Алгоритмы консенсуса криптовалют Proof of Work (PoW), Proof of Stake (PoS) и другие

Алгоритм консенсуса криптовалюты – это метод достижения соглашения в блокчейн-сети. Соглашение (консенсус) – основа всей работы цепи. Механизмы согласования используются для обеспечения надежности любой сети, включающей в себя несколько узлов. Именно это делает блокчейн-сети настолько децентрализованными и безопасными.

По сути, алгоритмы консенсуса выполняют две функции: предохраняют сеть от мощной хакерской атаки, способной повредить ее, и гарантируют истинность нового блока в цепи. Взамен этой пользы многие алгоритмы забирают много вычислительной энергии, однако они совершенно необходимы для полноценной работы блокчейн-технологий.

На сегодняшний день существует много типов механизмов согласования. Редакция Profinvestment.com рассмотрит основные разновидности консенсуса криптовалют, а затем – более редкие.

Механизмы консенсуса основных популярных криптовалют:

Что такое алгоритм консенсуса и зачем он нужен. Задача византийских генералов.

Механизм согласования играет важнейшую роль. Отдельные части одноранговой системы, такой как публичный блокчейн, обязательно должны «договариваться» друг с другом о том, как выглядит история цепи до настоящего момента, и о том, каким образом продвигаться вперед – ведь нет центрального органа, который бы контролировал эти аспекты.

Всегда присутствует риск случайной или намеренной дезинформации либо недопонимания между участниками сети. В публичном блокчейне достаточное количество пользователей должно признать правильность истории транзакций до определенного момента. Однако нельзя гарантировать, что все будут честны – есть злоумышленники, которые хотят регистрировать мошеннические транзакции или запрещать подлинные.

Решение этой проблемы должно быть автономным. Никто не может в одностороннем порядке объявлять транзакцию правильной или неправильной, это противоречило бы всем принципам децентрализации. Термин «Проблема византийских генералов» появился в 1982 году и сразу был признан лучшим способом объяснить сложности достижения децентрализации, чтобы людям было легче понять проблему. Его суть:

1. Представим военную операцию в Византии 1000 лет назад.
2. Есть несколько генералов, армии которых окружили город. Каждая армия находится в своем отдельном лагере.
3. Генералы могут связываться друг с другом при помощи гонцов.
4. Генералам важно действовать согласованно, чтобы одновременно напасть на город или, наоборот, отступить. Если хотя бы одна армия будет действовать невпопад, то всё войско будет уничтожено.

И здесь возникает сложность. Можно посылать гонцов на лошадях, но их могут схватить и убить. Кроме того, нужно всегда присылать подтверждение о том, что послание получено, но и в этом случае гонца тоже могут убить. Возникает три вида трудностей:

• Что делать, если гонцов постоянно перехватывают или подменяют послания, чтобы генералы запутались?
• Как генерал может понять, что он получил подлинное сообщение?
• Что произойдет, если один или сразу несколько генералов переметнутся на сторону врага и станут намеренно отправлять неверную информацию?

В изобретенной Сатоши Накамото системе Bitcoin все эти проблемы удалось решить. Распределенные системы обладают так называемой «византийской отказоустойчивостью», то есть в их протокол встроена система BFT. Механизм согласования каждые 10 минут производит новые блоки и вознаграждает узел, сформировавший следующий блок. Все остальные узлы сети Биткоин могут убедиться в правильности создания блока и тем самым достичь соглашения о том, стоит ли помещать его в цепочку, обуславливающую работу системы.

Ключевые алгоритмы консенсуса в криптовалютных блокчейн сетях

Рассмотрим используемые на текущий момент в блокчейн-сфере механизмы консенсуса.

Обзор алгоритма Proof of Work (PoW, доказательство выполнения работы)

Proof of Work – информация, которую трудно, долго или дорого произвести, но при этом легко проверить на соответствие заданным требованиям. Получение Proof of Work обычно является рандомной процедурой с крайне маленьким шансом успеха, то есть для достижения цели требуется совершить очень много попыток и ошибочных действий. Такую схему работы использует Биткоин.

Чтобы блок был подтвержден пользователями системы, майнеры должны добиться доказательства выполнения работы, которое охватывало бы все содержащиеся в блоке платежи. Сложность процесса строго отрегулирована: сеть блокчейн может генерировать один блок в среднем в десятиминутный период. Шанс правильной генерации крайне низок, поэтому невозможно предсказать, какое устройство в сети создаст его.

Чтобы блок был признан за действительный, его хэш-сумма должна быть меньше заданной. В каждом новом блоке содержатся сведения о хэше предшествующего. Невозможно изменить блок, помещенный в блокчейн, поскольку для этого пришло бы изменить и все блоки, которые шли следом за ним.

Наиболее распространена схема Proof of Work под названием SHA-256, но кроме нее есть еще следующие виды:

• Scrypt;
• Scrypt-jane;
• Scrypt-n;
• Blake256;
• Crypto Night;
• SHA3;
• Quark;
• HEFTY1.

