Гид по разнообразию консенсус-механизмов блокчейна

Именно она положена в основу большинства криптовалют и децентрализованных систем. Благодаря ей они могут реализовать свое стремление к достижению надежности, безопасности и устойчивости.

Механизм консенсуса является одним из базовых элементов блокчейн-технологии. Он представляет собой способ, при помощи которого внутри распределенной сети происходит согласование и одобрение записываемых данных между ее узлами. От централизованных систем, где управление и контроль информации находятся в руках одного органа, такие цепочки блоков отличаются тем, что в них эти функции делегированы децентрализованному конгломерату участников. Причем доверять друг другу они совершенно не обязаны.

За счет реализации консенсуальной механики гарантируется, что все узлы сойдутся на единой версии данных. Так удается предотвратить внесение ложных сведений и двойных трат. Если бы этот инструмент отсутствовал, было бы практически невозможно избежать противоречивости и недостоверности информационных цепочек.

• Double-spending – двойное расходование – одна из проблем, с которыми приходится справляться децентрализованным системам. В аналогах с централизованной структурой она решается участием в управлении банка либо иного контролирующего субъекта.

Существует богатое разнообразие типов консенсус-механизмов. В этой статье мы коснемся особенностей самых популярных и востребованных из них.

Proof-of-Work (PoW)

Этот консенсуальный алгоритм является одним из самых важных и узнаваемых в криптоиндустрии. На протоколе Доказательства работы базируется первая в мире виртуальная монета – Биткойн. Он открыл человечеству способ, обеспечивающий возможность добиваться согласия в рамках децентрализованных систем, обеспечивая безопасность и доверие путем математических расчетов и вычислительных усилий.

• Несмотря на то, что вокруг энергоемкости этой механики все время ведутся споры, ее историческая значимость не вызывает сомнений. На сегодняшний день она продолжает применяться в целом ряде крипто-проектов.

Идея этого алгоритма родилась задолго до появления первенца рынка цифровых активов. Впервые эта концепция упоминается в научных трудах Мони Наора и Синтии Дворк. Еще в 1993-м году ими был предложен механизм, где для защиты от спама и повышения безопасности компьютерных сетей могло использоваться доказательство трудозатрат при выполнении сложных вычислительных операций.

В 1997-ом году британским специалистом по криптографии Адамом Бэком была разработана система Hashcash. В ней протокол Proof-of-Work задействовался, чтобы бороться с электронным спамом. Англичанин ввел идею, которая предполагала, что перед отправкой сообщения от отправителя будет требоваться выполнить сложные вычисления. Этот подход сумел продемонстрировать свою эффективность, но по-настоящему популярной концепция стала лишь с появлением блокчейн-технологии – после того, как в 2009-ом году Сатоши Накамото решил сделать Доказательство работы центральной частью Биткойн-консенсуса.

Принцип функционирования Proof-of-Work

Алгоритмом подразумевается наличие соревновательного момента между узлами. Они занимаются решением математических задач, требующих огромных вычислительных мощностей. Когда кто-то из участников процесса справляется с заданием, он предоставляет сгенерированный блок данных на проверку владельцам других узлов. Если все соглашаются с корректностью добытого звена, оно добавляется в цепочку, а майнер получает вознаграждение за выполненную работу.

• Формирование блока. Нод, желающий вычислить очередной блок, собирает из сети транзакции. Каждая такая компонента звена-кандидатки должна сопровождаться цифровой подписью и подтверждениями ее достоверности.
• Хеширование и математическая задача. Чтобы сгенерированный блок смог стать частью блокчейна, крипто-добытчик должен рассчитать криптографический хеш, который является уникальным числом фиксированной длины. При майнинге Биткойна, например, используется алгоритм SHA-256. Задание нода – обнаружить число, соответствующее определенному условию. Скажем, оно должно начинаться с конкретного количества нулей.
• Соревнование майнеров. Все сетевые узлы оспаривают друг у друга право на открытие блока. Добытчик, нашедший правильный хеш первым, отправляет его на утверждения в блокчейн.
• Проверка сети. После нахождения правильного решения другим узлам необходимо выполнить оперативную проверку его корректности. На этот вид вычислений уходит значительно меньше времени, нежели на первоначальную задачу, поскольку он намного проще.
• Добавление блока. По окончании процедуры верификации новое звено включается в блокчейн. Майнер, вычисливший верное решение, получает награду. В случае с Биткойном – это фиксированное количество BTC плюс комиссии за транзакции. Число зарабатываемых монет после каждого халвинга уменьшается в два раза.

