Алгоритм консенсуса — это процедура, используемая в информатике, в которой участники распределенной Сеть согласовывает состояние сети или состояние отдельного значения данных и устанавливает доверительные отношения между неизвестными одноранговыми узлами в сети. 

Алгоритмы консенсуса разработаны таким образом, что участники блокчейна приходят к соглашению о проверке транзакции в сети, изменении параметров сети, принятии решения о том, какие узлы заслуживают доверия для обработки новых блоков и других важных функциях.

Не позволяйте техническому характеру этой статьи сбить вас с толку — поиск «консенсуса» окружает нас повсюду — это очень человеческое понятие, но оно применимо только к чему-то, что можно автоматизировать. 

Во-первых, в централизованных системах задачи достижения консенсуса выполняются центральным органом. 

В децентрализованных системах, таких как Биткойн, у нас есть сеть, состоящая из сотен, тысяч и даже сотен тысяч майнеров или узлов, которые объединяются для выполнения одной или нескольких задач и обеспечивают надежную и эффективную экосистему.

Размышляя о децентрализованном консенсусе в этом примере, предположим, что вы находитесь в группе из четырех друзей, и один из членов, Алекс, представляет пятого человека, Боба. Когда Боб уйдет, скорее всего, группа начнет говорить о Бобе (это протокол), чтобы посмотреть, понравился ли он им (результатом будет «консенсус») 

Хосе: «Боб кажется классным парнем».

Кевин: «Да, классный парень. Как вы с ним познакомились?

Алекс: «Он был на одном из моих курсов по финансам еще в колледже; мы делились советами по торговле криптовалютами, и в итоге он оказался довольно забавным парнем».

Кевин: «Хорошо, но его мемы были просто супер странными».

Джон: «Вы просто не понимаете культуру мемов».

Хосе: «Да, вы не тратите много времени на пролистывание TikTok — мне они показались довольно забавными».

В этом примере был достигнут «консенсус» относительно того, хорошо ли Боб интегрируется в группу друзей. Часто бывает необходимый консенсус мнений даже при отсутствии конкретных обязательств или заключенных контрактов. Один участник, Кевин, не хочет пускать Боба в группу, но Хосе, Алекс и Джон относятся к Бобу спокойно.

В этом случае, если бы мы кодифицировали приведенный выше пример в алгоритм консенсуса: тогда 3 «он классный» и 1 «он классный, но я не уверен насчет XYZ» по-прежнему приводит к «он крутой». Побеждает большинство, поэтому Боб будет тусоваться с крутыми ребятами, несмотря на мнение Кевина. 

Биткойн, например, создан для достижения консенсуса в отношении того, являются ли новые транзакции действительными («крутыми») или нет. 

Здесь мы рассмотрим самые популярные и не очень популярные типы алгоритмов консенсуса блокчейна в общедоступных и частных сетях.

Что такое Доказательство работы?

Proof of Work (PoW) — самый популярный и самый старый алгоритм консенсуса, появившийся с созданием Биткойна в 2009 году Сатоши Накамото. Система PoW состоит из глобальной сети майнеров, называемых сетевыми узлами, которые соревнуются в решении математических головоломок. Майнер, который успешно решает головоломку, получает право добавить новый блок в цепочку блоков и получает вознаграждение в виде вновь созданной криптовалюты. 

Доказательство работы — это, по сути, способ майнера показать доказательство того, что он предоставил вычислительную мощность для достижения консенсуса в сети и проверки подлинности каждого блока. Далее каждый блок (транзакция) выстраивается в последовательном порядке, что исключает риск двойной траты.

До сих пор PoW был наиболее безопасным механизмом консенсуса для криптовалютных блокчейнов. Изменение сети потребует от злоумышленника повторного майнинга всех существующих блоков в цепочке. Чем больше растет блокчейн, тем сложнее монополизировать вычислительную мощность сети, поскольку это потребует огромного потребления энергии и дорогого оборудования.

Как только шахтер решает головоломку, он находит нунций (сокращение от числа, используемого один раз), который создает хэш со значением, меньшим или равным значению, установленному сложностью сети. 

Одноразовый номер является центральной частью систем PoW, поскольку он позволяет майнеру создавать заголовок блока, хэшированный с помощью хэш-функции SHA-256, что означает размещение ссылочного номера для блока в цепочке. Заголовок блока также содержит метку времени и хэш предыдущего блока.

Минусы PoW

Майнеры должны обеспечить значительную вычислительную мощность для решения головоломок. Но поскольку вычисления сложны, количество энергии, которое потребляет один Antminer S9, обычно составляет от 1400 до 1500 Вт в час при скорости хэширования 14.5 TH/s. S19, более мощная версия, потребляет 3250 Вт в час при хешрейте 110 TH/s. 

Приложив немного математики, мы можем рассчитать количество энергии, которое ежедневно потребляют центры обработки данных или майнинговые компании с сотнями или тысячами майнинговых установок в одном месте. Высокое энергопотребление и ущерб окружающей среде — основные критические замечания, вытекающие из доказательства работы. 