Периодически появляются и новые вариации, которые в чем-то усовершенствованы по сравнению с классическими. Но принцип всегда остается одним и тем же.

Преимущества и недостатки PoW

Главное преимущество алгоритма консенсуса Proof of Work – эффективная защита от DDoS-атак и влияния майнеров с низкой мощностью оборудования. PoW накладывает определенные ограничения на разрешенные пользователям действия, так как выполнение задачи требует сильный вычислительных мощностей. Чтобы совершить атаку на сеть, нужно огромное количество мощности, что в большинстве случаев будет просто экономически невыгодно. Также держатели крупных капиталов не могут оказывать влияние на сеть, имеет значение только суммарная мощность используемого оборудования.

Основные минусы – внушительные экономические затраты на майнинг и множество «бесполезных» расчетов. На текущий момент сложность добычи Биткоина настолько высока, что действительно ощутимо заработать на майнинге могут только крупные корпорации, имеющие возможность вложить огромное количество средств в оборудование. В результате система постепенно становится более централизованной.

Печально и то, что масса бесполезных расчетов, производимых майнерами, нигде не используется – результаты не могут быть применены ни в науке, ни в бизнесе. Экология страдает от потребления тысяч киловатт электричества.

В каких криптовалютах используется алгоритм консенсуса PoW

На сегодняшний день следующие криптовалюты используют Proof of Work в своей работе (в скобках указана конкретная модификация алгоритма):

• Bitcoin (SHA256)
• Litecoin (Scrypt)
• Bitcoin Cash (SHA256)
• Bitcoin SV (SHA256)
• Monero (Crypto Night)
• Ethereum Classic (Ethash)

И множество других менее популярных валют.

Обзор алгоритма Proof of Stake (PoS, доказательство доли владения)

Доказательство доли владения (Proof of Stake) – механизм согласования для публичного блокчейна, где вероятность успеха связана с экономической значимостью узла в сети. В блокчейнах, работающих на основе PoS пул валидаторов по очереди голосует за дальнейший блок, и важность голоса каждого валидатора зависит от суммарного объема его капитала (так называемой доли).

Общий принцип действия Proof of Stake выглядит так: валидатором в сети может стать любой, имеющий накопления в виде монет сети. Для этого владелец узла должен перевести желаемую часть своих средств в депозит при помощи специальной транзакции. Дальнейший путь может быть одним из двух:

1. В «цепном» Proof of Stake система рандомно определяет валидатора по окончании каждого временного интервала (например, 10 секунд) и дает этому валидатору право сформировать блок. Этот блок должен содержать в себе указания на предыдущий, таким образом постепенно выстраивается взаимосвязанная цепь.
2. В Proof of Stake на основе BFT валидаторам произвольным образом выдается право предлагать на проверку блоки, но решение о том, какой блок истинный, представляет собой многоэтапный процесс. Каждый узел отправляет «голос» за определенный блок во время каждого этапа голосования, после чего все постепенно соглашаются с истинностью того или иного блока.

Преимущества и недостатки PoS

Два основных плюса алгоритма – отсутствие затрат электроэнергии и высокий уровень безопасности.

В Proof of Stake не нужно мощное оборудование, содержать которое экономически неразумно и которое наносит вред экологии. Благодаря этому также увеличивается коэффициент децентрализации, поскольку крупным игрокам сложнее получить контроль над сетью. Чтобы завладеть цепью, злоумышленнику потребовалось бы купить 51% всех токенов на рынке. Криптовалюты с малой капитализацией действительно подвержены этому риску, но с топовыми такое невозможно.

Что касается недостатков, то с точки зрения дохода PoS сейчас менее выгоден, чем PoW. Кроме того, продавая монеты, добытые путем доказательства работы, человек продает только их. А продавая монеты, добытые через доказательство доли, продает своего «майнера», то есть теряет возможность заработать еще больше.

В каких криптовалютах используется механизм PoS

Примеры популярных валют, работающих на алгоритме Proof of Stake:

• Ethereum
• Binance Coin
• Stellar
• NEO
• Cosmos
• Ontology
• Qtum

Обзор алгоритмов Leased Proof of Stake и Delegated Proof of Stake

Leased Proof of Stake, или LPoS – механизм согласования, базирующийся на Proof of Stake, но несколько усовершенствованный. Если в обычной версии узел удерживает у себя некоторый объем денежных средств, чтобы получить возможность закрыть дальнейший блок в цепочке, то в LPoS пользователь может сдать свои средства в аренду фулл-нодам (главным узлам).

В результате формируется кошелек лизинга, и майнеры, пользующиеся им для генерации блоков, выплачивают проценты настоящему владельцу средств. Каждый пользователь в сети может выбирать, кем ему стать – просто сдать средства в аренду и получать проценты, или же стать фулл-нодой (это делается за отдельную плату, довольно ощутимую).

