Когда термин «блокчейн» упоминается в каком-либо контексте, он обычно идет рука об руку со сложным термином «алгоритм консенсуса». Большинство читателей даже не задумываются о том, что такое алгоритм консенсуса. На самом деле, большинство из них даже не знают, для чего используется алгоритм в контексте блокчейна. Тем не менее, существуют десятки видов алгоритмов, и большинство из них используются в мире блокчейна.
Идея консенсуса сводится к единой позиции по проблеме. В информатике консенсус связан с проблемой консенсуса. Фундаментальная проблема в распределенных вычислениях и многоагентных системах заключается в достижении общей надежности системы при наличии ряда ошибочных процессов. Это часто требует от процессов согласования некоторых данных, необходимых во время вычислений. Блокчейн омрачен той же проблемой, и ученые и программисты придумывают способы ее решения.
По сути, алгоритм представляет собой серию проанализированных, запрограммированных и необходимых шагов, необходимых для достижения определенного результата. Алгоритм консенсуса, следовательно, означает выполнение необходимых действий для достижения согласия по одному вопросу. В мире блокчейна этот единственный вопрос означает достижение соглашения о расчете блока всеми участниками сети, чтобы его можно было хэшировать.
В мире блокчейна
Когда дело доходит до блокчейна, алгоритм консенсуса может иметь несколько результатов в качестве основной цели всех участников сети. Наиболее распространенными целями алгоритма являются следующие:
- Соглашение: механизм консенсуса собирает все соглашения от группы участников сети.
- Сотрудничество: Каждый член группы стремится к лучшему соглашению, которое соответствует интересам группы в целом.
- Сотрудничество: каждый человек работает как часть команды и откладывает в сторону свои интересы ради общего блага.
- Равные права: Каждый участник имеет одинаковую ценность в процессе голосования. При таком подходе важен каждый голос, так как без единого голоса консенсус не пройдет.
- Участие: все участники сети должны участвовать в процессе голосования. Никто не останется в стороне или не сможет остаться в стороне от голосования, так как это остановит работу алгоритма.
- Активность: каждый член группы одинаково активен. Ответственность в группе распределяется поровну между всеми участниками.
Типы
На самом деле, в настоящее время доступно более 30 типов алгоритмов консенсуса. Наиболее распространенными являются следующие:
- Доказательство работы
- Доказательство доли
- Делегированное доказательство доли
- Подтверждение полномочий
- Византийская отказоустойчивость
- Делегированная византийская отказоустойчивость (dBFT)
И так далее и тому подобное. Список можно продолжать до бесконечности, но факт остается фактом: все упомянутые здесь алгоритмы и все остальные, не вписывающиеся в данный материал, служат одинаково важным целям, вращающимся вокруг достижения консенсуса. Единственное, что меняется, — это метод, который они используют для достижения цели.
Зал славы
Естественно, самыми популярными типами алгоритмов консенсуса являются Proof-of-Work и Proof-of-Stake, которые появились вместе с блокчейном как первенцы.
Доказательство работы — это старейший тип консенсуса в блокчейне, который существует с начала 2003 года, когда родился Bitcoin , и находится на стадии тестирования с 2009 года. Алгоритм, хотя и не новый, получил новую жизнь благодаря Сатоши Накамото. Согласно предложенному им методу, участники блокчейна (майнеры) должны решить сложную и совершенно бесполезную вычислительную задачу, чтобы в блокчейн можно было добавить блок транзакций. Проблемы с этим подходом многочисленны. Он медленный, энергоемкий и экологически небезопасный, а также подвержен эффекту масштаба.
Далее идет концепция Proof-of-Stake. Этот подход возник как альтернатива последнему и предполагал, что вместо использования майнинга для trac блоков участники сети должны иметь некоторые доли в виде монет в системе, чтобы иметь возможность участвовать в процессе. Владение 10% долей дает вероятность майнинга следующего блока на уровне 10%. Чем больше монет у владельца доли, тем выше шанс, что он trac блок. Этот подход также ошибочен, поскольку он подвержен проблеме «ничего на кону». Тем не менее, он менее энергоемкий, не подвержен эффекту масштаба и лучше защищен от атак.
Независимо от подхода, используемого для достижения консенсуса, проблемы в основном остаются теми же и переходят от одной к другой. Самые большие проблемы, с которыми сталкиваются все модели консенсуса, заключаются в следующем:
Энергопотребление на сегодняшний день является самой большой проблемой работы блокчейна. Например, Bitcoin имеет 20 миллиардов хэшей в секунду. Для этого требуется огромное количество энергии, и на данный момент нет дешевых альтернатив энергии, чтобы удовлетворить энергетическую жажду современных блокчейнов.
Централизация майнеров в сетях PoW является еще одной проблемой, поскольку крупным производителям может начать требоваться больше энергии для работы, и они попытаются изменить правила в системе майнинга или даже выпустить новые, чтобы удовлетворить свои требования. Результатом является централизация в децентрализованной сети. Если возобладает централизация, то система перестанет быть блокчейном и в консенсусе не будет смысла.
Атаки на сеть по-прежнему популярны и хакеры никуда не денутся. Атака 51% жизнеспособна, и нет никаких гарантий, что она может не произойти. Если ставки завладеют злоумышленниками, это только вопрос времени и вычислительной мощности, пока они не контролируют более половины всех узлов и не превратят сеть в источник дохода для себя.
