многих частных и корпоративных блокчейнах, в частности Hyperledger. В этом алгоритме каждый валидатор в сети получает реальный шанс создать свой собственный блок. Все узлы делают это, ожидая случайное количество времени и добавляя подтверждение своего ожидания в блоке. Созданные блоки передаются в сеть для рассмотрения остальніми участниками. Победителем является валидатор, который имеет наименьшее значение таймера в части доказательства. Блок победившего узла валидатора добавляется в блокчейн. В алгоритме есть дополнительные проверки, чтобы не дать узлам всегда побеждать на выборах, генерируя самое низкое значение таймера. Из плюсов можно выделить высокую эффективность и малую ресурсоёмкость, из минусов низкий уровень безопасности и зависимость от третьей стороны, разрабатывающей набор инструкций для процессора.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA – это основанный на репутации алгоритм консенсуса, который использует ценность идентичности и репутации валидаторов блоков. В марте 2017 года группа разработчиков Ethereum во главе с Гэвином Вудом предложила PoA в качестве решения для спам-атак на тестовую сеть Ropstein Ethereum.PoA похож на PoS, за исключением того, что валидаторы вместо монет ставят свою репутацию. Доверенные узлы / валидаторы выбираются лидерами сетей, что делает PoA полезным только для частных блокчейнов. Используется в VeChain Thor, Microsoft Azure и других. Плюсы: высокая скорость транзакций, масштабируемость, невысокая стоимость обслуживания сети. Минусы: отказ от децентрализации, возможное злонамеренное поведение участников сети, которое практически невозможно предотвратить.

6. Proof of Capacity (PoC)

В консенсусе Proof of Capacity, валидаторы должны инвестировать свое место на жестком диске вместо того, чтобы вкладывать деньги в дорогостоящее оборудование или сжигание монет. Чем больше средств проверки пространства на жестком диске, тем больше у них шансов попасть на майнинг следующего блока и получить награду за блок. Используя хранилище вместо вычислений с ASICS, цепочки блоков PoC намного более энергоэффективные. На PoC работают проекты Filecoin, Storj, Burstcoin. Очевидные плюсы такого подхода в энергетической эффективности, минусы в недостаточной безопасности из-за подверженности атакам.

Существуют также другие консенсусные алгоритмы, такие как:

• Proof of Activity
• Proof of Weight
• Proof of Importance
• Proof of Participation
• Proof of History
• Leased Proof of Stake
• Proof of Burn
• Practical Byzantine Fault Tolerance

Но их использование в данный момент можно отнести скорее к частным случаям и инновациям, что может послужить темой для отдельной статьи.

Каждый, из представленных алгоритмов имеет свои сильные и слабые стороны, а также возможные варианты использования. При рассмотрении в этом свете разумно предположить, что они на самом деле не конкурируют друг с другом.Важно разумно выбрать один из них в соответствии с требованием бизнес-сети.Реализация PoW отличается безопасностью и децентрализованностью. PoW — отличный консенсусный механизм для криптовалют. Тем не менее, он совершенно неуместен для социальных сетей и игр на блокчейне.В зарождающейся блокчейн-индустрии важно продолжать исследования, чтобы открыть для себя новые архитектуры блокчейнов. Новые механизмы консенсуса откроют новые варианты использования технологии блокчейн и криптовалют в частности.