Mikä on lohkoketjun konsensusmekanismi?

Kuvittele, että olet komentaja armeijassa, johon kuuluu eri paikoissa sijaitsevia joukkueita. Suunnittelet hyökkäystä yhdelle linnoitetulle alueelle tiettyyn aikaan. Tätä varten sinun on koordinoitava jokaisen joukkueen kanssa varmistaaksesi, että kaikki tietävät oikean ajan, sijainnin ja toimintasuunnitelman.

Se aiheuttaa kuitenkin useita ongelmia. Entä jos yksi tai useampi joukkue päättää vetäytyä viime hetkellä? Entä jos he hyökkäävät liian aikaisin? Entä jos he saapuvat väärään paikkaan? Entä jos joukkueessa on pettureita, jotka yrittävät sabotoida suunnitelmaa? 

Jotta hyökkäys onnistuu, on erittäin tärkeää, että kaikki saavuttavat yksimielisyyden eli konsensuksen siitä, mikä suunnitelma on. Tämä esimerkki perustuu Bysantin kenraalien ongelmaan. Se on vuonna 1982 julkaistussa artikkelissa esitelty käsite, joka havainnollistaa ongelmia, joita syntyy rakennettaessa vankkaa viestintäjärjestelmää, jossa järjestelmän oletetut osallistujat saattavat toimia epärehellisesti. 

Bitcoin oli ensimmäinen hajautettu järjestelmä, joka ratkaisi tämän pitkäaikaisen ongelman toteuttamalla konsensusmekanismin.

Lohkoketjun konsensusmekanismi on eräänlainen automatisoitu järjestelmä, jonka tavoitteena on saavuttaa kaksi keskeistä päämäärää:

1. Varmistaa, että hajautettu ja johtajaton verkon validoijien yhteisö pystyy tehokkaasti ja yksimielisesti sopimaan uudesta ja olemassa olevasta datasta lohkoketjun pääkirjassa.
    
2. Varmistaa, että kaikki verkon validoijat noudattavat protokollan sääntöjä ja toimivat tehtävässään rehellisesti.

Datan validointi tarkoittaa uusien tietojen paikkansapitävyyden ja luotettavuuden vahvistamista. Se on äärimmäisen tärkeää hajautetussa järjestelmässä, erityisesti hajautetussa rahajärjestelmässä. Jos lohkoketjuun sallittaisiin lisättäväksi virheellisiä tapahtumatietoja, kuten väärä saldo tai kaksinkertainen kulutus, se heikentäisi täysin kyseisen tietokannan eheyden.

Jos tietokanta ei ole yhtenäinen, kukaan ei luota siihen, eikä kukaan käytä sitä.

Konsensusmekanismeja käytetään ratkaisemaan myös erästä toista keskeistä ongelmaa: verkon turvallisuutta. 

Bitcoinin luoja Satoshi Nakamoto havaitsi ensimmäisenä, että konsensusmekanismit voisivat myös toimia tehokkaana järjestelmänä, jolla estetään pahantahtoisia toimijoita yrittämästä ottaa verkkoa haltuunsa enemmistöhyökkäyksen kautta (saavuttamalla yli 50 prosentin osuus verkon hallinnasta). Se oli vallankumouksellinen innovaatio, joka osaltaan auttoi vakiinnuttamaan Bitcoin-protokollan ensimmäiseksi globaalisti toimivaksi hajautetuksi kryptovaluutaksi.

Vaikka eri lohkoketjuissa käytetään monia erilaisia konsensusmekanismeja, useimmat niistä toimivat pohjimmiltaan siten, että validoijilta edellytetään jonkinlaista sijoitusta ja/tai vaivannäköä ennen kuin heille myönnetään oikeus ehdottaa ja validoida uusia datalohkoja.

Taustalla oleva idea on yksinkertainen. Validoijat, jotka ovat investoineet omaa aikaansa ja rahaa osallistuakseen verkkoon, yrittävät teoriassa vähemmän todennäköisesti korruptoida sitä, koska heillä on jotain menetettävää, jos he tekevät niin.

