Содержание:
Алгоритмы консенсуса играют ключевую роль в работе блокчейнов и криптовалют. Существует множество разных алгоритмов консенсуса — от первого и самого известного Proof-of-Work (PoW) до более новых вариантов вроде Proof-of-Stake (PoS) и Delegated Proof-of-Stake (DPoS). Количество алгоритмов постоянно растет, поскольку разработчики пытаются создать все более эффективные решения.
В этой статье мы разберем, что такое алгоритмы консенсуса, кто и что с их помощью доказывает в блокчейне, рассмотрим основные типы алгоритмов консенсуса. Это поможет получить полное представление об их работе.
1. Что такое алгоритм консенсуса
Алгоритм консенсуса — это специальный механизм, который используется в блокчейн-системах для согласования вносимых изменений в распределенный реестр или базу данных. Он позволяет достичь общего соглашения между участниками децентрализованной сети относительно текущего состояния данных в системе и обеспечивает защиту от несанкционированных манипуляций.
Главная функция алгоритмов консенсуса — гарантировать, что ни один отдельный пользователь или группа пользователей не смогут произвольно добавлять, удалять или изменять данные в распределенном реестре по своему усмотрению. Это критически важно для безопасности и стабильной работы децентрализованных систем.
Алгоритмы консенсуса реализованы в виде специальных сетевых протоколов и программ, которые запускаются на компьютерах участников сети (узлах). Эти программы осуществляют непрерывный автоматизированный аудит данных на всех узлах, проверяя транзакции и предлагаемые изменения, а также согласовывая вносимые правки гораздо быстрее, чем могли бы это сделать живые администраторы.
Блокчейн — распределенная база данных, в которой участвует множество пользователей. В отличие от обычных централизованных систем в блокчейне отсутствует единый администратор, поэтому крайне важно гарантировать корректность и безопасность данных с помощью алгоритмов консенсуса. Они позволяют получить согласие всех или большинства участников по поводу любых изменений. Тем самым обеспечивают надежность функционирования всей системы.
2. Кто и что доказывает
В названиях большинства алгоритмов консенсуса присутствуют слова "доказательство чего-либо" (proof of). Это неслучайно — каждый алгоритм предполагает предоставление определенных доказательств узлом сети, который формирует и распространяет новый блок транзакций. Эти доказательства нужны для того, чтобы все остальные участники сети убедились в корректности и легитимности нового блока и приняли его, добавив в общую цепочку.
В блокчейнах новые блоки образуются последовательно, каждый следующий "запирает" данные из предыдущего. Это обеспечивает защищенность и неизменность информации, хранящейся в распределенном реестре. При формировании очередного блока один из участников сети решает криптографическую головоломку, генерирует блок и рассылает его всем остальным узлам вместе с доказательствами выполненной работы.
Тип требуемых доказательств зависит от конкретного алгоритма консенсуса. Например, в Proof-of-Work нужно доказать выполнение определенной вычислительной работы. В Proof-of-Stake подтвердить владение долей криптовалюты данного блокчейна. Разные подходы обеспечивают различные преимущества и компромиссы.
На данный момент разработано несколько десятков алгоритмов консенсуса, периодически появляются новые варианты. Их выбор зависит от задач конкретного блокчейн-проекта. Главное направление развития — решение трилеммы блокчейна, т.е. совмещение масштабируемости, безопасности и децентрализации.
3. Виды алгоритмов
Существует несколько основных разновидностей алгоритмов консенсуса, каждая из которых имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Рассмотрим десяток алгоритмов, встречающихся чаще других.
3.1 Proof of Work (PoW)
Proof of Work (PoW) — первый и самый известный алгоритм консенсуса, который был предложен Сатоши Накамото в whitepaper Bitcoin в 2008 году. С тех пор PoW широко используется в блокчейнах криптовалют, таких как Bitcoin, Ethereum (до перехода на PoS), Litecoin, Monero и многих других.
