Consensusalgoritmen van blockchain uitgelegd

Blockchains werden mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van een cruciaal mechanisme dat bekendstaat als een consensusalgoritme, waarmee coördinatie tussen gebruikers of machines in een gedistribueerde omgeving mogelijk wordt. De primaire functie van dit algoritme is ervoor te zorgen dat alle actoren in het systeem het eens kunnen worden over één enkele bron van waarheid, zelfs als sommige actoren uitvallen. Deze fouttolerantie is essentieel voor het succes van het systeem.

In tegenstelling tot een gecentraliseerde opzet, waarbij één entiteit volledige controle over het systeem heeft en naar eigen inzicht wijzigingen kan doorvoeren, brengt een gedecentraliseerde structuur een grote uitdaging met zich mee. In het geval van een gedistribueerde database: hoe kunnen we overeenstemming bereiken over welke invoer toegevoegd moet worden?

Het antwoord ligt in het ontwikkelen van een complex governance-systeem dat vreemden die elkaar niet vertrouwen in staat stelt consensus te bereiken. Het overwinnen van deze uitdaging was een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van blockchains, die vertrouwen op consensusalgoritmen om de integriteit van het systeem te garanderen.

Consensusalgoritmen in crypto

De blockchain fungeert als de database van cryptocurrencies en registreert de saldi van gebruikers. Alle nodes in het netwerk moeten een identieke kopie van de database bijhouden om conflicterende informatie te voorkomen, wat het hele doel van het cryptonetwerk zou ondermijnen.

Publieke-sleutelcryptografie wordt gebruikt om te garanderen dat gebruikers elkaars munten niet kunnen uitgeven. Toch is er een enkele bron van waarheid nodig zodat netwerkdeelnemers kunnen bepalen of fondsen al uitgegeven zijn.

Om deelnemers in Bitcoin te coördineren stelde de maker, Satoshi Nakamoto, een Proof of Work (PoW)-systeem voor, dat we zo zullen uitleggen. Maar eerst onderzoeken we de gemeenschappelijke kenmerken van consensusalgoritmen.

Ten eerste moeten validators die blokken willen toevoegen een inzet (stake) leveren, wat oneerlijk gedrag ontmoedigt. Die inzet kan rekenkracht, cryptocurrency of reputatie zijn. Als ze valsspelen, verliezen ze hun inzet. Er is een beloning beschikbaar in de native cryptocurrency van het protocol, bestaande uit vergoedingen betaald door gebruikers, nieuw gecreëerde coins, of beide.

Tenslotte is transparantie cruciaal om valsspelen te detecteren. Het moet kostbaar zijn voor validators om blokken te produceren, maar goedkoop voor anderen om ze te verifiëren. Zo worden validators gecontroleerd door reguliere gebruikers.

De meest voorkomende consensusalgoritmen

Proof of Work

Proof of Work is een ouderwets consensusalgoritme dat populair werd door Bitcoin maar al langer bestaat. Dit algoritme vereist dat validators, miners genoemd, data die ze aan de keten willen toevoegen hashen totdat ze een specifieke oplossing vinden. Een hash is een reeks letters en cijfers die wordt gegenereerd wanneer data door een hashfunctie wordt gehaald; het veranderen van zelfs een klein detail levert een compleet andere output op.

Het Proof of Work-protocol stelt bepaalde voorwaarden aan wat een blok geldig maakt. Bijvoorbeeld: een blok waarvan de hash begint met 00 kan als geldig worden beschouwd. Om een blok te creëren dat aan die criteria voldoet, moeten miners brute-force inputs proberen en datavariabelen aanpassen totdat ze de juiste hash krijgen. Bij grote blockchains ligt de lat zeer hoog, en miners hebben veel gespecialiseerde hashing-hardware en elektriciteit nodig om te concurreren.

In het Proof of Work-systeem leveren miners een inzet in de vorm van de kosten van machines en elektriciteit die nodig zijn om te minen. ASICs, of gespecialiseerde mining-hardware, zijn duur en buiten cryptocurrency-mining weinig bruikbaar. Mining kan echter aanzienlijke beloningen opleveren wanneer een nieuw blok succesvol aan de blockchain wordt toegevoegd.

Het is eenvoudig voor het netwerk om te verifiëren of een miner een geldig blok heeft gemaakt. Zelfs als ze triljoenen combinaties hebben geprobeerd om de juiste hash te vinden, hoeft het netwerk de data slechts één keer door de functie te halen. Als de data een geldige hash oplevert, krijgt de miner een beloning; zo niet, dan wijst het netwerk het blok af.

Proof of Stake

Een alternatief voor Proof of Work, bekend als Proof of Stake (PoS), werd al in de vroege dagen van Bitcoin voorgesteld. Het elimineert de behoefte aan gespecialiseerde hardware, massaal energieverbruik en miners. In plaats daarvan moeten stakers een minimumhoeveelheid cryptocurrency bezitten om in aanmerking te komen voor staking.

Eenmaal in aanmerking gekomen, vergrendelt de staker zijn fondsen in een wallet en stemt met andere validators over welke transacties in het volgende blok zullen komen. Het protocol kiest vervolgens één blok, en de validator met het geselecteerde blok ontvangt een deel van de transactiekosten proportioneel aan zijn stake. Hoe meer fondsen vergrendeld, hoe meer winst. Valsspelen leidt tot verlies van een deel of de hele stake.

Pure Proof of Stake is tot nu toe vooral in kleinere cryptocurrencies gebruikt en het is onduidelijk of het een volwaardig alternatief voor PoW vormt. Over het algemeen zijn er geen vers gecreëerde coins als deel van de beloning voor validators. De native valuta van de blockchain moet daarom op een andere manier worden uitgegeven, zoals via een initiële distributie (bijv. een ICO of IEO) of door het protocol met PoW te lanceren en later over te schakelen naar PoS.

De overgang naar PoS is een speelveld van gametheorie en financiële prikkels. Het is alleen haalbaar op een live netwerk, omdat iemand die de knowhow heeft om een PoS-systeem te “hacken” dat alleen zou doen als hij er ook financieel voordeel uit kan halen.

Andere consensusalgoritmen

Er bestaan verschillende consensusalgoritmen naast Proof of Work en Proof of Stake. Deze alternatieven hebben elk hun eigen voor- en nadelen. Enkele voorbeelden zijn:

• Delayed Proof of Work
• Leased Proof of Stake
• Proof of Authority
• Proof of Burn
• Delegated Proof of Stake
• Hybrid PoW/PoS Consensus

Conclusie

Het gebruik van consensusmechanismen is van vitaal belang voor het functioneren van gedistribueerde systemen. Veel ziet Bitcoin's grootste innovatie als de introductie van Proof of Work, die overeenstemming tussen gebruikers over een gezamenlijke set feiten mogelijk maakt.

Consensusalgoritmen vormen de basis van digitale valuta-ecosystemen en blockchains en stellen ontwikkelaars in staat code uit te voeren over een gedistribueerd netwerk. Ze zijn een fundamenteel onderdeel van blockchaintechnologie en het langetermijnsucces van bestaande netwerken hangt ervan af.

Proof of Work is nog steeds het meest voorkomende consensusalgoritme en er is nog geen alternatief dat betrouwbaarder of veiliger blijkt te zijn. Toch wordt er veel onderzoek en ontwikkeling gedaan naar vervangers voor PoW, en de komende jaren zullen waarschijnlijk meer alternatieven opkomen.