Вместе с новым
Проблемы предыдущих алгоритмов консенсуса были тщательно изучены и исследованы, чтобы позволить программистам достичь новых моделей консенсуса.
Одной из новейших и наиболее многообещающих моделей блокчейнов является Proof-of-Agreement, еще один алгоритм консенсуса, используемый платформой Credits . Это довольно простая концепция, которая сначала кажется сложной, но эффективна для достижения консенсуса. Вся процедура достижения консенсуса состоит из формирования транзакций и их распределения между узлами сети и выполнения циклических раундов, где доверенным узлам (TN) предоставляются полномочия на проведение консенсуса, что приводит к общему разрешению, включающему транзакции в блок и его генерацию. Пакеты транзакций включают упорядоченное количество транзакций (до 500) и имеют заголовок, содержащий хэш, рассчитанный с помощью алгоритма Blake2s. Как только узлы получают список пакетов транзакций, содержащихся в круглой таблице, они начинают проверять наличие этих пакетов в локальном буфере. Если некоторые пакеты отсутствуют, инициируется процесс синхронизации. Узел запрашивает отсутствующие пакеты у своих соседних узлов, и если пакеты также отсутствуют на этих узлах, эти соседи запрашивают пакеты у своих соседей, и процесс повторяется до тех пор, пока не будут найдены отсутствующие пакеты. Наличие всех пакетов транзакций, содержащихся в круглом столе, на всех доверенных узлах является условием для начала раунда. После того, как все сетевые узлы выпустили пакеты транзакций и обменялись ими друг с другом, необходимо выбрать узлы, ответственные за выполнение консенсуса, и эти узлы должны будут проверить транзакции и сгенерировать блок. Простое и эффективное формирование блоков с полным вовлечением всех узлов с возможностью реализации в публичных сетях — вот что такое алгоритм консенсуса.
Следующим многообещающим алгоритмом является алгоритм Facebook LibraBFT Consensus. LibraBFT улучшает HotStuff и адаптирует его для более широкого использования. Libra — это алгоритм консенсуса типа Byzantine Fault Tolerance, который основан на HotStuff и представляет собой надежную и эффективную систему репликации конечного автомата, разработанную для блокчейна Libra. LibraBFT — это усовершенствование HotStuff с реализацией механизма Pacemaker. Он включает в себя анализ живучести, который состоит из конкретных границ для фиксации транзакции. В LibraBFT процессы называются валидаторами. Каждый из последних работает в раундах, и у каждого есть назначенный валидатор, называемый лидером. Лидеры предлагают новые блоки и получают подписанные голоса от валидаторов относительно предложений по генерации блоков. Раунд — это просто этап общения с одним назначенным лидером, и предложения лидеров организованы в цепочку с использованием криптографических хэшей. В начале раунда лидер предлагает блок, который удлиняет самую длинную цепочку, имеющуюся в его распоряжении. Если предложение актуально и своевременно, каждый честный узел подпишет его и отправит голос лидеру. Когда голосов достаточно для достижения кворума, лидер объединяет голоса в сертификат кворума (QC), который снова расширяет ту же цепочку, и QC транслируется на каждый узел. Если лидеру не удается собрать КК, то участники переходят в следующий раунд.
К настоящему времени блокчейн Libra запущен как сеть с ограниченным доступом. В число учредителей-валидаторов входят такие фирмы, как Uber, Visa, MasterCard, PayPal и т. д. Все учредители придерживаются строгих правил, чтобы быть ранними валидаторами. Например, криптовалютные хедж-фонды должны были иметь AUM выше 1 миллиарда долларов, в то время как хранители, ориентированные на цифровые активы, должны были хранить не менее 100 миллионов долларов. Компании, не занимающиеся криптовалютой, должны иметь рыночную капитализацию более 1 миллиарда долларов или баланс клиентов более 500 миллионов долларов.
Другим алгоритмом консенсуса является Proof of Elapsed Time, который был изобретен Intel в начале 2016 года и успешно протестирован Hyperledger Sawtooth 1.1.
Принцип работы довольно прост, так как каждый узел в сети ждет случайно выбранный период времени. Первый узел, который истечет время ожидания, получает право выдать следующий блок. Каждый узел в сети генерирует случайные интервалы времени ожидания и деактивируется в спящем режиме на заданное время. Просыпающийся узел и узел с наименьшим временем ожидания добавляют новый блок в цепочку блоков и передают данные по всей сети. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет найден следующий блок. Преимуществами такого алгоритма являются низкие затраты на участие, простая проверка легитимности и низкие затраты на контрольную проверку и выборы. Есть и минусы, такие как необходимость в специализированном оборудовании и тот факт, что оно бесполезно для публичных сетей. В целом
Разнообразие алгоритмов консенсуса делает блокчейны универсальными и адаптируемыми к различным приложениям и структурам. Хотя блокчейны уязвимы для атак, часто громоздки и крайне энергонеэффективны, они все еще существуют, и это только вопрос времени, когда тот или иной алгоритм превзойдет другие в гонке за эффективностью. Возможно, один из алгоритмов в длинном списке малоизвестных и малоизвестных будет тем, который в ближайшем будущем вытеснит PoW и PoS.