Proof-of-Stake (PoS)

Механизм консенсуса Доказательства доли владения, по-другому его еще иногда называют Proof-of-Ownership, можно считать самым популярным алгоритмом. Благодаря своей несомненной энергоэффективности он стал востребованной альтернативой Proof-of-Work, в котором используется оборудование, потребляющее огромные объемы электричества. Здесь согласие достигается не за счет вычислительных затрат, а базируется на доле токенов, которыми владеет участник сети. Это позволяет установить, кто из них обладает правом на добавление новых блоков в цепочку.

Изначально идея Proof-of-Stake родилась в Биткойн-сообществе в 2011-ом году. Протокол предлагался в качестве замены энергоемкой механике Доказательства работы. Впервые он был реализован при создании блокчейна Peercoin, ставшим первым в истории проектом, в котором разработчики параллельно задействовали два консенсуса. Произошло событие в 2012-ом году. Впрочем, новинка долгое время оставалась невостребованной, серьезно уступая в популярности Proof-of-Work, который на тот момент доминировал на рынке криптовалют.

Изменения ситуации начали наблюдаться только в последние годы. Толчком к этому стали серьезные проблемы с экологией. Высокое потребление энергии алгоритмом Доказательства работы стало центром бурных обсуждений. Многие ведущие блокчейны начали переход на Proof-of-Stake, избрав его основным консенсуальным механизмом. Дополнительным стимулом к распространению протокола Доказательства владения послужил пример одного из лидеров криптоиндустрии – Ethereum. Смена консенсуса состоялась в сентябре 2022-го года.

Принципы работы Proof-of-Stake

• Доля владения. Здесь вероятность получения валидатором права на генерацию следующего блока данных находится в пропорциональной зависимости от количества нативных цифровых активов, которые он хранит в сети. Шансы на успех тем выше, чем большей суммой токенов узел владеет в стейкинге.
• Блокировка стейка. Для участия в консенсусе валидатор должен заморозить определенное количество криптомонет. Внесенный им депозит играет роль залога честности поведения участника. В случае нарушения сетевых правил, скажем, узел был замечен в попытках подтвердить сфальсифицированные транзакции, активы, ему принадлежащие, могут быть оштрафованы или уничтожены.
• Назначение валидаторов. Выбор нода для создания очередного блока алгоритм осуществляет случайным образом. В некоторых системах используются и дополнительные факторы. Например, в расчет принимается длительность периода нахождения средств в стейкинге. Инструмент случайности позволяет не допустить чрезмерной концентрации власти в узком кругу пользователей.
• Вознаграждение валидаторов. За формирование новых блоков и верификацию транзакций участникам полагается вознаграждение. Они получают комиссии с операций, проводимых в созданном звене цепочки, и новые выпущенные монеты.
• Проверка блока. Как только очередной блок сгенерирован, он поступает на проверку к другим участникам блокчейна. Они устанавливают, насколько тот корректен. Если звено признается валидным большинством подтверждений, его включают в цепь.

Delegated Proof-of-Stake (DPoS)

Протокол Делегированного доказательства доли предназначен для повышения масштабируемости, производительности и демократичности децентрализованных продуктов. Это, по сути – усовершенствованная версия классического Proof-of-Stake. Данный консенсуальный механизм принято считать самым быстродействующим и энергоэффективным. При его использовании сводится к минимуму необходимость задействовать в процессе подтверждения транзакций большое количество узлов. Часть полномочий передается делегатам.

Консенсус-алгоритм Delegated Proof-of-Stake разрабатывался Даниэлем Ларимером в 2013-ом году в качестве альтернативы двум механикам, о которых мы уже говорили выше. Он должен был помочь в решении триады важнейших проблем традиционных протоколов:

1. Низкая пропускная способность.
2. Высокие энергозатраты.
3. Ограничения в вопросе разделения власти между участниками блокчейна.

В своем первом варианте консенсус Делегированного владения был представлен при реализации сети BitShares. В дальнейшем он стал основой при создании многих крупных крипто-инициатив, в том числе EOS, Steem и Tron. Этот протокол быстро стал выбором разработчиков, стремящихся выводить на рынок проекты с высокой производительностью и масштабируемостью.

