O que é o mecanismo de consenso de blockchain?

Imagine que é o comandante de um exército composto por vários pelotões de soldados, cada um localizado num ponto de desembarque diferente. Planeia atacar uma única área fortificada num momento específico. Para tal, deve coordenar-se com cada um dos seus pelotões para garantir que todos sabem a hora, o local e o plano de ação corretos.

No entanto, isto coloca uma série de problemas. E se um ou vários pelotões decidirem recuar no último minuto? E se atacarem demasiado cedo? E se chegarem ao local errado? E se houver traidores num pelotão que tentem sabotar o plano? 

Para que o ataque funcione, é vital que todos cheguem a um acordo unânime (também conhecido como alcançar consenso) sobre qual é o plano. Este exemplo baseia-se no Problema dos generais bizantinos, um conceito publicado num artigo de 1982 que ilustra os problemas de construir um sistema de comunicação robusto em que os participantes presumidos nesse sistema podem agir de forma desonesta. 

A Bitcoin tornou-se o primeiro sistema descentralizado a resolver este problema de longa data ao implementar algo chamado de mecanismo de consenso.

Um mecanismo de consenso de blockchain é um tipo de sistema automatizado que visa cumprir dois objetivos principais.

1. Garantir que uma comunidade distribuída e sem liderança de validadores de rede consegue concordar de forma eficiente e unânime sobre novos e existentes dados no livro razão da blockchain.
    
2. Garantir que todos os validadores da rede seguem as regras do protocolo e desempenhem os seus papéis de forma honesta.

A validação de dados refere-se à verificação de que novas informações são precisas e válidas. Este é um ponto incrivelmente importante num sistema descentralizado, especialmente num sistema monetário descentralizado. Se for permitido adicionar informações de transações inválidas à blockchain, como um saldo falso ou uma transação de gasto duplo, isso comprometeria completamente a integridade dessa base de dados.

Sem uma base de dados integral, ninguém confiaria no sistema e ninguém o usaria.

Existe também outro problema importante que os mecanismos de consenso são utilizados para resolver: a segurança da rede. 

Satoshi Nakamoto, o criador da Bitcoin, foi o primeiro a reconhecer que os mecanismos de consenso poderiam também funcionar como um sistema eficiente para dissuadir os maus atores de tentarem assumir o controlo da rede através de um ataque de maioria (ganhando o controlo de mais de 50% de uma rede). Esta foi uma inovação revolucionária e que ajudou a cimentar o protocolo Bitcoin como a primeira criptomoeda globalmente viável e descentralizada.

Embora existam muitos tipos de mecanismos de consenso utilizados por diferentes blockchains, a maioria funciona fundamentalmente ao exigir que os nós validadores façam algum tipo de investimento e/ou despendam uma quantidade de esforço antes de serem concedidos o direito de propor e validar novos blocos de dados.

A ideia por trás disto é simples. Os validadores que investiram o seu próprio tempo e dinheiro para participar na rede têm, teoricamente, menos probabilidades de tentar corrompê-la, porque têm algo a perder se o fizerem.

Em resumo, os mecanismos de consenso são simplesmente sistemas que incentivam os validadores a respeitar as regras através de coerção (ameaça de punição) e/ou incentivo (ganhar recompensas por bom comportamento).

Como mencionámos, existem muitos métodos diferentes empregados por várias blockchains para alcançar o consenso na indústria de criptomoedas atual.

No entanto, os dois mais populares são conhecidos como os mecanismos de consenso prova de trabalho (PoW) e prova de participação (PoS).

A prova de trabalho é o mecanismo de consenso utilizado pela bitcoin e por uma ampla gama de outras criptomoedas. 

Desenvolvido pela primeira vez em 1993 pelos cientistas da computação Cynthia Dwork e Moni Naor como um meio de prevenir spam de email, Nakamoto adotou o conceito e adaptou-o para utilização num sistema monetário descentralizado.

O funcionamento do PoW consiste em exigir que os validadores, chamados de "mineradores", comprem, aluguem ou terceirizem equipamentos de computação e direcionem esse poder para vencer uma competição baseada em criptografia em troca de recompensas. Este processo é mais vulgarmente conhecido como mineração de criptomoedas.

Os detalhes completos da mineração podem ser encontrados aqui.

Ao exigir que os validadores invistam em equipamentos de computação e cubram os custos contínuos associados ao seu funcionamento, a ideia por trás do PoW é que potenciais agentes maliciosos desistam de todo esse esforço. Da mesma forma, a estrutura de incentivos das recompensas em bloco (ou seja, as recompensas ganhas ao vencer a competição de mineração) significa que a participação honesta pode ser bem recompensada.

