Что такое и как работает консенсус Накамото?
Технология блокчейн полностью изменила архитектуру платежных систем и финансовых инструментов. Она позволяет совершать безопасные и децентрализованные транзакции, которые фиксируются в неизменяемой базе данных. Однако для стабильной работы той или иной сети требуется слаженная деятельность ее участников, а также их согласие в отношении записи или изменения данных. Одним из механизмов, позволяющих достичь этого согласия, является консенсус Накамото.
Редакция Incrypted разобралась, как работает это решение, из каких элементов состоит, и для чего используется в криптоиндустрии.
Что такое консенсус Накамото?
Консенсус Накамото –– это механизм консенсуса блокчейна, состоящий из нескольких технических решений, которые обеспечивают целостность данных и синхронную обработку транзакций всеми вовлеченными участниками сети.
История создания
Данный механизм появился на фоне финансового кризиса 2008 года, когда доверие к банковской системе сильно пошатнулось, что обеспокоило анонимного разработчика Сатоши Накамото.
31 октября 2008 года он опубликовал технический документ биткоина, в котором изложил идею децентрализованной альтернативы традиционных платежных систем, построенной на основе блокчейна.
Среди прочего, документ описывал механизм, обеспечивающий децентрализованную проверку транзакций и согласование содержания блоков данных. Основным его элементом является доказательство работы (Proof-of-Work), однако система достижения согласия между узлами в целом получила название «консенсус Накамото» по имени создателя.
Основные элементы протокола консенсуса
Консенсус Накамото включает две основные составляющие:
- Алгоритм обработки транзакций Proof-of-Work
Proof-of-Work предусматривает проведение узлами (майнерами) энергоемких вычислений для обработки транзакций с их последующим добавлением в блокчейн.
- Правило самой длинной цепочки блоков
Поскольку теоретически существует возможность разделения (форка) блокчейна в случае отсутствия консенсуса узлов, механизм Накамото предусматривает, что участники в сети в таких ситуациях должны ориентироваться на продолжение самой длинной цепочки блоков.
Такой подход позволяет создать децентрализованную структуру, в которой пользователи доверяют сформированным ранее блокам, даже если они не принимали участия в их проверке. Таким образом исключается необходимость в централизованном органе для координации деятельности.
Принцип работы
Подключенные к сети узлы соревнуются между собой за добавление блока транзакций в блокчейн. Содержащаяся в нем информация автоматически шифруется в виде набора цифр и символов, именуемых хешем (пример) и задача майнера — подобрать правильный хеш путем математических вычислений.
Первый майнер, который сумеет подобрать хеш блока, а затем включить его в блокчейн, получит награду в криптовалюте. Это необходимо, чтобы компенсировать расходы на вычисления, а также создать стимулы для лояльности майнеров.
Кроме того, сложность майнинга может со временем меняться в большую или меньшую сторону в зависимости от количества активных участников сети и мощности их оборудования. Этот аспект консенсуса Накамото необходим, чтобы обеспечить стабильные темпы формирования новых блоков.
Роль майнинга в обеспечении консенсуса
Майнинг является составной частью алгоритма достижения консенсуса Proof-of-Work, но также играет значительную роль в решении задачи византийских генералов и обеспечении византийской отказоустойчивости (BFT).
BFT – это способность системы продолжать работу в случае, если часть узлов сети недобросовестно выполняет свои функции и подтверждает транзакции, противоречащие правилам протокола.
Добыча блоков –– это соревновательный процесс, однако подбор одним из участников хеша не означает его автоматическое добавление в цепочку, — для этого необходимо, чтобы остальные пользователи проверили и подтвердили его подлинность. Консенсус Накамото предусматривает добавление блока в цепочку, если его подтвердили майнеры с совокупным хешрейтом не менее 51% от общего показателя сети.
Благодаря такому механизму, даже если майнер попробует добавить в блокчейн недействительный блок, он не сможет этого сделать из-за необходимости получить согласие остальных узлов. В этом и суть консенсуса.
Какие криптовалюты используют консенсус Накамото?
Первой криптовалютой, построенной на основе консенсуса Накамото, стал биткоин. Позже, за счет использования общего исходного кода, этот механизм унаследовали и некоторые форки первой криптовалюты вроде Bitcoin Cash (BCH), Litecoin (LTC) и Dogecoin (DOGE).
В начале своего развития Ethereum также применял данный механизм для поддержки целостности сети, однако в сентябре 2022 года проект полностью перешел на Proof-of-Stake с собственным алгоритмом консенсуса LMD-GHOST.
Преимущества и недостатки консенсуса Накамото
Консенсус Накамото –– первое решение для синхронизации децентрализованной сети. Оно позволяет совершать пользователям безопасные транзакции с минимальным риском их подделки и поддерживать распределенную базу данных в актуальном состоянии без какого-либо администратора.
При этом любой пользователь может стать частью системы безопасности блокчейна, подключив аппаратное устройство, и участвуя в проверке блоков.
С другой стороны, необходимость каждый раз подбирать хеш для добавления блока в блокчейн значительно замедляет исполнение транзакций.
Кроме того, консенсус Накамото не застрахован от атаки 51%, — ситуации, когда более половины общего хешрейта сети оказывается в руках участников, сговорившихся для получения контроля над работой блокчейна.
Наконец, постоянная обработка транзакций и подбор хеша для включения блока в цепочку приводит к чрезмерному потреблению электроэнергии. Например, в 2021 году было зафиксировано, что процесс майнинга биткоина ежедневно расходует больше электричества, чем вся Аргентина. К тому же, высокий уровень конкуренции среди майнеров приводит к удорожанию оборудования и стоимости его обслуживания, из-за чего финансовый и технический порог входа в эту сферу повышается.
Будущее консенсуса Накамото
Консенсус Накамото сыграл важное значение для развития криптовалютной индустрии, став первым механизмом, обеспечившим стабильную работу блокчейна. Однако алгоритм Proof-of-Work усложняет дальнейшее совершенствование децентрализованных сетей из-за проблем с масштабируемостью и низкой скорости исполнения транзакций.
Ко всему прочему, высокое потребление электроэнергии и «экослед» майнеров вынуждает государства регулировать майнинг, вводя ограничения и налоги по добыче криптовалют. Так, штат Нью-Йорк в 2022 году объявил мораторий на некоторые виды добычи криптовалют из-за использования электроэнергии, полученной из ископаемого топлива, а Исландия с 2021 года перестала принимать новые заявки на подключение майнинг-ферм, чтобы не допустить дефицита в энергосистеме.
По этим причинам большинство новых блокчейнов не используют консенсус Накамото, предпочитая более экологичный и легко масштабируемый алгоритм Proof-of-Stake, а некоторые проекты вроде Ethereum или Gnosis мигрируют с энергоемкого Proof-of-Work на более современные решения.
Впрочем, хотя данный механизм с каждым годом продолжает терять актуальность, вероятно, он навсегда останется частью индустрии и отличительной особенностью криптовалют первого поколения, включая биткоин, Litecoin, Dogecoin и другие.
Выводы
Консенсус Накамото –– это ключевой механизм для существования децентрализованных сетей и криптовалют, давший толчок для формирования и развития всей блокчейн-индустрии. Несмотря на свои недостатки, он продолжает выполнять свою функцию, обеспечивая целостность и безопасность ранних криптовалют вроде биткоина и некоторых его форков.