Tiivistetysti konsensusmekanismit ovat yksinkertaisesti järjestelmiä, jotka kannustavat validoijia noudattamaan sääntöjä pakottamisen (rangaistuksen uhka) ja/tai kannustamisen (palkkioiden ansaitseminen hyvästä toiminnasta) avulla.

Kuten olemme maininneet, tämän päivän kryptoalalla on monia erilaisia menetelmiä, joita eri lohkoketjut käyttävät konsensuksen saavuttamiseen.

Kaksi suosituinta ovat Proof-of-Work (PoW)- ja Proof-of-Stake (PoS) -konsensusmekanismit.

Proof-of-Work on konsensusmekanismi, jota bitcoin ja monet muut kryptovaluutat käyttävät. 

Tietojenkäsittelytieteilijät Cynthia Dwork ja Moni Naor kehittivät sen vuonna 1993 keinoksi estää roskapostia. Nakamoto sovitti käsitteen hajautetussa rahajärjestelmässä käsiteltäväksi.

PoW toimii siten, että se vaatii ”louhijoiksi” kutsuttuja validoijia ostamaan, vuokraamaan tai ulkoistamaan laskentatehoa ja ohjaamaan sen kryptografiaan perustuvan kilpailun voittamiseen palkkioita vastaan. Tätä prosessia kutsutaan yleisesti kryptovarojen louhinnaksi.

Kaikki tiedot louhinnasta löytyvät täältä.

Vaatimalla validoijia investoimaan laskentalaitteisiin ja kattamaan niiden käyttöön liittyvät jatkuvat kustannukset PoW:n taustalla oleva idea on, että mahdolliset pahantahtoiset toimijat eivät halua nähdä kaikkea sitä vaivaa. Vastaavasti lohkopalkkioiden kannustinrakenne eli palkkioiden ansaitseminen louhintakilpailun voittamisesta tarkoittaa, että rehellisestä osallistumisesta voi saada hyvän korvauksen.

Mekanismi parantaa turvallisuutta siten, että kun yhä useammat louhijat liittyvät verkkoon ja laitteiden kehittyneisyyden taso nousee, Bitcoin-lohkoketjuun hyökkäämisen kustannukset kasvavat eksponentiaalisesti. Tämä johtuu siitä, että hyökkääjän olisi hankittava äärimmäisen suuri määrä laskentatehoa saavuttaakseen 51 prosentin enemmistön koko verkosta. Siinäkään tapauksessa ei olisi takeita siitä, että hän voittaisi louhintakilpailun joka kymmenes minuutti voidakseen onnistuneesti luoda virheellisen ketjun uusista lohkoista.

Proof-of-Stake on melko uusi konsensusmekanismi, jonka ovat kehittäneet Sunny King ja Scott Nadal vuonna 2012. Proof-of-Work-mekanismin tapaan PoS täyttää samat keskeiset konsensusmekanismin tavoitteet mutta ainutlaatuisen erilaisella tavalla.

Voidakseen tulla validoijaksi PoS-pohjaisessa lohkoketjussa osallistujien on ostettava ja lukittava tietty määrä kyseisen projektin natiivia kryptovaluuttaa älysopimukseen. Tätä kutsutaan steikkaukseksi.

Steikkauksessa älysopimus toimii käytännössä kuin sulkutili, ja se lukitsee tokeneita kiinteäksi tai vaihtelevaksi ajaksi kunkin lohkoketjuprotokollan erityisehtojen mukaan.

Protokolla valitsee satunnaisesti validoijia ehdottamaan uusia lohkoja asetetuissa aikarajoissa, joita kutsutaan usein aikakausiksi. Steikkaajat voivat lisätä mahdollisuuksiaan tulla valituksi ehdottamaan uusia lohkoja lisäämällä steikkaukseen käyttämiensä tokenien tai kolikoiden määrää.