Em termos de fornecer segurança, à medida que mais mineradores se juntam à rede e a sofisticação dos equipamentos aumenta, o custo de atacar a blockchain da Bitcoin aumenta exponencialmente. Isso ocorre porque um criminoso teria que obter uma quantidade extremamente grande de poder computacional para ganhar uma maioria de 51% em relação ao resto da rede. Mesmo assim, não haveria garantia de que venceriam a competição de mineração a cada dez minutos para estabelecer com sucesso uma cadeia inválida de novos blocos.

A prova de participação é um tipo relativamente novo de mecanismo de consenso pioneiro da autoria de Sunny King e Scott Nadal em 2012. Tal como a prova de trabalho, o PoS cumpre os mesmos objetivos-chave de um mecanismo de consenso, mas de uma forma única e diferente.

Para se tornarem validadores numa blockchain baseada em PoS, os participantes são obrigados a comprar e bloquear uma quantidade da criptomoeda nativa do projeto correspondente num contrato inteligente. Isto é conhecido como staking.

Um contrato inteligente de staking funciona essencialmente como uma conta de garantia e bloqueia tokens por um período fixo ou variável, dependendo das condições específicas de cada protocolo de blockchain.

Os validadores são escolhidos aleatoriamente pelo protocolo para propor novos blocos dentro de intervalos de tempo definidos, frequentemente chamados de épocas. Os stakers podem aumentar a probabilidade de serem selecionados para propor novos blocos aumentando a quantidade de tokens ou moedas que dedicam ao staking.

Este sistema funciona de forma semelhante a um sistema de lotaria, em que quanto mais bilhetes tiver, maiores serão as suas hipóteses de ganhar o jackpot. Mas, mais uma vez, não há garantia de que irá ganhar sempre, tal como sucede numa lotaria. Alguém com um único bilhete ainda pode vencer alguém com milhares de bilhetes de lotaria. Aplica-se o mesmo ao staking de criptomoedas.

A Peercoin foi a primeira criptomoeda a apresentar este mecanismo, embora a Ethereum seja talvez o exemplo mais conhecido de uma blockchain PoS depois de ter concluído a sua transição do PoW em 2022.

Além de bloquear tokens, alguns mecanismos de consenso PoS, como o que a Ethereum utiliza, aplicam penalizações por comportamentos desonestos através de um processo chamado "slashing". 

Se o protocolo suspeitar de atividade maliciosa, os fundos bloqueados de uma pessoa podem ser confiscados, ou "slashed", parcial ou totalmente, sem aviso prévio. Isto dissuade coercivamente maus comportamentos e ajuda a garantir que todos os participantes da rede seguem as regras.

Além do PoW e do PoS, surgiram dezenas de diferentes mecanismos de consenso que representam versões novas ou híbridas dos mecanismos acima mencionados. Cada um tenta resolver o Problema dos generais bizantinos de várias maneiras. Estas incluem:

• Prova de atividade (PoA)
• Prova de história (PoH)
• Prova de importância (PoI)
• Prova de capacidade (PoC)
• Prova de queima (PoB)
• Prova de autoridade (PoA)
• Prova de participação delegada (DPoS)
• Prova de tempo decorrido (PoET)

Embora não haja um vencedor claro em termos do melhor mecanismo de consenso, muitos consideram os sistemas PoS e PoW como os mais eficazes.

As principais vantagens do PoW (mineração) em relação ao PoS (staking) são o facto de oferecer uma segurança significativamente maior contra ataques de maioria de 51%. No entanto, os mineradores consomem coletivamente enormes quantidades de energia para alcançar essa alta segurança, algo que muitos ambientalistas, reguladores e empresas globais têm manifestado grande preocupação nos últimos anos. O uso de energia do PoW é um tema complexo e algo que discutimos em maior profundidade no nosso artigo Desmistificar os mitos das criptomoedas: "A Bitcoin está a destruir o ambiente”.

Por outro lado, o PoS é significativamente mais eficiente em termos energéticos. Não são necessárias máquinas que consomem muita eletricidade para fazer staking e vários blocos têm o potencial de ser validados em conjunto através de soluções de escalabilidade, como sharding. 

Dito isto, nenhum dos dois é perfeito e ambos têm os seus próprios problemas de centralização. Em ambos os casos, aqueles com mais dinheiro podem obter uma vantagem injusta sobre outros participantes na rede.

Nos sistemas PoW, as grandes empresas de mineração dominam a indústria e tornam financeiramente inviável a participação de pequenos mineradores amadores. 

Nos sistemas PoS, aqueles que fazem staking de enormes quantidades de tokens têm muito mais probabilidades de propor novos blocos e ganhar recompensas em comparação com todos os outros na rede.

No entanto, pode-se argumentar que isto é um subproduto natural da maioria, senão de todos, os mecanismos de consenso.

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