Алгоритм Консенсуса в Блокчейне: что это? POW, POS и другие

• Алгоритм консенсуса блокчейн платформы
• Что такое протокол и алгоритм консенсуса в блокчейне
  • Конснесусная модель Proof-of-work (PoW)
  • Алгоритм консенсуса Proof of Stake (PoS)
  • Алгоритм консенсуса криптовалюты Proof-of-authority (PoA)
  • Алгоритм консенсуса Proof-of-Importance (PoI)
  • Консенсусная система Delegated Proof of Stake (DPoS)
  • Raft – алгоритм консенсуса
  • Консенсусная модель Leased Proof of Stake (LPoS)
  • Алгоритм консенсуса Proof of Elapsed Time (PoET)
  • Консенсусная система Simplified Byzantine Fault Tolerance (SBFT)
  • Алгоритм консенсуса Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT)
  • Консенсусная модель Proof of Capacity (PoC)
  • Консенсусная система Proof of Burn (PoB)
  • Алгоритм консенсуса Proof of Weight (PoWeight)
  • Консенсусная модель Directed Acyclic Graphs (DAG)
• Заключение

Алгоритмы консенсуса составляют основу технологии блокчейн. Разберем подробно эту тему, а также ответим на самые популярные вопросы начинающих криптоэнтузиастов: «Что такое PoW и PoS?», «Алгоритм и протокол консенсуса – это одно и то же?», «Какой алгоритм консенсуса использует сеть Nervos?» и т. д.

Алгоритм консенсуса блокчейн платформы

Алгоритм консенсуса может определяться как механизм, с помощью которого блокчейн сеть достигает консенсуса. Публичные (децентрализованные) блокчейны построены как распределенные системы, и поскольку они не полагаются на центральные органы, распределенные узлы должны согласовывать валидацию транзакции. Именно здесь вступают в силу алгоритмы консенсуса. Они уверяют, что соблюдаются правила протокола, и гарантируют, что все транзакции происходят доверенным способом, поэтому монеты могут быть потрачены только один раз.

Прежде, чем мы погрузимся в разные типы алгоритмов консенсуса, важно понять различия между алгоритмом и протоколом.

Что такое протокол и алгоритм консенсуса в блокчейне

Начнем с азов. Блокчейн — это децентрализованная сеть из блоков, содержащих данные. В криптовалютах эти блоки хранят информацию обо всех операциях внутри сети. Все блоки записываются в сеть последовательно один за другим и связаны в цепочку. При этом каждый блок содержит информацию обо всех предыдущих блоках. Из такой сети нельзя ничего удалить, отредактировать или изменить задним числом — ведь пришлось бы переписывать всю цепочку с самого начала. 

В блокчейне проверкой операций и подтверждением того, что они записаны верно, занимается встроенный механизм - алгоритм консенсуса. Благодаря которому децентрализованные ноды сети достигают согласия (или консенсуса) о текущем состоянии данных во всех блоках. Нода — это любой компьютер, подключенный к блокчейну, который проверяет и подтверждает транзакции, и хранит копию блокчейна.

Алгоритм консенсуса гарантирует соблюдение правил протокола и достоверность всех транзакций. Он отвечает за то, чтобы все ноды сети были согласны с добавлением в нее нового блока и поддерживает целостность и безопасность сети. 

При этом важно понимать разницу между алгоритмом консенсуса и протоколом:

• Протокол — это правила работы блокчейна, по которым происходит взаимодействие нод сети, передаются данные о транзакциях и подтверждается добыча блока. 
• Алгоритм консенсуса — это механизм проверки выполнения правил: верны ли балансы и подписи, все ли транзакции корректны. 

Например, Bitcoin и Ethereum — это протоколы, а Proof-of-Work и Proof-of-Stake — это консенсусные алгоритмы. Не все криптовалюты работают на основе блокчена. Например, Ripple использует консенсусный реестр - Ledger. Это аналог блокчейна. Компания разрабатывает сеть для финансовых организаций, чтобы сделать международные транзакции более быстрыми и дешевыми. Есть разные алгоритмы консенсуса для сетей блокчейна. Рассмотрим их подробнее.

Конснесусная модель Proof-of-work (PoW)

Он используется в Bitcoin, Ethereum и Litecoin. Подход PoW был первым и сегодня он продолжает широко использоваться. PoW - это простая конструкция, которая обладает высокой устойчивостью к кибератакам. Этот подход полностью зависит от вычислительных мощностей каждого члена сети для решения проблем и достижения консенсуса при проведении транзакции.