Принципы функционирования Delegated Proof-of-Stake

В этом консенсуальном алгоритме сохранен базис Proof-of-Stake. Но он усовершенствован при помощи нового слоя – делегирование полномочий. Здесь верификацией блоков не занимаются все узлы самостоятельно. Среди пользователей проводится голосование, с помощью которого определяется группа валидаторов-делегатов. На них и возлагается данная ответственная миссия.

• Стейкинг токенов. Для голосования за делегатов участники размещают свои криптомонеты в стейкинг. Весомость голоса зависит от количества токенов, находящихся в заморозке на блокчейне.
• Выбор делегатов. Число валидаторов, избранных на основе решения участников, ограничено. Обычно их количество варьируется в пределах 21-100 человек. Делегаты занимаются созданием новых блоков и проверкой транз-операций.
• Формирование блоков. Работа избранных валидационных узлов выстроена в строгой очередности. В течение строго обозначенного временного интервала делегат должен справиться с выпуском блока. Если на протяжении выделенного слота работа не выполнена, эту возможность передают другому делегату. Валидатор, пропустивший свою очередь, дальнейших полномочий может быть лишен.
• Голосование и переизбрание. Выбор делегатов является постоянным процессом. В любой момент участники блокчейна имеют право переголосовать или произвести замену ответственных представителей, если они посчитают, что те недостаточно хорошо справляются с возложенными на них обязанностями.
• Вознаграждение делегатов. Работа делегатов вознаграждается. Причем часть наградного фонда может быть распределена между пользователями, принимавшими участие в голосовании за того или иного кандидата. Это стимулирует их проявлять активность в выборном процессе.

Proof-of-Action (PoA)

Протокол Доказательства действия является относительно новым и достаточно редко встречающимся механизмом консенсуса. В нем соединены элементы Proof-of-Work и Proof-of-Stake. Благодаря этому в системе, функционирующей на его базе, обеспечивается баланс между майнерами и рядовыми участниками. Этот алгоритм позволяет добывать крипту или вкладывать долю активов для валидации блоков данных.

Принцип работы Proof-of-Action

Процесс крипто-добычи идентичен стандартному Доказательству работы. В нем участвуют разные майнеры, которые пытаются первыми найти решение для очередного блока, используя более высокую вычислительную мощность. Как только новое звено данных обнаружено, происходит переключение в стандарт Доказательства владения. В свежедобытом блоке содержится только заголовок и адрес вознаграждения. Этот консенсуальный механизм применяется в таких блокчейн-проектах, как Decred (DCR) и Espers (ESP).

Proof-of-Authority (PoA)

Консенсус Доказательства полномочий базируется на доверии к одной личности или к репутации ограниченной группы пользователей. У этих персонажей есть право заниматься подтверждением блоков в сети.

• Алгоритм был предложен одним из соучредителей платформы Ethereum Гэвином Вудом в 2017-ом году. Его популярность сформировалась благодаря эффективности, которая особенно проявлялась в приватных блокчейнах.

В стремлении выдавать высокую производительность, скоростное обслуживание транзакций и низкие комиссии Proof-of-Authority жертвует децентрализацией. Кроме частных сетей, этот механизм консенсуса часто применяется там, где отсутсвует необходимость в обеспечении полной децентрализации – локальные среды разработки, тестовые блокчейны.

Принципы функционирования Proof-of-Authority

• Ограниченность круга валидаторов. Перечень контрольных, так называемых, авторизированных узлов при таком алгоритме определяется заранее. Они инициируются публично, что является гарантией прозрачности их личностей, и пользуются исключительным правом на создание блоков.
• Репутация – выше вычислительных возможностей или финансового участия. Здесь ключевое значение отводится реноме валидаторов, для подтверждения которого используется публичная идентификация или их производственные характеристики. Мощность вычислений при достижения согласия в расчет не принимается. Если со стороны ответственного участника фиксируется нарушение правил, он легко снимается с должности, поскольку его личность открыта для всех.
• Очередность при создании. Деятельность валидаторов выстраивается по установленному регламенту с фиксированными временными интервалами, поэтому процесс приобретает свойство предсказуемости. В случае если блок не создан, право на его генерацию переходит к следующему контролеру.
• Простота в управлении благодаря централизации. За счет ограниченного числа валидаторов сеть может оперативно адаптироваться к изменяющимся условиям. Чтобы добавить или освободить контроллера от должности, внутри сети проводится голосование.
• Механизм, предотвращающий злоупотребления. Валидатор не имеет возможности произвести блок, не соблюдая очередности. Это исключает вероятность атак и сетевой хаос. За уклонение от выполнения обязанностей и некорректные действия другие контроллеры проводят голосование и удаляют недобросовестного исполнителя.

