Що таке механізм консенсусу блокчейну?

Уявіть, що ви командувач армією, до складу якої входять кілька взводів солдатів, кожен з яких знаходиться в різних точках висадки. Ви плануєте атакувати одну укріплену територію в певний час. Для цього ви повинні скоординувати дії з кожним із ваших взводів, щоб переконатися, що всі знають потрібний час, місце й план дій.

Але це створює ряд проблем. Що, якщо один або кілька взводів вирішать відступити в останній момент? Що, якщо вони атакують занадто рано? Що, якщо вони прибудуть не в те місце? Що, якщо в одному із взводів є зрадники, які намагаються зірвати план? 

Щоб атака була успішною, важливо, щоб усі досягли одностайної згоди – також відомої як досягнення консенсусу – щодо плану дій. Цей приклад ґрунтується на проблемі візантійських полководців; концепції, опублікованій у статті 1982 року, яка ілюструє проблеми побудови надійної системи зв’язку, в якій припускається, що учасники цієї системи можуть діяти нечесно. 

Bitcoin став першою децентралізованою системою, яка вирішила цю давню проблему, запровадивши так званий механізм консенсусу.

Механізм консенсусу blockchain – це тип автоматизованої системи, яка має на меті досягнення двох основних цілей.

1. Забезпечити розподілену спільноту валідаторів мережі без центрального лідера можливістю ефективно й одностайно узгоджувати нові та існуючі дані в леджері blockchain.
    
2. Забезпечити, щоб усі валідатори мережі дотримувалися правил протоколу й чесно виконували свої ролі.

Валідація даних означає верифікацію точності й достовірності нової інформації. Це надзвичайно важливо в децентралізованій системі, особливо в децентралізованій грошовій системі. Якщо до blockchain буде дозволено додавати недостовірну інформацію щодо транзакцій, як-от хибний баланс або транзакцію подвійного витрачання, це повністю підірве цілісність цієї бази даних.

Без цілісної бази даних ніхто б не довіряв їй, і ніхто б її не використовував.

Існує ще одна ключова проблема, для вирішення якої використовуються механізми консенсусу: безпека мережі. 

Сатоші Накамото (Satoshi Nakamoto), творець Bitcoin, першим усвідомив, що механізми консенсусу можуть також слугувати ефективною системою стримування зловмисників від спроб захопити мережу через атаку більшості (отримання контролю над більше ніж 50 % мережі). Це було революційне нововведення, завдяки якому протокол Bitcoin закріпився як перша в світі життєздатна децентралізована криптовалюту.

Хоча існує багато типів механізмів консенсусу, що використовуються різними blockchain, більшість із них принципово функціонують, вимагаючи від вузлів-валідаторів певних інвестицій та/або витрат певних зусиль, перш ніж їм буде надано право пропонувати й перевіряти нові блоки даних.

Ідея, що лежить в основі цього, проста. Валідатори, які інвестували власний час і кошти для участі в мережі, теоретично мають менше стимулів намагатися скомпрометувати її, оскільки в разі зловмисних дій їм буде що втрачати.

Коротко кажучи, механізми консенсусу – це просто системи, які заохочують валідаторів дотримуватися правил через примус (загроза покарання) та/або стимулювання (отримання нагород за хорошу поведінку).

Як ми вже згадували, в сучасній криптоіндустрії існує безліч різних методів, які використовуються різними blockchain для досягнення консенсусу.

Однак два найпопулярніші відомі як доказ виконання роботи (PoW) і доказ частки володіння (PoS) механізми консенсусу.

Доказ виконання роботи – це механізм консенсусу, який використовується bitcoin і широким спектром інших криптовалют. 

Вперше розроблений у 1993 році комп’ютерними вченими Синтією Дворк (Cynthia Dwork) і Моні Наор (Moni Naor) як засіб запобігання спаму в електронній пошті. Накамото взяв цю концепцію й адаптував її для використання в децентралізованій грошовій системі.

PoW працює, вимагаючи від валідаторів, яких називають «майнерами», купувати, орендувати або передавати на аутсорсинг обчислювальне обладнання й спрямовувати його потужності на участь у криптографічному змаганні в обмін на нагороди. Цей процес більш відомий як майнінг криптовалют.

Повну інформацію щодо майнінгу можна знайти тут.

Вимагаючи від валідаторів інвестувати в обчислювальне обладнання та покривати поточні витрати, пов’язані з його експлуатацією, ідея PoW полягає в тому, що потенційним зловмисникам не захочеться витрачати стільки зусиль. Аналогічно, структура стимулів нагород за блоки – тобто нагород, отриманих за перемогу в змаганнях з майнінгу – означає, що за чесну участь можна отримати хорошу компенсацію.

