Czym jest algorytm konsensusu blockchain?
W scentralizowanym systemie podejmowanie decyzji i kontrola są skoncentrowane w rękach jednego organu, który może samodzielnie wdrażać zmiany, omijając złożony proces osiągania porozumienia między wieloma uczestnikami. Jednak w systemie zdecentralizowanym, takim jak blockchain, wszystko się zmienia.
Głównym wyzwaniem staje się zapewnienie porozumienia w środowisku, w którym uczestnicy nie znają się i nie ufają sobie nawzajem. W tym miejscu do gry wkracza algorytm konsensusu, który służy jako podstawowy mechanizm w systemach rozproszonych.
W tym artykule zbadaliśmy, w jaki sposób koncepcja ta ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania kryptowalut i systemów rozproszonych.
Czym jest konsensus w blockchain?
Konsensus w blockchainie to proces ustanawiania porozumienia między węzłami (węzłami, użytkownikami) będącymi uczestnikami sieci co do tego, które zapisy (transakcje) uznać za ważne. Mechanizmy konsensusu to zestawy reguł, które umożliwiają osiągnięcie tego porozumienia, jednocześnie chroniąc sieć przed nieuczciwymi działaniami i cyberatakami.
Zasady te stanowią podstawę mechanizmu, który pomaga węzłom wybrać prawidłowy blok do dodania do łańcucha, zapewniając w ten sposób bezpieczne funkcjonowanie sieci. Kluczowe aspekty łańcucha bloków, które mogą obejmować czas bloku, maksymalny rozmiar bloku, podpis cyfrowy i inne, są również określane przez te zasady. Tworzy to spójne ramy, na których działa cały system blockchain.
Kiedy pojawia się nowy blok, każdy pełny węzeł sprawdza go zgodnie z zasadami konsensusu. Jeśli się powiedzie, blok jest dodawany do łańcucha. W przeciwnym razie blok jest odrzucany jako nieważny, a jego miejsce zajmuje następny blok.
Konsensus wymaga, aby większość węzłów podejmowała tę samą decyzję dotyczącą danych, a wszystkie z nich muszą to robić w spójny sposób, nawet jeśli niektóre z nich mogą naruszać zasady lub być niewiarygodne.
Czym jest algorytm konsensusu i dlaczego jest ważny?
Algorytm konsensusu to mechanizm, który pozwala wszystkim uczestnikom sieci uzgodnić aktualny stan sieci. Zapewnia on, że każdy nowy blok reprezentuje pojedynczą wersję uzgodnioną przez wszystkie węzły.
Celem algorytmu konsensusu jest nie tylko osiągnięcie wspólnego porozumienia, ale także promowanie współpracy i współpracy, zapewnienie równych praw i obowiązków dla każdego węzła oraz włączenie wszystkich uczestników w proces porozumienia.
Skuteczny algorytm konsensusu musi spełniać kilka krytycznych wymagań:
- decentralizacja. Mechanizmy konsensusu muszą być zaprojektowane w taki sposób, aby żadna pojedyncza osoba nie miała kontroli nad siecią. Gwarantuje to, że sieć jest odporna na ataki i pozostaje odporna nawet w przypadku awarii węzła;
- bezpieczeństwo. Muszą one być odporne na ataki, zapewniając ochronę przed manipulacjami ze strony złośliwych podmiotów, takimi jak podwójne wydatki;
- skalowalność. Wraz ze wzrostem liczby transakcji w sieci, algorytmy konsensusu muszą być w stanie poradzić sobie ze zwiększonym obciążeniem bez uszczerbku dla wydajności lub bezpieczeństwa;
- powszechność dostępu. Każdy uczestnik sieci musi mieć możliwość interakcji z algorytmem konsensusu, niezależnie od swoich możliwości obliczeniowych lub finansowych.
Algorytm konsensusu jest ważny dla łańcucha bloków, ponieważ mechanizm ten pozwala wszystkim uczestnikom uzgodnić aktualny stan sieci. Bez takich algorytmów niemożliwe byłoby zapewnienie, że każdy użytkownik widzi to samo, co mogłoby uczynić system podatnym na ataki hakerów i oszustów.
Główne rodzaje algorytmów konsensusu
Istnieją różne rodzaje algorytmów mechanizmu konsensusu, z których każdy działa na innych zasadach.
- Proof-of-Work (PoW) to jeden z najwcześniejszych i najbardziej znanych algorytmów konsensusu. Jego podstawowa idea polega na tym, że górnicy, wykorzystując wyspecjalizowany, potężny sprzęt, rywalizują w rozwiązywaniu złożonych problemów matematycznych w celu utworzenia nowego bloku. Wyzwaniem jest znalezienie poprawnego skrótu bloku. Proces ten wymaga wypróbowania tysięcy opcji w ciągu sekundy. Zwycięzca, który jako pierwszy znajdzie właściwą wartość, otrzymuje prawo do dodania nowego bloku do łańcucha i nagrodę w kryptowalucie.
Górnicy używają różnych metod do wydobywania aktywów kryptograficznych, takich jak karty graficzne (GPU), jednostki centralne (CPU), programowalne logiczne układy scalone (FPGA) i wyspecjalizowane układy scalone (ASIC). Istnieją również pule, w których uczestnicy łączą swoje zasoby, aby zwiększyć szanse na sukces.
- Proof-of-Stake (PoS) to ekologiczna alternatywa dla PoW. W tym typie algorytmu konsensusu, zamiast inwestować w drogi sprzęt do rozwiązywania złożonych problemów, walidatorzy inwestują w kryptowalutę systemu, blokując pewną ilość swoich monet na rzecz kontraktu depozytowego.