Proof-of-Burn (PoB)

Механизм консенсуса Доказательства сжигания обеспечивает достижение согласия в результате фактического уничтожения криптовалюты. Таким образом, участники блокчейна получают право создавать новые блоки. Протокол позволяет поддерживать высокую безопасность и децентрализацию при сниженных энергозатратах. Благодаря этой особенности данный алгоритм делает сети привлекательными в разработке и эксплуатации.

Как работает Proof-of-Burn

Пользователи жертвуют своими криптоактивами, взамен получая возможность зарабатывать вознаграждение за генерацию новых звеньев цепочки. Токены направляются на специальный заранее установленный адрес сжигания. Оказавшись там, они навсегда становятся недоступными. Их невозможно восстановить или использовать повторно. Среди цифровых монет, базирующихся на платформе алгоритма Доказательства сжигания, можно выделить такие продукты, как Counterparty (XCP) и Factom (FCT).

Proof-of-Capacity (PoC)

Этот консенсуальный протокол известен также под названием Proof-of-Space (PoSpace). Механизм Доказательства объема/пространства предоставляет участникам право подтверждения транзакций и генерации блоков на основании свободного места на их устройствах, используемых для хранения данных – жесткие диски и другие носители, подходящие для данной цели.

Так как этот алгоритм акцентирован на задействовании доступного пространства памяти, он отличается высокой энергоэффективностью и доступностью для широкой крипто-публики. Он характеризуется экологической стабильностью и децентрализованным подходом к майнингу. Свою популярность протокол приобрел за счет таких проектов, как Burstcoin и Chiа.

Proof-of-Elapsed Time (PoET)

Алгоритм Доказательства истекшего времени является современной механикой консенсуса. Он обеспечивает возможность повышать производительность и энергоэффективность блокчейнов. Кроме того, этот протокол позволяет сделать процесс выбора узлов для создания блоков максимально справедливым.

Модель Proof-of-Elapsed Time является продуктом корпорации Intel, которая сделала ее одним из компонентов своей технологии Intel Software Guard Extensions (SGX). Задача этого консенсуального механизма состоит в гарантировании безопасного выполнения алгоритмов в доверительной среде. Он идеально подходит для внедрения в консорциумы и корпоративные блокчейны – сети, работающие с разрешением на участие.

Основной элемент протокола – применение для определения узлов, получающих право на создание блока, случайной схемы распределения времени ожидания. Этот консенсус ведет к минимизации вычислительных нагрузок и исключает зависимость от владения токенами, что увеличивает экономическую эффективность и экологическую устойчивость алгоритма.

Принципы функционирования Proof-of-Elapsed Time

Краеугольным камнем консенсуса Доказательства истекшего времени служит идея равенства шансов всех участников на получение возможности сгенерировать очередной блок. Для этого внутри безопасной компьютерной среды используется случайный тайминг ожидания. Пока узел ждет, он пребывает в спящем режиме. Тот из них, что имеет самый короткий срок ожидания, получает право приступить к добыче. Благодаря рандомизации в отношении каждого участника формируется пространство с одинаковой вероятностью успеха. Таким образом, блокчейн становится предельно справедливым.

Proof-of-History (PoH)

В случае с консенсусом Доказательства истории мы имеем дело с инновационной механикой достижения согласия. Она предназначена для повышения продуктивности и быстродействия сетей. Алгоритм представляет собой продукт, разработанный командой платформы Solana. Создавался он с целью устранить характерные недостатки протоколов Proof-of-Work и Proof-of-Stake. При этом было крайне важно сохранить высокую пропускную способность, децентрализацию и временную синхронизацию узлов.