Щодо забезпечення безпеки, то з ростом числа майнерів, що приєднуються до мережі, й вдосконаленням обладнання, вартість атаки на blockchain Bitcoin зростає експоненціально. Це пояснюється тим, що зловмиснику знадобилися б надзвичайно великі обчислювальні потужності, щоб отримати перевагу в 51 % над рештою мережі. Навіть тоді не було б гарантії, що вони виграватимуть змагання з майнінгу кожні десять хвилин,щоб успішно створити недійсний ланцюжок нових блоків.

Доказ частки володіння – це відносно новий тип механізму консенсусу, вперше запропонований Санні Кінгом (Sunny King) і Скоттом Надалем (Scott Nadal) у 2012 році. Як і доказ виконання роботи, PoS виконує ті ж ключові завдання механізму консенсусу, але унікальним, відмінним способом.

Щоб стати валідатором у blockchain на основі PoS, учасники повинні придбати й заблокувати певну суму нативної криптовалюти відповідного проєкту в смарт-контракті. Це називається стейкінг.

Смарт-контракт для стейкінгу фактично виконує функцію рахунка умовного зберігання й блокує токени на фіксований або змінний термін залежно від конкретних умов кожного блокчейн-протоколу.

Валідатори випадковим чином обираються протоколом для пропозиції нових блоків у встановлені часові інтервали, які часто називають епохами. Стейкери можуть збільшити ймовірність бути обраними для створення нових блоків, збільшуючи кількість токенів або монет, які вони виділяють для стейкінгу.

Ця система працює подібно до лотереї: чим більше у вас квитків, тим вищі ваші шанси зірвати джекпот. Але знову ж таки, немає жодних гарантій, що ви виграватимете щоразу, зовсім як у лотереї. Той, хто має один квиток, все ще може обіграти того, хто має тисячі лотерейних квитків. Те ж саме стосується стейкінгу криптовалют.

Peercoin була першою криптовалютою, яка впровадила цей механізм, хоча Ethereum, можливо, є, найвідомішим прикладом blockchain на основі PoS після завершення переходу з PoW у 2022 році.

На додаток до блокування токенів, деякі механізми консенсусу PoS, зокрема той, який використовує Ethereum, застосовують штрафи за нечесну поведінку через процес, що називається «слешинг». 

Якщо протокол підозрює зловмисну діяльність, заблоковані кошти особи можуть бути конфісковані або «скорочені» частково або повністю без попередження. Це примусово запобігає неналежній поведінці й допомагає забезпечити дотримання правил усіма учасниками мережі.

Окрім PoW і PoS, з’явилися десятки інших механізмів консенсусу, які є новими або комбінованими версіями вищезазначених механізмів. Кожна спроба вирішити проблему візантійських полководців різними способами. Серед них варто відзначити такі:

• Доказ повноважень (PoA)
• Доказ історії (PoH)
• Доказ важливості (PoI)
• Доказ місткості або підтвердження потужності (PoC)
• Доказ спалювання (PoB)
• Доказ повноважень (PoA)
• Делегований доказ частки володіння (DPoS)
• Доказ витраченого часу (PoET)

Хоча немає явного переможця серед найкращих механізмів консенсусу, багато хто вважає системи PoS і PoW найбільш ефективними.

Головна перевага PoW (майнінг) над PoS (стейкінг) полягає в тому, що він пропонує значно вищий рівень безпеки проти атак 51 % (атак більшості). Однак для досягнення такого високого рівня безпеки майнери колективно споживають величезні обсяги енергії, що в останні роки викликає серйозну стурбованість багатьох екологів, регуляторних органів й глобального бізнесу. Споживання енергії PoW – це складна тема, яку ми більш детально розглянули в нашій статті Розвінчання міфів про криптовалюти: «Bitcoin руйнує довкілля.»

З іншого боку, PoS є значно більш енергоефективним. Для стейкінгу не потрібні енергоємні машини, а кілька блоків можуть перевірятися одночасно за допомогою рішень для масштабування, зокрема шардингу. 

Водночас жоден із них не є ідеальним, і обидва мають власні проблеми з централізацією. У обох випадках ті, хто має більше грошей, можуть отримати несправедливу перевагу над іншими учасниками мережі.

У системах PoW великі майнінгові компанії домінують у галузі, що робить участь у ній фінансово недоцільною для дрібних майнерів-аматорів. 

У системах PoS ті, хто додає в стейкінг великі обсяги токенів, мають значно вищу ймовірність пропонувати нові блоки й отримувати нагороди порівняно з іншими учасниками мережі.

Проте можна стверджувати, що це природний побічний продукт більшості, якщо не всіх, механізмів консенсусу.

Тепер, коли ви знаєте все про механізми консенсусу, чи готові ви зробити наступний крок і купити криптовалюту на Kraken? Натисніть кнопку нижче, щоб інвестувати в криптовалюту на Kraken вже сьогодні!