Tämä järjestelmä toimii samaan tapaan kuin arpajaiset: mitä enemmän sinulla on arpoja, sitä paremmat mahdollisuudet sinulla on voittaa pääpotti. Mutta jälleen kerran ei ole takeita siitä, että voitat joka kerta, aivan kuten arpajaisissa. Vain yhden arvan hankkinut voi silti voittaa jonkun, jolla on tuhansia arpoja. Sama pätee kryptojen steikkaukseen.

Peercoin oli ensimmäinen kryptovaluutta, jossa käytettiin tätä mekanismia, vaikka Ethereum on ehkä tunnetuin esimerkki PoS-lohkoketjusta sen jälkeen, kun se siirtyi PoW:stä vuonna 2022.

Tokenien lukitsemisen lisäksi osa PoS-konsensusmekanismeista, kuten Ethereumin käyttämä, rankaisee epärehellisestä toiminnasta ”slashingiksi” kutsutun prosessin kautta. 

Jos protokolla epäilee pahantahtoista toimintaa, henkilön lukitut varat voidaan takavarikoida tai ”leikata” osittain tai kokonaan ilman varoitusta. Tämä ehkäisee pahantahtoista toimintaa ja auttaa varmistamaan, että kaikki verkon osallistujat noudattavat sääntöjä.

PoW:n ja PoS:n lisäksi on syntynyt kymmeniä erilaisia konsensusmekanismeja, jotka ovat uusia tai yhdisteltyjä muunnelmia edellä mainituista mekanismeista. Jokainen niistä pyrkii ratkaisemaan Bysantin kenraalien ongelman eri tavoin. Näihin kuuluvat esimerkiksi seuraavat:

• Proof-of-Activity (PoA)
• Proof-of-History (PoH)
• Proof-of-Importance (PoI)
• Proof-of-Capacity (PoC)
• Proof-of-Burn (PoB)
• Proof-of-Authority (PoA)
• Delegated Proof-of-Stake (DPoS)
• Proof-of-Elapsed Time (PoET)

Vaikka selkeää voittajaa parhaaksi konsensusmekanismiksi ei ole, monet pitävät PoS- ja PoW-järjestelmiä tehokkaimpina.

PoW-mekanismin (louhinta) suurimmat edut PoS-mekanismiin (steikkaus) nähden ovat merkittävästi parempi turvallisuus 51 prosentin enemmistöhyökkäyksiä vastaan. Louhijat käyttävät kuitenkin yhdessä valtavat määrät energiaa suuren turvallisuuden saavuttamiseksi, mistä monet ympäristönsuojelijat, sääntelyviranomaiset ja globaalit yritykset ovat viime vuosina olleet hyvin huolestuneita. PoW:n energiankäyttö on monimutkainen aihe, ja käsittelemme sitä tarkemmin artikkelissa Busting Crypto Myths: ”Bitcoin is Destroying the Environment”.

PoS puolestaan on merkittävästi energiatehokkaampi. Steikkaus ei edellytä sähköä kuluttavia koneita, ja useita lohkoja voidaan validoida samanaikaisesti shardingin kaltaisten skaalausratkaisujen avulla. 

Siitä huolimatta kumpikaan ei ole täydellinen, ja molemmilla on omat keskittymisongelmansa. Kummassakin tapauksissa ne, joilla on eniten rahaa, voivat saada epäreilun edun muihin verkon osallistujiin nähden.

PoW-järjestelmissä suuret louhintayritykset hallitsevat alaa ja tekevät osallistumisesta taloudellisesti kannattamatonta pienille harrastajalouhijoille. 

PoS-järjestelmissä ne, jotka steikkaavat valtavia määriä tokeneita, voivat ehdottaa uusia lohkoja ja ansaita palkkioita paljon todennäköisemmin kuin muut verkon osallistujat.

Silti voidaan väittää, että tämä on luontainen seuraus useimmille ellei kaikille konsensusmekanismeille.

Nyt kun tiedät kaiken konsensusmekanismeista, oletko valmis ottamaan seuraavan askeleen ja ostamaan kryptoja Krakenin kautta? Napsauta alla olevaa painiketta ja sijoita kryptovaluuttaan Krakenin kautta tänään!