Czym jest i jak działa konsensus Nakamoto?
Technologia blockchain całkowicie zmieniła architekturę systemów płatności i instrumentów finansowych. Umożliwia bezpieczne i zdecentralizowane transakcje, które są rejestrowane w niezmiennej bazie danych. Stabilne działanie sieci wymaga jednak skoordynowanej aktywności jej uczestników, a także ich zgody na zapis lub modyfikację danych. Konsensus Nakamoto jest jednym z mechanizmów umożliwiających uzyskanie takiej zgody.
Redakcja Incrypted przyjrzała się, jak działa to rozwiązanie, z jakich elementów się składa i do czego jest wykorzystywane w branży kryptowalut.
Czym jest konsensus Nakamoto?
Konsensus Nakamoto to mechanizm konsensusu blockchain składający się z kilku rozwiązań technicznych, które zapewniają integralność danych i zsynchronizowane przetwarzanie transakcji przez wszystkich zaangażowanych uczestników sieci.
Historia powstania
Mechanizm ten pojawił się w kontekście kryzysu finansowego z 2008 roku, kiedy zaufanie do systemu bankowego zostało poważnie zachwiane, co zaniepokoiło anonimowego dewelopera Satoshi Nakamoto.
W dniu 31 października 2008 r. opublikował on białą księgę bitcoina, w której nakreślił ideę zdecentralizowanej alternatywy dla tradycyjnych systemów płatności opartych na blockchainie.
W dokumencie opisano między innymi mechanizm zapewniający zdecentralizowaną weryfikację transakcji i negocjację zawartości bloków danych. Jego głównym elementem jest Proof-of-Work, ale system osiągania porozumienia między węzłami w ogóle został nazwany “konsensusem Nakamoto” od nazwiska jego twórcy.
Główne elementy protokołu konsensusu
Konsensus Nakamoto obejmuje dwa główne elementy:
- Algorytm przetwarzania transakcji Proof-of-Work
Proof-of-Work polega na wykonywaniu przez górników energochłonnych obliczeń w celu przetworzenia transakcji, a następnie dodania ich do łańcucha bloków.
- Najdłuższa reguła blockchain
Ponieważ teoretycznie możliwy jest podział (rozwidlenie) łańcucha bloków, jeśli nie ma konsensusu między węzłami, mechanizm Nakamoto przewiduje, że uczestnicy sieci w takich sytuacjach powinni kierować się kontynuacją najdłuższego łańcucha bloków.
Takie podejście pozwala na stworzenie zdecentralizowanej struktury, w której użytkownicy ufają wcześniej utworzonym blokom, nawet jeśli nie uczestniczyli w ich weryfikacji. Eliminuje to potrzebę istnienia scentralizowanego organu koordynującego działania.
Zasada działania
Węzły podłączone do sieci rywalizują o dodanie bloku transakcji do łańcucha bloków. Zawarte w nim informacje są automatycznie szyfrowane jako zestaw liczb i symboli zwany hashem (przykład), a zadaniem górnika jest znalezienie odpowiedniego hasha za pomocą obliczeń matematycznych.
Pierwszy górnik, któremu uda się znaleźć hash bloku, a następnie włączyć go do łańcucha bloków, otrzyma nagrodę w kryptowalucie. Ma to na celu zrekompensowanie kosztów obliczeń, a także stworzenie zachęt do lojalności górników.
Ponadto trudność wydobycia może zmieniać się mniej lub bardziej w czasie, w zależności od liczby aktywnych uczestników sieci i mocy ich sprzętu. Ten aspekt konsensusu Nakamoto jest niezbędny do zapewnienia stałego tempa generowania nowych bloków.
Rola górnictwa w zapewnieniu konsensusu
Wydobywanie jest integralną częścią algorytmu konsensusu Proof-of-Work, ale odgrywa również znaczącą rolę w rozwiązywaniu bizantyjskiego problemu generałów i zapewnianiu bizantyjskiej tolerancji błędów (BFT).
BFT to zdolność systemu do kontynuowania działania w przypadku, gdy część węzłów w sieci zachowuje się niewłaściwie i potwierdza transakcje, które są sprzeczne z zasadami protokołu.
Wydobywanie bloków jest procesem konkurencyjnym, ale wybór hasha przez jednego uczestnika nie powoduje automatycznego dodania go do łańcucha – wymaga weryfikacji i zatwierdzenia przez resztę użytkowników. Konsensus Nakamoto polega na tym, że blok zostanie dodany do łańcucha, jeśli zostanie zweryfikowany przez górników z łącznym wskaźnikiem hash wy noszącym co najmniej 51% całkowitej liczby sieci.
