Поддержание согласия между участниками о текущем состоянии блокчейна — ключевая роль его механизма консенсуса. Этот механизм отвечает за определение лиц, уполномоченных добавлять новые блоки транзакций. Основная цель механизма консенсуса — предотвратить переписывание цепочки.
Proof of Work конценсус
Основной механизм консенсуса, используемый в блокчейнах вроде Bitcoin, — чистый Proof of Work. Этот механизм позволяет майнерам добавлять новые блоки в блокчейн, отгадывая решение математической задачи с помощью специализированного оборудования. Как только майнер делает корректную отгадку, он может сформировать блок, который будет принят сетью. Хотя майнеры могут майнить на любой цепочке, легитимная цепочка определяется сетью по наибольшей накопленной Proof of Work, что фактически означает самую длинную цепь с наибольшим числом хешей или попыток.
Принятие самой длинной цепочки
Майнеров стимулируют майнить на самой длинной цепочке из‑за склонности сети признавать такую цепь легитимной. Когда майнер находит новый действительный блок, он пытается найти решение для следующего блока, чтобы построить поверх предыдущего.
Сложность переписывания
Сложность переписывания блокчейна является основой его использования в качестве реестра финансовых транзакций. Как только транзакция отправки монет в кошелёк появляется в блоке и над ней строится несколько последующих блоков (подтверждений), вероятность переписывания этого блока (и транзакции) становится низкой.
Атака 51%
В криптовалютах с чистым Proof of Work, если некто обладает достаточной вычислительной мощностью, чтобы превзойти честную цепочку, он может переписать или реорганизовать блокчейн, майня на старом блоке вместо самого нового. Такой тип атаки также известен как 51% атака.
Атакующий тратит монеты в блоке X, отправляя их на биржу, и приватно начинает майнить параллельную цепочку. Эти блоки не транслируются в сеть. После требуемого числа подтверждений атакующий обменивает монеты на что‑то ещё и выводит средства с биржи. Когда вывод завершён, атакующий публикует параллельную цепочку. Если у параллельной цепочки больше Proof of Work, чем у оригинальной, сеть примет её за легитимную, и версия истории, представленная оригинальной цепочкой, включая депонированные атакующим средства, исчезнет. Затем атакующий снова может потратить те же монеты.
Управление майнерами
Майнеры играют решающую роль в управлении криптовалютами с чистым PoW, поскольку только они могут напрямую добавлять блоки в цепочку. Для внедрения любых изменений правил консенсуса сети требуется поддержка большинства хеш‑мощности. Софт‑форки требуют, чтобы достаточно майнеров признали новый набор правил, что позволяет пользователям проводить транзакции и ожидать их корректной обработки и включения в блоки. Жёсткие форки разделяют сеть на две части, и майнеры решают, какая из них будет считаться легитимной, исходя из широко принятого принципа «цепочка с наибольшим Proof of Work — та, которой следует следовать».
Proof of Stake конценсус
Proof of Stake — альтернативный Proof of Work механизм для решения, кто может добавлять новые блоки и подтверждать текущее состояние блокчейна. Вместо соревнования майнеров за решение задачи, следующий производитель блока определяется количеством монет на кошельках (или «стейком»). Эта модель опирается на доверие: предполагается, что те, у кого больше стейка, примут ответственные решения в интересах всей сети.
Проблема «Nothing at Stake»
PoS устраняет необходимость в энергозатратном майнинге. Однако отсутствие значительных энергетических затрат создаёт другую проблему, известную как «nothing at stake». В случае форка цепочки форжеры PoS мотивированы валидировать блоки в обеих ветках, потому что им практически ничего не стоит работать на дополнительной цепочке и получать вознаграждения в обеих. Это проблема для сети, поскольку должна существовать только одна цепочка, и согласование состояния этой единой цепочки — основная цель механизма консенсуса.
Проблема распределения токенов
У Proof of Stake есть ещё одна проблема, связанная с распределением токенов. У майнеров PoW есть значительные затраты, такие как оборудование и электроэнергия, и им приходится продавать значительную часть добытых монет, чтобы покрыть эти расходы. В результате многие добытые монеты попадают на рынок, а не накапливаются у майнеров. Форжеры PoS имеют очень низкие операционные расходы, поэтому у них нет такого же давления на продажу монет, которые они получают за обслуживание сети. Крупные держатели, участвующие в PoS, со временем увеличивают свою долю циркулирующих монет, собирая вознаграждения за блоки и комиссии за транзакции. Это сравнивали с феодализмом, когда сеть фактически принадлежит держателям монет, а пользователи платят им некую ренту за пользование. Обычно существует порог, ниже которого нельзя участвовать напрямую в PoS.
Гибридная модель PoW/PoS
Decred — уникальная криптовалюта, использующая как PoW, так и PoS для создания гибридного механизма консенсуса. Цель гибридных систем — уравновесить слабые стороны друг друга и захватить преимущества каждого подхода. Хотя «мастерноды» тоже представляют собой гибриды, в этой статье внимание сосредоточено на гибридах, основанных на PoS, а не на решениях, имитирующих мастерноды или Proof of Service.
