Что такое механизм консенсуса блокчейна?

Представьте, что вы — командующий армией, состоящей из нескольких взводов, каждый из которых находится в собственной точке высадки. Вы планируете атаковать один укреплённый район в строго определённое время. Для этого необходимо скоординировать действия всех взводов, чтобы каждый из них точно знал время, место и план атаки.

Однако здесь возникает целый ряд проблем. Что, если один или несколько взводов решат отступить в последний момент? Что, если они начнут атаку слишком рано? Что, если они прибудут не в ту точку? Что, если во взводе окажутся предатели, пытающиеся сорвать операцию? 

Чтобы атака была успешной, критически важно, чтобы все участники пришли к единому решению — то есть достигли консенсуса — относительно плана действий. Этот пример основан на концепции Задачи византийских генералов — модели, описанной в научной работе 1982 года, которая иллюстрирует сложности построения надёжной системы коммуникации в условиях, когда некоторые участники могут действовать недобросовестно. 

Bitcoin стал первой децентрализованной системой, сумевшей решить эту давнюю проблему за счёт внедрения так называемого механизма консенсуса.

Механизм консенсуса блокчейн — это автоматизированная система, предназначенная для достижения двух ключевых целей:

1. обеспечить, чтобы распределённое сообщество валидаторов сети без центрального управляющего органа могло эффективно и единогласно согласовывать новые и уже существующие данные в реестре блокчейна;
    
2. гарантировать, что все валидаторы сети соблюдают правила протокола и добросовестно выполняют свои функции.

Проверка данных означает подтверждение того, что новая информация является корректной и достоверной. Это имеет критическое значение для децентрализованных систем, особенно для децентрализованных денежных систем. Если в блокчейн будет допущено добавление некорректных данных о транзакциях — например, фиктивного баланса или операции двойного расходования, — это полностью подорвёт целостность базы данных.

Без целостного и надёжного реестра система утратит доверие пользователей и фактически перестанет использоваться.

Существует и ещё одна важная задача, которую решают механизмы консенсуса, — обеспечение безопасности сети. 

Сатоши Накамото, создатель Bitcoin, первым осознал, что механизмы консенсуса могут одновременно служить эффективным средством защиты от злоумышленников, пытающихся захватить сеть посредством атаки большинства — то есть получения контроля более чем над 50 % вычислительных или валидирующих ресурсов сети. Это стало революционным нововведением, которое помогло закрепить протокол Bitcoin как первую глобально жизнеспособную децентрализованную криптовалюту.

Хотя существует множество типов механизмов консенсуса, применяемых разными блокчейнами, большинство из них в основе своей требует от узлов-валидаторов вложений или затрат определённых усилий, прежде чем им будет предоставлено право предлагать и подтверждать новые блоки данных.

Идея проста. Валидаторы, вложившие свои средства и время для участия в сети, теоретически менее склонны к её повреждению, так как у них есть что терять.

Короче говоря, механизмы консенсуса — это системы, которые побуждают валидаторов соблюдать правила через принуждение (угроза наказания) и (или) стимулы (вознаграждение за корректное поведение).

Как мы уже упоминали, существует множество различных методов, используемых разными блокчейнами для достижения консенсуса в современной криптовалютной индустрии.

Наиболее популярными являются механизмы консенсуса: алгоритм Proof-of-Work (PoW) и механизм Proof-of-Stake (PoS).

Алгоритм Proof-of-Work — это механизм консенсуса, используемый Bitcoin и многими другими криптовалютами. 

Изначально разработанный в 1993 году компьютерными учёными Синтией Дворк и Мони Наор для предотвращения спама в электронной почте, Накамото адаптировал эту концепцию для децентрализованной денежной системы.

PoW требует, чтобы валидаторы, называемые «майнерами», покупали, арендовали или использовали внешнее вычислительное оборудование и направляли его мощность на решение криптографических задач в обмен на вознаграждение. Этот процесс более известен как майнинг криптовалюты.

Полную информацию о майнинге можно найти здесь.

Идея PoW проста: поскольку валидаторы вкладывают свои средства и несут расходы на эксплуатацию оборудования, потенциальные злоумышленники менее мотивированы пытаться саботировать сеть. Структура вознаграждений за блоки — выплаты, получаемые за успешное решение майнинговых задач — обеспечивает достойную компенсацию честным участникам.