Dzięki temu mechanizmowi, nawet jeśli górnik spróbuje dodać nieprawidłowy blok do łańcucha bloków, nie będzie mógł tego zrobić ze względu na konieczność uzyskania zgody innych węzłów. To jest właśnie istota konsensusu.
Jakie kryptowaluty wykorzystują konsensus Nakamoto?
Pierwszą kryptowalutą opartą na konsensusie Nakamoto był Bitcoin. Później, ze względu na wykorzystanie wspólnego kodu źródłowego, niektóre forki pierwszej kryptowaluty, takie jak Bitcoin Cash (BCH), Litecoin (LTC) i Dogecoin (DOGE), również odziedziczyły ten mechanizm.
Na początku swojego rozwoju Ethereum również wykorzystywało ten mechanizm do wspierania integralności sieci, ale we wrześniu 2022 r. projekt całkowicie przeszedł na Proof-of-Stake z własnym algorytmem konsensusu LMD-GHOST.
Zalety i wady konsensusu Nakamoto
Konsensus Nakamoto – pierwsze rozwiązanie do synchronizacji zdecentralizowanej sieci. Umożliwia użytkownikom dokonywanie bezpiecznych transakcji przy minimalnym ryzyku manipulacji i aktualizowanie rozproszonej bazy danych bez udziału administratora.
Jednocześnie każdy użytkownik może stać się częścią systemu bezpieczeństwa blockchain, podłączając urządzenie sprzętowe i uczestnicząc w weryfikacji blockchain.
Z drugiej strony, konieczność dopasowania hasha za każdym razem, gdy blok jest dodawany do łańcucha bloków, znacznie spowalnia wykonywanie transakcji.
Ponadto konsensus Nakamoto nie jest odporny na atak 51%, czyli sytuację, w której ponad połowa całkowitego hashrate’u sieci trafia w ręce uczestników, którzy spiskują w celu przejęcia kontroli nad działaniem blockchaina.
Wreszcie, ciągłe przetwarzanie transakcji i wybór skrótu w celu włączenia bloku do łańcucha bloków prowadzi do nadmiernego zużycia energii. Na przykład w 2021 r. odnotowano, że proces wydobywania bitcoinów zużywa dziennie więcej energii elektrycznej niż cały kraj Argentyny. Ponadto wysoki poziom konkurencji wśród górników prowadzi do wyższych kosztów sprzętu i utrzymania, co podnosi finansowy i techniczny próg wejścia w tę dziedzinę.
Przyszłość konsensusu Nakamoto
Konsensus Nakamoto odegrał ważną rolę w rozwoju branży kryptowalut, będąc pierwszym mechanizmem zapewniającym stabilne działanie łańcucha bloków. Algorytm Proof-of-Work utrudnia jednak dalsze ulepszanie zdecentralizowanych sieci ze względu na kwestie skalowalności i powolne prędkości wykonywania transakcji.
Co więcej, wysokie zużycie energii i “ślad węglowy” górników zmusza państwa do regulowania wydobycia poprzez nakładanie ograniczeń i podatków na wydobycie kryptowalut. Na przykład stan Nowy Jork w 2022 r. ogłosił moratorium na niektóre rodzaje wydobycia kryptowalut ze względu na zużycie energii elektrycznej pochodzącej z paliw kopalnych, a Islandia przestała przyjmować nowe wnioski o przyłączenie farm górniczych od 2021 r., aby zapobiec deficytowi w systemie energetycznym.
Z tych powodów większość nowych blockchainów nie korzysta z konsensusu Nakamoto, preferując bardziej ekologiczny i łatwo skalowalny algorytm Proof-of-Stake, podczas gdy niektóre projekty, takie jak Ethereum czy Gnosis, migrują z energochłonnego Proof-of-Work do bardziej nowoczesnych rozwiązań.
Niemniej jednak, chociaż mechanizm ten z każdym rokiem traci na znaczeniu, prawdopodobnie na zawsze pozostanie częścią branży i charakterystyczną cechą kryptowalut pierwszej generacji, w tym bitcoina, litecoina, dogecoina i innych.
Wnioski
Konsensus Nakamoto jest kluczowym mechanizmem dla istnienia zdecentralizowanych sieci i kryptowalut i był impulsem do powstania i rozwoju całej branży blockchain. Pomimo swoich wad, nadal spełnia swoją funkcję, zapewniając integralność i bezpieczeństwo wczesnych kryptowalut, takich jak bitcoin i niektóre z jego forków.