PoW‑компонент Decred использует хэш‑функцию Blake‑256, похожую на другие PoW‑проекты. Однако PoS‑компонент у него уникален. Для участия в PoS держатели должны временно заблокировать свои DCR, чтобы купить «тикеты», и приобретать их через механизм, похожий на рынок, где система стремится поддерживать заданное количество активных тикетов (40,960). При покупке тикета используемые DCR блокируются до тех пор, пока тикет псевдорандомно не будет вызван для голосования или пока он не истечёт. Это вводит альтернативную стоимость участия в PoS, обеспечивая, что у голосующих по PoS есть «шкура в игре» и они действуют в интересах сети.
Участники PoS, также называемые стейкхолдерами, выполняют три разные роли: голосование за блоки, голосование за изменения правил консенсуса и голосование по управлению проектом через систему предложений Politeia. Первая из этих ролей, голосование за блоки, — это то, как PoS‑голосующие наиболее непосредственно участвуют в поддержании консенсуса.
Голосование за блоки
Гибридный дизайн PoW/PoS Decred даёт стейкхолдерам власть над PoW‑майнерами, позволяя им вето на изменения правил консенсуса сети. Слой верификации PoS включает случайный выбор тикетов для голосования по действительности новых блоков. Для того чтобы блок считался действительным, он должен получить голоса как минимум от 3 из 5 выбранных тикетов. PoS‑голосующие держат свои кошельки открытыми и готовы откликнуться на вызовы к голосованию, получая вознаграждение за ответ.
Когда тикет вызывается для голосования, его владелец может либо принять, либо отклонить обычные транзакции предыдущего блока. Если не получено как минимум 3 голосов, новый блок не будет признан сетью действительным. PoS‑голосующие могут отклонять злонамеренное или неэффективное поведение, голосуя «нет», что может помешать недобросовестным PoW‑майнерам получить вознаграждение. Эта власть отделена от их собственных вознаграждений, которые не могут быть отобраны PoW‑майнерами.
Этот PoS‑слой усиливает устойчивость сети к атакам большинства. Атаки с двойной тратой требуют майнинга альтернативной цепочки в секрете, что в Decred невозможно, поскольку для признания новых блоков действительными требуется участие случайно выбранных тикетов. Кроме того, гибридная система увеличивает затраты на атаку сети, требуя от злоумышленника обхода как PoW, так и PoS. Медленное приобретение тикетов также затрудняет накопление достаточной мощности для проведения атаки.
Требование, чтобы каждый блок был проголосован случайно выбранными стейкхолдерами, повышает безопасность сети. Кроме того, блокчейн совместно доступен всем участникам по мере его майнинга. В целом гибридный дизайн PoW/PoS Decred тщательно продуман, чтобы дать стейкхолдерам значительный контроль над сетью, одновременно обеспечивая защиту от атак.
Голосование за изменения конценсуса
Чтобы дать стейкхолдерам PoS больше контроля над управлением блокчейном, Decred включил в правила консенсуса процесс ратификации обновлений. Изменения правил консенсуса сети реализуются только после прохождения процедуры голосования и утверждения как минимум 75% голосующих тикетов. Для инициации этого процесса определённая доля майнеров (95%) и голосующих (75%) должна запускать обновлённое ПО с заложенными изменениями правил. Предложение проходит 4‑недельный период голосования: если оно получает поддержку 75% голосов, оно принимается, в противном случае — отклоняется. Если предложение не достигает ни супербольшинства, ни простого большинства, начинается повторное голосование. После одобрения предложение вступает в силу через месяц.
Проектный менеджмент
Распределение вознаграждений за блоки в Decred устроено так: 60% идёт майнерам PoW, 30% — голосующим PoS и 10% — в Казну, которая поддерживает разработку открытого программного обеспечения, продвигающего цели проекта. Владельцы тикетов реализуют свой суверенитет, голосуя за то, как должны использоваться средства Казны, какие функции включать, и формируя политику через платформу Politeia.
Заключение
Блокчейн Decred использует гибридную систему PoW/PoS, что отличает его от других проектов в группе PoS. Голосующие PoS получают только 30% вознаграждения за блок, поэтому они не могут поддерживать свою относительную долю циркулирующих DCR, полагаясь только на стейкинг. Большая часть вновь создаваемых DCR достаётся PoW‑майнерам, которые помогают защищать сеть и решают проблему «nothing at stake», с которой сталкиваются чистые PoS‑системы. Чтобы покрыть операционные расходы, майнеры обычно вынуждены продавать значительную долю получаемых вознаграждений, что поддерживает справедливое предложение DCR на рынке.
Хотя блокчейн Decred архитектурно уникален, будущие проекты с гибридными подходами PoW/PoS не обязаны следовать именно его модели. Это общее объединение с существенными вариациями внутри, подобно проектам на PoS.