Альтернативные алгоритмы консенсуса. Стоит ли отказываться от PoW и PoS?

Несколько недель назад мы уже освещали в своей статье особенности основных алгоритмов консенсуса в блокчейне и примеры их использования в данной сфере. Но крипто-индустрия не ограничена применением всем известных консенсусных механизмов, таких как PoW (Proof of Work) или PoS (Proof of Stake). Блокчейн-проекты постоянно находятся в поиске альтернативных решений для улучшения своей токеномики. Стартапы заинтересованы в совершенствовании своих бизнес-моделей, разрабатывая и внедряя при этом новые алгоритмы, а также обновляя существующие в надежде вдохнуть в них новую жизнь. Именно о таких альтернативных механизмах консенсуса пойдёт речь в нашем сегодняшнем материале.

Алгоритмы на основе Byzantine Fault Tolerance (BFT)

Byzantine Fault Tolerance (BFT) — это функция распределенной сети, позволяющая достичь консенсуса, даже если некоторые узлы в сети не отвечают или дают неверную информацию. Целью механизма BFT является защита от сбоев системы путем использования коллективного принятия решений (как исправными, так и дефектными узлами), а также снижение влияния неисправных узлов. BFT происходит от “Задачи византийских генералов” (задача взаимодействия нескольких удалённых абонентов, которые получили приказы из одного центра).

Среди основных механизмов на базе BFT стоит выделить:

— Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) — это оригинальный классический консенсусный протокол, использующий 2 раунда голосования. Представленный в конце 90-х годов Барбарой Лисков и Мигелем Кастро, PBFT был разработан для эффективной работы в асинхронных сетях и оптимизирован для снижения накладных расходов.Понимание на высоком уровне того, как 2 раунда голосования обеспечивают безопасные изменения представлений, является основой всех классических консенсусных протоколов. Области применения включают распределенные вычисления и блокчейн. Например, Zilliqa использует PBFT в комбинации с POW, а Tendermint совмещает в себе DPoS и PBFT. Среди преимуществ стоит выделить энергоэффективность, низкую дисперсию вознаграждений и отсутствие требований многократного подтверждения транзакций. Недостатки — подверженность атакам Сивиллы, плохая масштабируемость.

— Delegated Byzantine Fault Tolerant (DBFT) был разработан на основе механизма PBFT командой NEO. Он совмещает в себе характеристики протоколов PBFT и DPoS. Каждый пользователь в цепочке блоков NEO может выбирать делегатов. Также данный алгоритм отличается разработкой совершенной окончательности, означающей, что все транзакции на 100 % являются окончательными после первого подтверждения. Цепные транзакции тривиальны и выполняются намного быстрее. Они построены с учётом нормативных и бизнес-прецедентов. Плюсы: высокая пропускная способность, энергоэффективность, необратимость операций после их подтверждения. Минусы: высокая степень централизации, отсутствие анонимности.

— Verifiable Byzantine Fault Tolerance (VBFT) — новый алгоритм консенсуса, который сочетает в себе классический PoS, проверяемую случайную функцию (VRF) и византийскую отказоустойчивость (BFT). Данный механизм разработан специально под нужды платформы ONTology. VBFT может поддерживать масштабируемость консенсусных групп, с помощью VRF гарантирует случайность и справедливость генерации консенсусной совокупности, а также обеспечивает быстрое достижение конечного состояния. В отличие от DBFT, в данном алгоритме устранена проблема риска централизации. Согласно плану Ontology, консенсусный алгоритм VBFT может поддерживать до 2401 узла в будущем, при этом достигая консенсуса менее чем за 10 секунд. Преимущества: отсутствие риска централизации, масштабируемость, устойчивость к атакам. Недостатки: применение алгоритма ограничивается компанией ONchain и проектом ONTology.