С точки зрения безопасности: по мере увеличения числа майнеров и сложности оборудования, стоимость атаки на блокчейн Bitcoin растёт экспоненциально. Это связано с тем, что злоумышленнику пришлось бы собрать чрезвычайно большое количество вычислительной мощности, чтобы получить контроль над более чем 51 % сети. Даже при этом не гарантируется, что он сможет выиграть майнинговое соревнование каждые десять минут и создать недопустимую цепочку новых блоков.

Механизм Proof-of-Stake — это относительно новый тип механизма консенсуса, впервые реализованный Санни Кингом и Скоттом Надалом в 2012 году. Как и алгоритм Proof-of-Work, PoS решает те же ключевые задачи механизма консенсуса, но делает это совершенно иным образом.

Чтобы стать валидатором в блокчейне на основе PoS, участнику необходимо приобрести и заблокировать определённое количество нативной криптовалюты проекта в смарт-контракте. Это называется стейкингом.

Смарт-контракт на стейкинг по сути выполняет функции депозитного счёта: токены блокируются на фиксированный или переменный срок в зависимости от условий конкретного блокчейн-протокола

Протокол случайным образом выбирает валидаторов для предложения новых блоков в установленные временные слоты, часто называемые эпохами. Стейкеры могут увеличить свои шансы на выбор, увеличив количество токенов или монет, выделяемых для стейкинга.

Эта система работает аналогично лотерее: чем больше у вас «билетов», тем выше вероятность выигрыша. Однако, как и в лотерее, нет гарантии выигрыша каждый раз. Даже обладатель одного «билета» может выиграть у участника с тысячей билетов. То же самое применимо и к стейкингу криптовалюты.

Первой криптовалютой с этим механизмом стала Peercoin, хотя Ethereum является, пожалуй, самым известным примером блокчейна PoS после завершения своего перехода от PoW в 2022 году.

Помимо блокировки токенов, некоторые PoS-механизмы, включая Ethereum, предусматривают штрафы за нечестное поведение через процесс, называемый слешингом. 

Если протокол заподозрит злонамеренные действия, заблокированные средства участника могут быть частично или полностью конфискованы («зарезаны») без предупреждения. Это эффективно препятствует нарушению правил и помогает гарантировать, что все участники сети соблюдают протокол.

Помимо PoW и PoS, появилось множество других механизмов консенсуса, представляющих новые или гибридные версии вышеупомянутых подходов. Каждая из этих систем по-своему пытается решить задачу византийских генералов. К ним относятся:

• 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)

Хотя нет однозначного «лучшего» механизма консенсуса, многие считают PoS и PoW наиболее эффективными.

Основное преимущество PoW (майнинга) перед PoS (стейкингом) заключается в значительно более высокой защите от атак 51 %. Однако для обеспечения такой безопасности майнеры потребляют огромные объёмы энергии, что в последние годы вызывает серьёзную озабоченность у экологов, регулирующих органов и международного бизнеса. Энергопотребление PoW — сложная тема, которую мы подробно рассмотрели в нашей статье «Разрушение криптовалютных мифов: Bitcoin разрушает окружающую среду».

В то же время PoS значительно более энергоэффективен. Для стейкинга не требуются энергозатратные вычислительные мощности, а несколько блоков могут подтверждаться параллельно с помощью решений для масштабирования, таких как шардинг. 

Тем не менее, ни один из подходов не идеален, и у обоих есть свои проблемы с централизацией. В обоих случаях участники с большим капиталом могут получить преимущество перед остальными участниками сети.

В системах PoW крупные майнинговые компании доминируют на рынке, делая участие небольших «домашних» майнеров экономически нецелесообразным. 

В системах PoS участники, блокирующие крупные суммы токенов, значительно чаще получают право предлагать новые блоки и зарабатывать вознаграждения по сравнению с остальными пользователями сети.

Тем не менее это можно рассматривать как естественное следствие большинства, если не всех, механизмов консенсуса.

Теперь, когда вы ознакомились с механизмами консенсуса, готовы сделать следующий шаг и купить криптовалюту на Kraken? Нажмите кнопку ниже, чтобы инвестировать в криптовалюту на Kraken уже сегодня!