Następnie wszyscy uczestnicy są zaangażowani w walidację blockchain. Im więcej środków użytkownik posiada na swoim koncie, tym bardziej prawdopodobne jest, że sieć pozwoli mu na utworzenie nowego bloku. Zamiast górników, uczestnicy ci nazywani są walidatorami. Oni, podobnie jak górnicy, są również wynagradzani za swoją pracę w kryptowalucie.
W sieciach z algorytmem PoS węzły nie muszą konkurować i wykonywać dużej liczby złożonych obliczeń, co znacznie zwiększa szybkość transakcji.
- Delegated-Proof-of-Stake (DPoS) jest rozszerzeniem koncepcji PoS. Mechanizm ten różni się tym, że pozwala bogatym w aktywa uczestnikom sieci wybrać ograniczoną liczbę walidatorów, którzy będą odpowiedzialni za tworzenie nowych bloków w łańcuchu bloków.
Użytkownicy sieci głosują na delegatów, wykorzystując swoje monety jako głosy – im więcej monet zainwestowano w konkretnego delegata, tym większy wpływ ma głos tego użytkownika. Delegaci z największą liczbą głosów mogą tworzyć bloki i są nagradzani za swoją pracę w postaci opłat transakcyjnych lub nowo utworzonych monet.
- Proof-of-Activity (PoA) to kolejny rodzaj algorytmu konsensusu, który łączy w sobie zasady PoW i PoS. Proces rozpoczyna się podobnie do PoW: górnicy używają specjalistycznego sprzętu do obliczania poprawnego skrótu nowego bloku. Po pomyślnym wydobyciu bloku górnik ogłasza swoje odkrycie, wysyłając dane do sieci, po czym system przełącza się na mechanizm PoS.
Aby nowy blok został dodany do łańcucha bloków, musi zostać podpisany przez określoną liczbę górników PoS. Nagroda za utworzenie bloku jest następnie rozdzielana pomiędzy uczestników, którzy biorą udział w procesach PoW i PoS.
- Proof-of-Burn ( PoB) to koncepcja konsensusu oparta na idei “spalania” monet, czyli wysyłania monet na specjalny adres, z którego nie można ich wycofać.
W systemach wykorzystujących PoB, górnicy lub walidatorzy niszczą lub “palą” określoną liczbę monet jako dowód ich uczestnictwa w sieci. Działanie to stwarza szansę dla walidatorów, którzy zostaną wybrani do utworzenia nowego bloku i otrzymają nagrodę za dodanie go do łańcucha bloków. Mechanizm ten zachęca uczestników do dokonywania długoterminowych inwestycji w sieć, ponieważ muszą oni dokonać znacznej inwestycji z góry, aby zakwalifikować się do praw wydobywczych.
- Proof-of-Importance (POI ) jest analogiem PoS, w którym prawo do wydobycia nowego bloku jest przyznawane aktywnemu użytkownikowi, który nie tylko ma więcej środków na koncie, ale także spędza więcej czasu w sieci.
- Proof-of-Capacity (PoC ) to ekologiczny odpowiednik PoW, w którym prawo do wydobycia bloku przyznawane jest górnikowi z większą ilością dostępnego miejsca na dysku twardym.
Istnieje również kilka innych rodzajów algorytmów konsensusu, takich jak Proof-of-Location (PoL), którego istotą jest śledzenie lokalizacji zasobów cyfrowych za pomocą specjalnych beaconów w celu zapobiegania oszustwom w sieci, a także Proof-of-Elapsed-Time (PoET), którego zasadą jest generowanie losowego czasu oczekiwania na blok. Węzeł “zasypia” dokładnie na ten czas, a pierwszy, który się obudzi, może zatwierdzić i dodać blok do łańcucha.
Zalety i wady różnych algorytmów
Każdy z wyżej wymienionych typów algorytmów konsensusu ma zarówno zalety, jak i wady.
| Typ algorytmu | Zalety | Wady |
| PoW | Niezawodność, wysoki poziom bezpieczeństwa | Nieekologiczne i wysokie zużycie energii |
| PoS | Wysoka prędkość przetwarzania transakcji, efektywność energetyczna | Niższy poziom bezpieczeństwa w porównaniu do PoW, mniejsza decentralizacja |
| DPoS | Wysoka prędkość przetwarzania transakcji | Tendencja do centralizacji |
| PoA | Przetwarza dużą liczbę transakcji na sekundę, odporny na cyberataki i oszustwa | Tendencja do centralizacji |
| PoB | Wysoki poziom bezpieczeństwa, zachęca do długoterminowego uczestnictwa | Marnotrawstwo zasobów |
| PoL | Wysoka efektywność energetyczna i decentralizacja | Niska skalowalność, złożoność obliczeniowa |
Wnioski
Algorytmy konsensusu nadal odgrywają kluczową rolę w funkcjonowaniu kryptowalut. Bez nich sama istota technologii blockchain zostałaby utracona.
Proof-of-Work, jako fundamentalna innowacja bitcoina, pokazuje skuteczność algorytmów konsensusu w osiąganiu porozumienia między uczestnikami bez potrzeby posiadania centralnego organu. Poszukiwania niezawodnych i wydajnych alternatyw trwają jednak nadal, biorąc pod uwagę energochłonne i wysokie wymagania PoW w zakresie zasobów obliczeniowych.
Wiele badań ukierunkowanych jest na projektowanie i wdrażanie nowych algorytmów konsensusu, które mogą zaoferować większą przyjazność dla środowiska, dostępność i skalowalność. Otwiera to perspektywy dla dalszego rozwoju tej technologii.
Tak więc mechanizmy konsensusu nadal stanowią kamień węgielny blockchain, a ich ciągły rozwój i doskonalenie pozostaną kluczem do sukcesu walut cyfrowych i technologii blockchain w ogóle.