Другие механизмы консенсуса

— Proof of Activity — алгоритм консенсуса, который не только гарантирует подлинность транзакций, но и то, что майнеры достигнут консенсуса. Это комбинация PoW и PoS. Майнинг стартует стандартным способом, и майнеры соревнуются в скорости решения головоломки и получении своей награды. При этом найденные блоки не включают в себя транзакции. По сути, они являются информационными шаблонами с заголовком и адресом награды за блок. После того, как найден такой практически пустой блок, система обращается к алгоритму PoS. Информация в заголовке применяется чтобы случайным образом выбрать валидаторов, которые будут подписывать блок. В роли валидаторов могут выступать только владельцы токенов, и чем больше у них монет, тем больше шансов подписать блок и получить вознаграждение. После того, как блок подписан валидаторами, он становится подтверждённым элементом цепи. Плата за обеспечение безопасности сети распределяется между выигравшим майнером и валидаторами, подписавшими блок. Данный механизм используется проектами Decred и Espers. Среди явных плюсов предотвращение шанса атаки 51 %, а минусы схожи с PoW, например высокая энергозатратность.

— Proof of Burn (PoB) — альтернативный протокол консенсуса, направленный на решение проблемы энергопотребления в PoW. Иногда его даже описывают как PoW без потребления энергии. Он действует в соответствии с политикой поддержки майнеров для «сжигания» или «уничтожения» монет, что даёт им возможность записывать блоки в соответствии с количеством сожженных монет. Другими словами, выполняя сжигание монет, пользователи могут показать свою преданность сети, получая возможность «добывать» и проверять транзакции. Метод сжигания монет отображает мощность виртуального майнинга; чем больше монет пользователь использует для поддержки системы, тем больше у него мощности майнинга и, следовательно, тем больше возможностей быть избранным в качестве следующего валидатора блока. Используется в Counterparty, Slimcoin, Factom. Очевидным преимуществом этого подхода является то, что он стимулирует майнеров к долгосрочным действиям. С точки зрения недостатков, мы вновь сталкиваемся с проблемой централизации.

— Proof of Importance (PoI) — это консенсусный механизм, представленный NEM. PoI вознаграждает пользователей, которые активно осуществляют транзакции в сети, основываясь на PoS. При использовании PoI узлы должны передавать определённое количество монет, чтобы иметь право создавать блоки, и выбираются для создания блока примерно пропорционально количеству баллов, определяющих их вклад в сеть. В PoS эта оценка является общей суммой, но в PoI оценка включает больше переменных. Расчёты заимствованы из математики сетевой кластеризации и рейтинга страниц. Плюсом можно назвать поощрение к активности в сети вместо накопления в PoS, а минусом то, что создание блоков не требует никаких ресурсов и может быть использовано недобросовестным образом.

— Proof of History (PoH) являетсявсвоёмродедействительноинновационнымалгоритмом. РешениепредставленопроектомSolana, чтобыокончательноустранитьвопросдостоверностивременныхметоквраспределённыхсетях. Вотличиеотпримененияустоявшегосяметодасвременнымиметкамиможноудостовериться, чтодействиевыполненовопределённыймоментвременипослеодногодействия, нопереддругим. БлагодаряProofofHistoryможнозафиксировать, чтоопределённоедействиеимеломестовопределённыймоментвремени, переддругим действием или после него. Всёэто возможнобез использованияметкивременииливнешнихсинхронизирующихструктур. Подтверждениемисторииявляетсявысокочастотнаяфункцияпроверкисзадержкой. Это значит, что для получения и оценки уникальности и надёжности публикуемого значения, функции требуется последовательность шагов. Вреализации, осуществляемойвSolana, выполняетсяфункция, вкоторойприменяетсясистемапоследовательногохеширования, котораяустойчивакпредварительнымобразам (изображениямзаранееподготовленныххешей). Таким образомвыходтранзакциивыступает в роли входапоследующейтранзакции. Впоследствиитекущийсчётчик, статусивыходпериодическизаписываются. Явныепреимуществазаключаютсявмасштабируемостииискоренениипроблемыдостоверностиметоквремени. На данный момент ввиду новизны данного решения, выделить его явные недостатки довольно сложно.

Итог

Технология блокчейн всё ещё находится в стадии разработки. Следовательно, естественным исходом является то, что вопрос “правильного” консенсусного протокола пока находится на стадии обсуждений и споров. Многие критические соображения, такие как степень децентрализации, лежат в основе духа блокчейна как технологии. По крайней мере, в данный момент нет единого мнения о “правильном” алгоритме консенсуса, а значит впоследствие конкуренция будет только усиливаться.