Способ используется, например, в криптовалюте Waves.

Другой вариант называется Delegated Proof of Stake, или dPoS, и представляет собой процесс голосования через избранных делегатов. Этому предшествует выбор производителей блоков; всё множество участников сети делится на валидирующих и голосующих. В итоге держатели монет, имеющие право голоса, не могут подтверждать транзакции. Но они имеют право выбрать некоторое количество участников, которое будет заниматься формированием блоков.

Обязательное условие для желающих стать валидаторами – раскрытие своей личности и подтверждение готовности постоянно быть онлайн, поддерживать нормальное функционирование узла, бесперебойно подтверждать транзакции. Те же, кто за эти узлы голосовал, получает в награду процент от вознаграждения за блок.

Вариант применяется в работе криптовалюты BitShares.

Другие алгоритмы

Несколько редких, но интересных по своей сути, механизмов согласования.

Proof of Importance (PoI)

Доказательство важности – алгоритм, впервые представленный в рамках криптовалюты NEM. Используется для определения того, какие участники имеют право добавлять новые блоки в цепь; этот процесс называется харвестингом (проведена аналогия со «сбором урожая», harvesting по-английски). В обмен на закрытие блока узел может собрать процент с комиссий за транзакции, заключенные в этом блоке. Чтобы получить право на харвестинг, нужно иметь минимум 10 000 монет XEM.

Proof of Burn (PoB)

Концепция этого метода состоит в том, что майнеры должны доказать сжигание монет. Сжигание – это отправка средств на определенный нерасходуемый адрес. Такой способ применяется в системе Slimcoin. Сеть позволяет владельцам фулл-ноды зарабатывать монеты, отыскивая доказательство сожжения, которое определяется по количеству присланных на нужный проверяемый адрес денег.

Proof of Capacity (POC)

Proof of Capacity – механизм согласования, позволяющий совершать вычисления с помощью использования ресурсов жесткого диска, а не видеокарт, ASIC-майнеров или процессоров. Метод появился как альтернативное решение проблемы высокого потребления энергии в PoW. POC дает возможность использовать незанятое пространство жесткого диска для майнинга криптовалют. Чем объемнее жесткий диск, тем больше возможных значений решения можно на нем хранить, и тем больше шансов получить вознаграждение за нахождение блока.

Примеры валюты, которую можно так добывать – SiaCoin.

Proof of Authority (PoA)

В сетях на базе PoA блоки и транзакции проверяются утвержденными учетными записями, носящими название валидаторов. Валидаторы поддерживают на своих устройствах программное обеспечение, автоматически проверяющее транзакции и помещающее их в блоки. Стать валидатором может узел с высокой надежностью и хорошей репутацией.

Способ успешно применен в сети VeChain.

Proof of Brain

Proof of Brain описано в Bluepaper криптовалюты Steem и имеет два основных свойства:

• пул токенов, предназначенных для стимулирования создания данных и осуществления их кураторства;
• система голосования, использующая силу толпы для определения ценности контента и распространения монет.

Эти два свойства позволяют блокчейну распределять большую часть вознаграждений путем применения человеческого мнения, а не автоматическими процессами.

Byzantine Fault Tolerance (BFT)

Такое обозначение дает понять, что в сети используется система решения подробно описанной выше Задачи византийских генералов. Самый яркий пример использования такой технологии – Биткоин. Хотя сейчас он кажется медленным и неэффективным, но зато среди всех существующих криптовалют он самый честный и надежный, о чем не устают повторять Биткоин-евангелисты.

Proof of Elapsed Time (PoET)

Стратегия этого алгоритма консенсуса выглядит так: каждый пользователь блокчейн-сети ожидает некоторое количество времени, определяемое случайным образом; первый пользователь, закончивший ожидание, закрывает блок и получает вознаграждение. Proof of Elapsed Time разработала компания Intel, механизм работает на специальном наборе инструкций для процессора Software Guard Extensions (SGX). Основное предназначение алгоритма – запуск доверенных приложений в безопасной среде.

Proof of Activity (POA)

PoA подразумевает гибридный процесс генерации блоков, сочетающий в себе принципы PoS и PoW. Сначала майнеры осуществляют свою работу, затем в дело вступают холдеры (держатели монет). Проект пока чисто теоретический и не используется в криптовалютах.

Proof of Weight (PoWeight)

Доказательство «веса» - механизм консенсуса, применяемый в модели Algorand от исследователей Массачусетского института. Позволяет проводить очень быстрые транзакции с применением BFT и успешно масштабироваться под большое число пользователей. Каждому участнику сети присваивается определенный «вес», определяющий его честность и уровень вклада пользователя в развитие сети.

Теперь вы знаете о том, какие алгоритмы способны тем или иным способом поддерживать работоспособность блокчейн-сетей. Все они имеют свои преимущества и недостатки, но направлены на одну цель – обеспечение максимальной безопасности и децентрализации.