Тот факт, что он требует ввода данных в своей сети, делает PoW очень трудным для взлома (любая успешная атака потребует, по крайней мере, 50% мощности хеширования всей сети), но это также делает его чрезвычайно затратным с точки зрения энергопотребления. По некоторым оценкам, Биткойн использует 32 ТВтч энергии в год, что примерно равно количеству электроэнергии, используемой всей Данией.

На основе PoW создаются другие консеснсусные модели. К примеру, мало кто знает, какой алгоритм консенсуса использует Nervos Network. За консенсус в Nervos CKB отвечает алгоритм NC-Max, основанный на Proof-of-Work, который предусматривает полные узлы. Каждый узел может участвовать в процессе консенсуса путем майнинга или проверки правильности новых блоков. Он повышает предел производительности сети и делает эгоистичный майнинг невыгодным. NC-Max использует частоту потерянных блоков в блокчейне как индикатор состояния сети и динамически регулирует интервал между блоками. Сокращенный интервал между блоками повышает пропускную способность и снижает задержку в подтверждении транзакций. Несмотря на достоинства NC, барьер масштабируемости мешает ему обрабатывать больше нескольких транзакций в секунду.

Алгоритм консенсуса Proof of Stake (PoS)

Proof-of-Stake (PoS) рассматривается, по крайней мере Ethereum, как наследник трона блокчейна. PoS действует как гораздо более энергоэффективное и децентрализованное воплощение алгоритма консенсуса. Переход крипто-гиганта Ethereum из PoW в PoS показывает потенциал, которым обладает альтернативный подход.

В тех случаях, когда PoW требует участия сети для совместной работы в создании узлов, PoS работает с вероятностями. Совет блокчейн определяет PoS следующим образом: «Proof of Stake опирается на вероятностную модель для выбора валидаторов, где вероятность того, что валидатор получит блок для решения, прямо пропорциональна количеству монет, внесенных им в качестве залога для защиты сети. Этот залог может быть изъят, если было замечено какое-либо нарушение со стороны валидатора. Основная математическая головоломка похожа на ту, что используется в Proof of Work. Однако ее сложность ниже».

Алгоритм консенсуса криптовалюты Proof-of-authority (PoA)

PoA-консенсусы используют заранее назначенный набор аккаунтов, которые могут производить блоки и голосовать за принятие и исключение новых членов. Этот вид консенсуса — естественный выбор для корпоративных блокчейнов и тестовых сетей. Здесь может вообще не быть внутреннего токена, а при голосованиях за блоки и при выборах валидаторов 1 валидатор = 1 голос.

В POA процесс майнинга начинается как стандартный процесс POW с участием различных майнеров, пытающихся опередить друг друга в нахождении решения нового блока с помощью более высокой вычислительной мощности. При обнаружении нового блока система переключается на POS с новым найденным блоком, содержащим только заголовок и адрес вознаграждения майнера.

Алгоритм консенсуса Proof-of-Importance (PoI)

Proof of Importance — доказательство важности. Он похож на Proof-of-Stake, однако в нем учитывается не только количество монет на счету, но и другие факторы, такие как репутация ноды (определяется через специальный сервис), количество входящих и исходящих транзакций. Т.е. эта консенсусная модель дает право генерировать блоки только «полезным» членам сети. На PoI разработана популярная криптовалюта NEM.

Консенсусная система Delegated Proof of Stake (DPoS)

Delegated Proof of Stake — делегированное доказательство доли владения. Это подвид модели Proof-of-Stake. Часто DPoS называют технологической демократией. Работу этого алгоритма можно сравнить с компанией, в которой каждый своим голосом может повлиять на выбор начальника или его увольнение, если последний не справляется со своими обязанностями. Суть DPoS состоит в том, что ноды сети методом голосования выбирают узел, который будет генерировать блоки. Работает правило: чем большим количеством монет обладает нода, тем больший вес имеет ее голос. Правила начисления вознаграждения также определяются также участниками сети. В некоторых сообществах вознаграждение начисляется не только ноде, которой делегировали право генерировать блоки, но и остальным участникам. Первая монета, в которой был применен алгоритм DPoS — Bitshares, он применяется в следующих монетах: EOS, Lisk, Ark, Steem. Также платформа CrowdWiz имеет алгоритм консенсуса DPoS.