Принцип работы PoW заключается в следующем: участники сети (майнеры) используют вычислительные мощности своего оборудования для решения криптографической головоломки. Первый майнер, нашедший верное решение, получает вознаграждение и право добавить новый блок транзакций в блокчейн.
Сложность головоломки автоматически корректируется, чтобы время генерации нового блока оставалось приблизительно постоянным (например, 10 минут в Биткоине). Такая система стимулирует участников постоянно увеличивать свои вычислительные мощности, что приводит к высокому расходу электроэнергии.
Несмотря на этот недостаток, PoW обеспечивает высокий уровень децентрализации и безопасности блокчейна. Алгоритм на сегодня хорошо изучен и может масштабироваться с ростом количества участников сети.
3.2 Proof of Stake (PoS)
Proof of Stake (PoS) — один из наиболее популярных альтернативных алгоритмов консенсуса, пришедший на смену PoW в некоторых блокчейн-системах, например, в Ethereum.
В PoS валидаторы блоков должны доказать наличие определенной доли (ставки) криптовалюты данной системы. Чем выше у валидатора ставка, тем больше у него шансов сформировать новый блок и получить вознаграждение.
Данный подход не требует значительных вычислительных мощностей и крайне экономичен. Однако у PoS есть проблема централизации — валидаторы с большими ставками получают несоразмерный контроль над сетью.
3.3 Delayed Proof of Work (dPoW)
Delayed Proof of Work (dPoW) — модифицированная версия алгоритма Proof of Work, направленная на повышение защиты блокчейна от некоторых видов атак.
Отличительная особенность dPoW состоит в том, что сеть периодически делает снимки (snapshots) своего текущего состояния. Эти снимки заносятся в блоки блокчейна в процессе специальной процедуры нотаризации. Таким образом создаются контрольные точки сети, не подверженные переписыванию в случае атаки.
Основная цель внедрения механизма dPoW — защита от 51% атаки, при которой злоумышленник получает контроль над вычислительной мощностью более половины сети. Хоть dPoW формально и не является полноценным алгоритмом консенсуса, он позволяет существенно повысить безопасность блокчейна, в котором используется. На данный момент dPoW применяется в нескольких криптовалютных проектах, включая Komodo, Zcash, Bitcoin Gold и некоторых других.
3.4 Delegated Proof of Stake (DPoS)
Delegated Proof of Stake (DPoS) — модификация алгоритма Proof of Stake, направленная на увеличение скорости и масштабируемости системы за счёт внедрения механизма голосования.
В DPoS пользователи голосуют за делегатов — участников сети, отвечающих за формирование и валидацию новых блоков. Количество голосов у каждого делегата напрямую зависит от его вклада (ставки) в систему.
Таким образом выбирается ограниченное число делегатов (валидаторов), образующих своего рода "совет". Именно они занимаются подтверждением транзакций и поддержанием работы сети, получая вознаграждение от системы.
Благодаря ограниченному кругу валидаторов DPoS способен обрабатывать значительно больше транзакций в секунду по сравнению с традиционным PoS. К недостаткам можно отнести некоторое снижение децентрализации из-за наличия "совета".
3.5 Proof of Authority (PoA)
Proof of Authority (PoA) — алгоритм консенсуса, основанный на репутации и личных данных валидаторов блоков вместо доказательства владения долей криптовалюты или вычислительной мощности.
В сетях с PoA процесс валидации блоков доверяется ограниченному числу доверенных узлов. Эти участники проходят предварительную идентификацию и утверждаются операторами сети. Их личности и репутация служат залогом надежности процесса консенсуса.
Благодаря ограниченному кругу валидаторов PoA позволяет существенно увеличить скорость и масштабируемость блокчейна по сравнению с PoW. Кроме того, отсутствие майнинга делает систему более экологичной.
Недостатком PoA является большая степень централизации, чем в PoW или PoS. Однако для многих корпоративных блокчейнов это не критично. PoA активно используется в логистических, финансовых приложениях и при создании консорциумных сетей.