Главная инновация этого механизма консенсуса заключается в интеграции временной метки в концепцию достижения согласия. Формирование доверия между узлами происходит на основании хронологии событий, встроенной в блокчейн. Отпадает необходимость в получении полного единодушия на каждом этапе выполнения, а сеть сберегает всю последовательность действий и транзакций. Для объективной фиксации времени протокол использует криптографическое доказательство. Это позволяет действенно решать ключевую проблему, свойственную децентрализованным системам, которая состоит в точном учете последовательности и тайминга операций.

Принципы работы Proof-of-History

• Криптографический часовой пояс. Криптографический алгоритм, лежащий в основании этого механизма, на базе времени создает уникальный шифр. Здесь применена функция задержки (Verifiable Delay Function, VDF). На ее выполнение требуется определенный тайминг, однако все легко проверяется другими пользователями. Каждый предыдущий ввод влияет на новый выход. Формируется линейная и неизменяемая цепочка данных.
• Фиксация временных маркеров. В протоколе записываются конкретные события, касающиеся состояния сети и транзакций. Временные метки впоследствии могут проверяться всеми участниками. Благодаря этому, можно установить в какой момент и в какой очередности происходили действия. Причем еще до того, как они были вставлены в блокчейн.
• Оптимизированное подтверждение транзакций. Зафиксированные маркеры времени являются доказательством. За счет этого снижается необходимость в непосредственном взаимодействии между узлами. Создается доверительное пространство, в котором необязательно повторно рассчитывать или добиваться согласия в режиме реального времени.
• Интеграция с другим консенсуальным механизмом. Несмотря на свои криптографические метки, закрепляющие событийный ряд, Proof-of-History не может выступать гарантом выбора генерирующего нода. По этой причине этот протокол нередко комбинируется с традиционными механизмами. В случае с Соланой речь идет о сочетании с Доказательством владения. Валидатор, избранный по правилам Proof-of-Stake, для формирования блока на базе временной последовательности задействует механику Доказательства истории.

Proof-of-Importance (PoI)

Главными целями при разработке консенсуса Доказательства важности стали повышенная справедливость и стимуляция пользователей к активному участию в сети. Впервые этот инновационный альтернативный алгоритм был реализован в проекте NEM (New Economy Movement).

Механизм Proof-of-Importance опирается в своей работе не только на количество токенов, находящихся во владении у пользователя. Он учитывает и такие факторы, как активность участников, вклад в развитие блокчейна, степень взаимодействия с другими адресами внутри экосистемы. Это не просто выделяет протокол на фоне большинства аналогичных продуктов, но и делает его уникальным, поскольку на лицо его явная направленность на построение устойчивой инфраструктуры. Здесь каждое полезное действие получает вознаграждение.

Основные принципы в работе Proof-of-Importance

В основе этого консенсуального алгоритма лежит математическая модель, рассчитывающая уровень значимости каждого пользователя. Исходя из этой важности, и определяется вероятность того, что участник будет избран в качестве валидационного узла и сможет добавлять новые блоки.

• Баланс токенов на счету. Количество криптомонет во владении является достаточно весомым фактором, когда сеть производит определение значимости пользователя. Но здесь более важными считаются активы, постоянно используемые в транзакциях.
• Операционная активность. Чем большая вовлеченность в операции фиксируется у пользователя, тем больший вес он имеет в блокчейне. Учитываются и объемы и частота транзакций.
• Связи с другими узлами. Во многом важность участника для сети зависит от степени взаимодействия с другими пользователями. Активное сотрудничество поощряется вознаграждениями.

На основе этих трех составляющих происходит формирование комплексного показателя значимости. Обновление Importance Score осуществляется в реальном времени.

Итоги

Консенсуальные механизмы – это фундамент блокчейн-технологий. Благодаря им определяются правила, позволяющие участникам достигать согласия в отношении включения очередных блоков и транзакционной валидации.

Появление различных систем протоколов консенсуса было вызвано необходимостью решать проблемы, присущие классическим схемам. Нужно было разобраться с чрезмерной энергоемкостью, централизацией, слабой масштабируемостью, недостаточной мотивацией пользователей.

В наши дни уже четко обозначился переход от энергозатратных механик к сбалансированным, экономичным и продуктивным решениям. Но говорить, что сейчас существует какой-то один протокол, по всем параметрам на голову превосходящий остальные, нельзя. Каждый алгоритм предназначен для конкретных целей и задач.