Блокчейны существуют благодаря разработке ключевого механизма, известного как алгоритм консенсуса, который обеспечивает координацию между пользователями или машинами в распределённой среде. Основная функция этого алгоритма — гарантировать, что все участники системы согласуются на едином источнике истины, даже если некоторые из них выходят из строя. Такая отказоустойчивость жизненно важна для успеха системы.
В отличие от централизованной модели, где одна организация полностью контролирует систему и может вносить любые изменения, децентрализованный формат связан с рисками и неопределённостями. В случае распределённой базы данных, например, как решить, какие записи должны быть добавлены?
Ответ заключается в создании сложной системы управления, позволяющей незнакомцам, не доверяющим друг другу, прийти к консенсусу. Преодоление этой проблемы стало важной вехой в развитии блокчейнов, которые полагаются на алгоритмы консенсуса для обеспечения целостности системы.
Алгоритмы консенсуса в криптовалютах
Блокчейн выступает базой данных для криптовалют, фиксируя балансы пользователей. Все узлы сети должны хранить идентичную копию базы данных, чтобы избежать конфликтов информации, которые подорвали бы саму цель сети криптовалют.
Для того чтобы пользователи не могли тратить чужие монеты, применяется криптография с открытым ключом. Однако всё равно необходим единый источник правды, чтобы участники сети могли определить, были ли средства уже потрачены.
Чтобы координировать участников в Bitcoin, его создатель Сатоши Накамото предложил систему Proof of Work (PoW), которую мы объясним ниже. Но прежде рассмотрим общие черты алгоритмов консенсуса.
Во-первых, валидаторы, желающие добавить блоки, должны предоставить ставку. Ставка может быть в виде вычислительной мощности, криптовалюты или репутации. Если они мошенничают, они теряют свою ставку. Существует и вознаграждение, состоящее из нативной криптовалюты протокола, которое включает комиссионные, уплаченные другими пользователями, вновь созданные единицы криптовалюты или оба источника.
Наконец, прозрачность критична для обнаружения мошенничества. Для валидаторов должно быть дорого создавать блоки, но для остальных — дёшево их проверять. Это обеспечивает сдерживание валидаторов со стороны обычных участников сети.
Наиболее распространённые алгоритмы консенсуса
Proof of Work
Proof of Work — старый алгоритм консенсуса, прославившийся благодаря Bitcoin, но существовавший и ранее. Этот алгоритм требует от валидаторов, называемых майнерами, хэшировать данные, которые они хотят добавить в цепочку, пока не найдут требуемое решение. Хэш — это строка букв и цифр, получаемая при пропускании данных через хэш-функцию. Изменение даже мелкой детали даёт полностью другой результат.
Протокол Proof of Work задаёт определённые условия допустимости блока. Например, блок, чей хэш начинается с 00, может считаться валидным. Чтобы создать блок с таким хэшем, майнерам приходится перебирать входные данные, корректируя параметры до получения нужного хэша. В крупных блокчейнах планка стоит очень высоко, и майнерам требуется много специализированного хэшировального оборудования и электричества, чтобы конкурировать.
В системе Proof of Work майнеры предоставляют ставку в виде затрат на оборудование и электроэнергию, необходимые для майнинга. ASIC — оборудование для майнинга — дорогое и не имеет применения вне криптовалютного майнинга. Тем не менее успешный добавленный блок может принести значительные вознаграждения.
Сети легко проверить, создал ли майнер валидный блок. Даже если он перепробовал триллионы комбинаций, сети нужно запустить данные через функцию лишь один раз. Если данные дают валидный хэш, майнер получает вознаграждение, в противном случае блок отклоняется.
Proof of Stake
Альтернатива Proof of Work, известная как Proof of Stake (PoS), была предложена ещё в ранние дни Bitcoin. Она устраняет потребность в специализированном оборудовании, огромном потреблении энергии и майнерах. Вместо этого стейкерам нужно держать минимальное количество криптовалюты, чтобы иметь право участвовать в стейкинге.
Как только они соответствуют требованиям, стейкер блокирует свои средства в кошельке и соглашается с другими валидаторами, какие транзакции войдут в следующий блок. Протокол выбирает один блок, и валидатор с выбранным блоком получает часть комиссий транзакций пропорционально своей ставке. Чем больше заблокировано средств — тем больше потенциальный доход. Мошенничество приводит к потере части или всей ставки.
Чистая модель Proof of Stake использовалась преимущественно в меньших криптовалютах, и её жизнеспособность как полноценной альтернативы PoW остаётся предметом дискуссий. Как правило, в награду валидаторам не включаются вновь создаваемые монеты. Нативная валюта блокчейна должна быть выпущена, например, через начальное распределение (ICO или IEO) или запуск протокола с PoW с последующим переходом на PoS.
Переход на PoS — это поле теории игр и финансовых стимулов. Он возможен только на живой сети, поскольку любой, кто знает, как «взломать» PoS, будет действовать только если сможет извлечь выгоду.
Другие алгоритмы консенсуса
Существуют и другие алгоритмы консенсуса помимо Proof of Work и Proof of Stake. У каждой альтернативы есть свои плюсы и минусы. Вот список некоторых из них:
- Delayed Proof of Work
- Leased Proof of Stake
- Proof of Authority
- Proof of Burn
- Delegated Proof of Stake
- Hybrid PoW/PoS Consensus
Заключение
Использование механизмов консенсуса жизненно важно для функционирования распределённых систем. Считается, что главным инновационным вкладом Bitcoin стало введение Proof of Work, которое позволило пользователям согласовывать общий набор фактов.
Алгоритмы консенсуса — основа систем цифровых валют и блокчейнов, позволяющая разработчикам запускать код в распределённой сети. Они являются фундаментальным компонентом технологии блокчейн, и от них зависит долгосрочная жизнеспособность существующих сетей.
Proof of Work по-прежнему остаётся самым распространённым алгоритмом консенсуса, и пока не появилось более надёжной или безопасной альтернативы. Тем не менее ведётся огромный объём исследований и разработок по замене PoW, и в ближайшие годы вероятно появление новых решений.