Raft – алгоритм консенсуса

Raft - это согласованный алгоритм, разработанный как альтернатива семейству алгоритмов Paxos . Он должен был быть более понятным, чем Paxos, благодаря разделению логики, но он также формально признан безопасным и предлагает некоторые дополнительные функции. Raft предлагает общий способ распределения конечного автомата по кластеру вычислительных систем, гарантируя, что каждый узел в кластере согласовывает одну и ту же серию переходов состояний. Он имеет ряд эталонных реализаций с открытым исходным кодом с реализациями с полной спецификацией на Go, C ++, Java и Scala . Он назван в честь «Надежный, тиражируемый, избыточный и отказоустойчивый». Raft не является византийским отказоустойчивым алгоритмом: узлы доверяют избранному лидеру.

Консенсусная модель Leased Proof of Stake (LPoS)

Leased Proof of Stake - усовершенствованная версия Proof of Stake (PoS). В Proof of Stake каждый узел содержит определенную сумму криптовалюты и может добавить следующий блок в цепочку блоков. Однако, с помощью Leased Proof of Stake, пользователи могут сдавать в аренду свои монеты пользователям, держащим полные узлы (full nodes).

Чем выше сумма узла (вместе с монетами, взятыми в аренду), тем больше шансов, что для создания следующего блока будет выбран полный узел. Если узел выбран, пользователь будет получать процент от комиссии за транзакции, которые собирает этот узел. Протокол позволяет заработать на майнинге, не ведя самой добычи криптовалюты.

Алгоритм консенсуса Proof of Elapsed Time (PoET)

Доказательство потраченного времени - это механизм, который предотвращает высокое использование ресурсов и высокого потребления энергии. Концепция была изобретена в начале 2016 года компанией Intel. Каждый участвующий узел в сети должен ждать произвольно выбранный промежуток времени, и первый, завершивший назначенное время ожидания, находит новый блок.

Каждый узел в блокчейне генерирует случайное время ожидания и переходит в спящий режим на указанный промежуток времени. Тот, кто «просыпается» первым, - и есть тот участник, у которого самое короткое время ожидания. Он «просыпается» и включает новый блок в цепочку, передавая информацию всей одноранговой сети. Затем повторяется тот же процесс для обнаружения следующего блока.

Консенсусная система Simplified Byzantine Fault Tolerance (SBFT)

В SBFT один назначенный генератор блоков собирает и проверяет предложенные транзакции, периодически объединяя их в новый блок. Консенсус обеспечивается Генератором, который применяет правила (проверки), согласованные узлами (ядрами цепочки) к блоку и назначенным подписчиком блока. Другие (множественные) назначенные подписчики блоков ратифицируют предложенный блок своими подписями.

Алгоритм консенсуса Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT)

DBFT называется Делегированный византийский Отказоустойчивый механизм консенсуса, который обеспечивает крупномасштабное участие в консенсусе через голосование по доверенности. Владелец токена, голосуя, может выбрать бухгалтера, которого он поддерживает. Выбранная группа бухгалтеров, через алгоритм BFT, достигает консенсуса и генерирует новые блоки.

Консенсусная модель Proof of Capacity (PoC)

Подтверждение емкости (POC) - это алгоритм согласованности используется в блокчейне и позволяет майнинг оборудованию использовать в сети доступное пространство на жестком диске для определения прав на майнинг вместо использования вычислительной мощности устройства.

Консенсусная система Proof of Burn (PoB)

Доказательство сжигания. Протокол работает по принципу разрешения майнерам сжигать или уничтожать токены виртуальной валюты, что дает им право писать блоки пропорционально сгоревшим монетам.

Алгоритм консенсуса Proof of Weight (PoWeight)

Доказательство веса (PoWeight) - эта модель консенсусного алгоритма "взвешивает" каждого пользователя и определяет его вес в зависимости от количества монет, которыми тот владеет. Чем больше монет - тем лучше. Этот алгоритм обладает высокой масштабируемостью и является энергоэффективным.

Консенсусная модель Directed Acyclic Graphs (DAG)

DAG не имеет структуры данных Блокчейн и способен обрабатывать транзакции асинхронно.

Заключение

В заключении можно сказать, что блокчейн продолжает развиваться и будут появляться новые алгоритмы консенсуса, упрощающие работу с ним. Какой из них выбирать, решать самому пользователю. Сейчас майнеры стараются найти такие алгоритмы, которые снижают их издержки при добыче монет.