Для сравнения: до того, как Ethereum перешел на Proof of Stake, майнеры Ethereum по всему миру потребляли около 10 ТВтч в год, столько же, сколько в Чешской Республике.

Громкий шум также вредит человеческому слуху — выше 80 дБа. Вот почему майнинговые установки обычно хранятся в подвалах или на майнинговых объектах, чтобы не мешать повседневной деятельности.

Что такое Proof of Stake?

Proof of Stake (PoS) — второй по популярности алгоритм консенсуса. Вместо майнеров в блокчейнах PoS есть сетевые валидаторы, которые используют свои монеты/токены в качестве доказательства своей приверженности сети, а не вычислительной мощности. 

Стейкинг означает «блокировку» криптоактивов на определенный период времени в блокчейн-платформе, которая, в свою очередь, вознаграждает пользователей большим количеством криптовалюты. 

PoW против PoS: основные отличия

В PoS пользователи могут ставить часть своих активов с единственной целью получения пассивного дохода. Другой вариант — стать валидатором. В отличие от систем PoW, валидаторы не конкурируют за создание новых блоков, поскольку они выбираются алгоритмом случайным образом. Чем больше монет/токенов делает ставка пользователя, тем выше его шансы стать валидатором и создать новые блоки в блокчейне. 

В системах PoW время генерации новых блоков определяется сложностью майнинга; чем больше участников присоединяется к сети, тем больше хэш-мощность, т. е. вычислительная мощность, необходимая для добычи новых блоков. Блокчейны PoS, напротив, имеют фиксированное время генерации блока, разделенное на слоты — время, необходимое для создания блока — и эпохи, которые представляют собой единицы времени, состоящие из слотов. 

Чтобы объяснить это лучше, слот в Ethereum состоит из 12 секунд, что является количеством времени, которое требуется сети для создания блока, а 32 слота создают эпоху. Следовательно, одна эпоха равна 6.4 минуты. Каждый слот в блокчейне PoS имеет заранее определенное количество валидаторов, которые голосуют за действительность предлагаемого блока. Если блок действителен, он добавляется в цепочку, а автор предложения блока и подтвердители получают вознаграждение в ETH.

Блокчейны PoS наказывают злоумышленников за атаку на сеть с помощью атак в стиле 51%, которые называются резкими, когда честные валидаторы изгоняют злонамеренного валидатора из сети и сливают свой баланс. Это препятствует атакам злоумышленников на сеть, поскольку требуемое количество средств для ставок значительно велико. В случае Ethereum 32 ETH.

Плюсы PoS:

• Менее энергоемкий по сравнению с PoW
• Больше подходит для работы с решениями уровня 2, чем PoW
• Возможность достижения более высокой пропускной способности, поскольку консенсус устанавливается до передачи блоков.
• Менее дорогой, чем блокчейны PoW, поскольку для создания новых блоков не требуется элитное оборудование.

Минусы PoS

• Системы PoS по-прежнему подлежат централизации, если валидаторы с большим количеством застейканных токенов могут влиять на сеть. 
• Менее проверенный с точки зрения безопасности по сравнению с блокчейнами PoW.

Что такое доказательство истории?

Доказательство истории (PoH) — это алгоритм консенсуса, представленный блокчейном Solana, который заключается в размещении метки времени для всех событий в сети, чтобы доказать, что они произошли в заданное время. PoH можно описать как криптографические часы, подтверждающие транзакции в последовательном порядке. 

Solana сочетает свой подход PoH с PoS. Таким образом, участники сети должны ставить SOL, чтобы стать валидаторами и обрабатывать новые блоки, а механизм PoH проверяет действительность этих транзакций, происходящих в режиме реального времени. Другими словами, PoH поддерживает безопасность, а PoS предоставляет сеть валидаторов, которые могут проверять временные метки и подтверждать транзакции.

Однако Solana жертвует децентрализацией, чтобы обеспечить молниеносную пропускную способность транзакций. Блокчейн опирается на полуцентрализованную архитектуру, в которой один узел избирается в качестве лидера, отвечающего за реализацию единого источника времени, т. е. часов PoH, а все остальные узлы должны соответственно следовать временной последовательности. Лидеры периодически избираются через выборы PoS.

Хотя Solana является одним из самых быстрых блокчейнов в отрасли, он регулярно страдает от простоев. С момента запуска в 2020 году сеть пережила примерно десять простоев, пять из которых произошли в 2022 году. Основная причина этих простоев — «неправильно настроенный узел».

Что такое делегированное доказательство доли?

Делегированное подтверждение ставки (DPoS) — это разновидность концепции PoS, в которой центральную роль играет сообщество.

В блокчейнах DPoS члены сообщества ставят свои криптовалюты, чтобы голосовать за следующих свидетелей или делегатов для производства блоков. Для этого пользователи должны объединить свои токены в пул ставок блокчейна, а затем связать средства с указанным делегатом. 