3.6 Proof of Burn (PoB)
Proof of Burn (PoB) — алгоритм консенсуса (альтернатива PoW и PoS), основанный на доказательстве "сжигания" (безвозвратного списания) части криптовалюты майнером.
Чтобы получить возможность сгенерировать и подтвердить новый блок транзакций, майнер должен отправить определенное количество монет на специальный "сжигающий" адрес, с которого извлечь их невозможно. Чем больше средств списано, тем выше вероятность стать следующим валидатором блока и получить награду от сети.
Данный подход в отличие от PoW практически не требует вычислительных мощностей. Как и в PoS он приводит к повышению стоимости криптовалюты за счёт сокращения предложения. Кроме того, "сжигание" монет увеличивает привязку средств майнеров к системе, повышая её надёжность.
3.7 Proof of Capacity (PoC)
Proof of Capacity (PoC), или Proof of Space — алгоритм консенсуса, основанный на выделении майнерами дискового пространства под нужды блокчейна. Чем больший объем дисков майнер может предоставить, тем выше его шансы на подтверждение нового блока транзакций и получение вознаграждения.
Алгоритм применялся в криптовалюте Chia и вызвал дичайший ажиотаж. Люди скупали жесткие диски в надежде заработать на криптовалюте. Однако быстрая поломка оборудования умерила людской пыл и рынок снова пришел в норму.
3.8 Proof of Elapsed Time (PoET)
Proof of Elapsed Time (PoET) — алгоритм консенсуса, основанный на доказательстве затраченного случайным образом времени. Он применяется преимущественно в закрытых блокчейн-сетях.
Принцип работы PoET заключается в следующем: все валидаторы получают равные шансы на генерацию нового блока путем ожидания случайного таймера. Участник, чей таймер отработает быстрее остальных, формирует блок и распространяет его по сети вместе с доказательствами значения своего таймера.
Таким образом, консенсус достигается на основе наименьшего "везучего" значения таймера. Реализованы дополнительные механизмы защиты от обмана. Данный подход справедлив и устраняет потребность в дорогом оборудовании или криптовалюте. Однако возможна реализация PoET только с использованием специального аппаратного доверенного модуля Intel SGX, что ограничивает применимость.
3.9 Proof of History (PoH)
Proof of History (PoH) — алгоритм консенсуса, изобретённый командой проекта Solana. Его особенность в том, что он позволяет фиксировать временные метки событий непосредственно в блокчейне без необходимости сверки с другими узлами.
Это достигается с помощью специальной криптографической функции верифицируемой задержки (Verifiable Delay Function, VDF). Благодаря ей каждый новый блок вычисляется на основе предыдущего, образуя цепочку событий с подтверждённой хронологией. Такой подход значительно повышает скорость и масштабируемость блокчейна.
3.10 Proof of Activity (PoA)
Proof of Activity (PoA) — гибридный алгоритм консенсуса, объединяющий механизмы Proof of Work и Proof of Stake. Сначала с помощью PoW выбирается майнер следующего блока и определяется его вознаграждение. Затем валидаторы по механизму PoS проверяют корректность блока и подтверждают транзакции в нём. Такой подход позволяет использовать преимущества обоих алгоритмов одновременно. На данный момент PoA реализован в криптовалюте Decred.
4. Заключение
Теперь вы знаете, что такое алгоритм консенсуса. Мы рассмотрели лишь некоторые из самых популярных на сегодня алгоритмов достижения консенсуса в блокчейн-системах. Как видно, их существует уже довольно много. У каждого свои преимущества и компромиссы. И перечень продолжает пополняться по мере развития технологии блокчейн.
Главный критерий выбора алгоритма консенсуса — соответствие конкретным задачам и потребностям проекта. Например, в публичных децентрализованных системах критически важны безопасность и устойчивость к атакам, в корпоративных блокчейнах на первом месте скорость и масштабируемость. Понимание сильных и слабых сторон алгоритмов помогает сделать правильный выбор для конкретного случая применения блокчейн-технологии.
5. Вопрос-ответ