DPoS был разработан бывшим техническим директором EOS Дэном Ларимером, который внедрил алгоритм на BitShares в 2015 году. Лаример и другие сторонники DPoS заявили, что DPoS расширяет демократические рамки, поскольку сообщество выбирает следующего валидатора. Сегодня такие блокчейны, как TRON и Cardano, используют DPoS. 

Однако критика DPoS заключается в том, что его методология отдает предпочтение состоятельным пользователям. Те, у кого много токенов, могут иметь большее влияние в сети. Виталик Бутерин был одним из первых противников DPoS, заявив в блоге что этот алгоритм консенсуса побуждает свидетелей формировать картели и подкупать избирателей для поддержки.

Что такое доказательство полномочий?

Доказательство полномочий (PoA) — это алгоритм консенсуса, в котором только уполномоченные члены могут взаимодействовать с блокчейном, выполнять транзакции, вносить или предлагать изменения сетевых параметров, просматривать историю транзакций и т. д. 

Термин был придуман Гэвин Вуд, разработчик блокчейна, соучредитель Эфириум, Polkadotи Сеть Кусама.

В блокчейне PoA, все дело в репутации — участники сети ставят свои личности вместо монет. Они обеспечивают более высокий уровень масштабируемости и пропускной способности, поскольку полагаются только на ограниченное количество валидаторов. Мы можем подумать, что это сильно централизованная модель, но блокчейны PoA обычно являются частными и лучше подходят для предприятий и организаций, которые используют технологию блокчейна для улучшения бизнеса и операционных систем. 

Что такое доказательство прошедшего времени?

Доказательство прошедшего времени (PoET) — еще один алгоритм консенсуса, который лучше всего работает с частными блокчейнами.

Алгоритм PoET был впервые представлен разработчиками программного обеспечения Intel и реализован для Гипсокартон Sawtooth, нацеленный на частные блокчейны и учреждения.

Алгоритм может быть не таким популярным, как другие блокчейны, поскольку он не был адекватно определен. Но идея заключалась в том, чтобы представить готовый движок в стиле Накамото, который позволял частным блокчейнам выбирать следующего производителя блоков. И чем они отличаются? Итак, алгоритм генерирует «случайное время ожидания» для каждого сетевого узла, и в течение этого времени узел должен «спать». Узел с наименьшим периодом ожидания просыпается первым и получает право создать блок в цепочке. 

Итак, главное отличие в том, что майнеры в PoET не работают круглосуточно и потребляют меньше энергии. Кроме того, в сети PoW майнеры соревнуются за хэш заголовка следующего блока, тогда как в PoET это скорее система случайного выбора.

Часто задаваемые вопросы об алгоритмах консенсуса: 

Станет ли Ethereum быстрее после перехода на PoS?

Распространенным заблуждением является то, что Ethereum будет автоматически масштабироваться теперь, когда это блокчейн на основе PoS. Однако этот переход был сделан для улучшения Ethereum за счет:

• Снижение энергопотребления
• Снижение барьеров для входа за счет устранения требований к оборудованию
• Разрешение экономических штрафов за неправильное поведение узла
• Представляем новую модель эмиссии токенов 
• И лучшая инфраструктура для работы с решениями Ethereum Layer-2.

Что такое разрешенные и разрешенные блокчейны?: 

Блокчейн без разрешения относится к общедоступному блокчейну, в котором любой может совершать транзакции, просматривать историю транзакций, делать ставки на монеты, становиться валидатором и т. д. С другой стороны, в блокчейнах с разрешениями (частных) транзакции, взаимодействие с сетевыми узлами, отслеживание активности в сети и т. д.

Является ли PoW самым безопасным алгоритмом консенсуса? У PoW есть свои недостатки, но до сих пор он был наиболее проверенным и надежным способом поддержания консенсуса и безопасности сети в блокчейне.

Заключительные мысли: объяснение алгоритма консенсуса

Блокчейн — это технология, способная решить множество проблем и болевых точек в различных отраслях, а не только в банковском деле и финансах. Однако здесь есть и свои неудачи. Следовательно, разработчики создали несколько типов и версий алгоритмов консенсуса для решения общих проблем, таких как централизация, отсутствие масштабируемости и низкая пропускная способность. 

Но говорить о будущем алгоритмов блокчейна сложно из-за одной проблемы: трилеммы блокчейна. Впервые изложенный Виталиком Бутериным, в нем говорится о неспособности сетей блокчейна обеспечить два из трех преимуществ: децентрализацию, безопасность и масштабируемость. Существует несколько блокчейн-платформ, таких как фантом и Solana, которые реализовали свои собственные гибридные версии алгоритмов консенсуса в попытке решить трилемму блокчейна, но пока ни одна из них не добилась реального успеха. 

Были предприняты и другие технические подходы для улучшения свойств блокчейна, и одним из самых популярных является уровень 2, который представляет собой цепочки, связанные с уровнем 1, например, Arbitrum с Ethereum, и сегментирование, которое делит весь блокчейн на части. множество небольших сетей. Бутерин Димс сегментирование как лучший подход для обеспечения трех свойств идеального блокчейна.