Що таке алгоритм досягнення консенсусу в блокчейні?
В централізованій системі процес ухвалення рішень та контроль зосереджені в руках одного органу, який може самостійно впроваджувати зміни, оминаючи складний процес досягнення згоди щодо цього між численними учасниками. Однак у децентралізованій системі, такій як блокчейн, все змінюється.
Головною проблемою стає забезпечення домовленості в середовищі, де учасники не знають і не довіряють один одному. Тут у гру вступає алгоритм досягнення консенсусу, який слугує фундаментальним механізмом у розподілених системах.
У цій статті ми розглянули, наскільки ця концепція є життєво важливою для функціонування криптовалют і розподілених систем.
Що таке консенсус у блокчейні?
Консенсус у блокчейні — це процес встановлення згоди між вузлами (нодами, користувачами), які є учасниками мережі щодо того, які записи (транзакції) вважати дійсними. Механізми консенсусу представляють собою набори правил, що дозволяють досягати цього узгодження і одночасно захищати мережу від недобросовісних дій та кібератак.
Ці правила є основою механізму, який допомагає вузлам вибрати правильний блок для додавання до ланцюга, забезпечуючи таким чином безпечне функціонування мережі. Основні аспекти блокчейну, які можуть включати час блоку, його максимальний розмір, цифровий підпис та інше також визначаються цими правилами. Це створює узгоджену основу, на якій працює вся блокчейн-система.
Коли з’являється новий блок, кожен повний вузол проводить його ретельну перевірку згідно з правилами консенсусу. У разі успіху блок додається до ланцюга. В протилежному випадку, блок відкидається як невалідний, і його місце займає наступний блок.
Для досягнення консенсусу необхідно, щоб більшість вузлів прийняла однакове рішення щодо даних, і всі вони мають зробити це узгоджено, незважаючи на те, що деякі з них можуть порушувати правила або бути недостовірними.
Що таке алгоритм досягнення консенсусу і чому він важливий?
Алгоритм досягнення консенсусу — це механізм, який дозволяє всім учасникам мережі домовитися про поточний її стан. Він гарантує, що кожен новий блок представляє собою єдину версію, погоджену всіма вузлами.
Завданнями алгоритму консенсусу є не тільки досягнення загальної згоди, але й сприяння співпраці та кооперації, забезпечення рівних прав і відповідальностей для кожного вузла, а також включення всіх учасників в процес досягнення згоди.
Ефективний алгоритм консенсусу має задовольняти кілька критичних вимог:
- децентралізація. Механізми консенсусу повинні бути розроблені таким чином, щоб жодна особа не мала контролю над мережею. Це гарантує, що мережа стійка до атак і залишається стійкою навіть у разі збою вузла;
- безпека. Вони мають бути стійкими до атак, забезпечуючи захист від маніпуляцій зловмисників, таких, наприклад, як подвійне витрачання коштів;
- масштабованість. У міру того, як кількість транзакцій у мережі зростає, алгоритми консенсусу повинні бути в змозі впоратися зі збільшеним навантаженням без шкоди для продуктивності чи безпеки;
- універсальність доступу. Кожен учасник мережі повинен мати змогу взаємодіяти з алгоритмом консенсусу, незалежно від своїх обчислювальних або фінансових можливостей.
Алгоритм досягнення консенсусу важливий для блокчейну, тому що цей механізм дозволяє всім учасникам узгодити поточний стан мережі. Без таких алгоритмів неможливо було б переконатися, що кожен юзер бачить одне й те саме, що могло б зробити систему вразливою для хакерів та шахраїв.
Основні типи алгоритмів досягнення консенсусу
Існують різні типи алгоритмів механізму консенсусу, кожен з яких працює за різними принципами.
- Proof-of-Work (PoW) є одним з найперших і найвідоміших алгоритмів консенсусу. Його основна ідея полягає в тому, щоб майнери, використовуючи спеціалізоване потужне обладнання, змагалися у вирішенні складних математичних задач для створення нового блока. Задача полягає у знаходженні правильного хешу блока. Цей процес вимагає перебору тисяч варіантів за секунду. Переможець, який першим знаходить потрібне значення, отримує право додати новий блок до ланцюга та винагороду в криптовалюті.
Майнери використовують різні методи для для видобутку криптоактивів, такі як відеокарти (GPU), центральні процесори (CPU), програмовані логічні інтегральні схеми (FPGA) та спеціалізовані мікросхеми для (ASIC). Також існують пули, де учасники об’єднують свої ресурси для збільшення шансів на успіх.
- Proof-of-Stake (PoS) — це екологічна альтернатива PoW. У цьому типі консенсусного алгоритму, замість інвестицій в дороге обладнання для розв’язання складних задач, валідатори інвестують в криптовалюту системи, блокуючи деяку кількість своїх монет на користь депозитного контракту.
Далі всі учасники беруть участь у перевірці блоків. Чим більше коштів юзер має на своєму рахунку, тим вища ймовірність того, що мережа дозволить йому створити новий блок. Замість майнерів, таких учасників називають валідаторами. Вони, як і майнери, також отримують винагороду за свою роботу в криптовалюті.
У мережах з алгоритмом PoS вузлам не потрібно конкурувати і виконувати велику кількість складних обчислень, що значно підвищує швидкість транзакцій.
- Delegated-Proof-of-Stake (DPoS) є розширенням концепції PoS. Цей механізм вирізняється тим, що дозволяє учасникам мережі із великою часткою активів обирати обмежену кількість валидаторів, які будуть відповідати за створення нових блоків у блокчейні.
Користувачі мережі голосують за делегатів, використовуючи свої монети як голоси — чим більше монет інвестовано в певного делегата, тим більший вплив має голос цього користувача. Делегати, які набрали найбільшу кількість голосів, отримують право на створення блоків і винагороду за свою роботу у вигляді транзакційних комісій або новостворених монет.
- Proof-of-Activity (PoA) є ще одним типом алгоритма консенсусу, який об’єднує в собі принципи роботи PoW і PoS. Процес починається аналогічного PoW: майнери використовують спеціалізоване обладнання для обчислення правильного хеша нового блоку. Після успішного видобутку блоку майнер оголошує про його знаходження, відправляючи дані в мережу, після чого система переходить до механізму PoS.
Для того, щоб новий блок був доданий у блокчейн, він має бути підписаний певною кількістю PoS-майнерів. Винагороду за створення блоку потім розподіляють між учасниками, які беруть участь у PoW і PoS процесах.
- Proof-of-Burn (PoB) – концепція консенсусу, в основі якої лежить ідея «спалення» монет, тобто відправлення монет на спеціальну адресу, з якої їх неможливо вилучити.
У системах, які використовують PoB, майнери або валідатори знищують, або «спалюють», певну кількість монет як доказ своєї участі у мережі. Ця дія створює шанс для валідаторів бути обраними для створення нового блоку і отримання винагороди за його додавання до блокчейна. Такий механізм спонукає учасників до довгострокових інвестицій у мережу, оскільки для отримання права на майнінг вони мусять зробити значну попередню інвестицію.
- Proof-of-Importance (POI) є аналогом PoS, де право на видобуток нового блоку надається активному користувачеві, який не тільки має більше коштів на рахунку, але й проводить більше часу у мережі.
- Proof-of-Capacity (PoC) — екологічний аналог PoW, право на видобуток блоку надається майнеру з більшим доступним простором на жорсткому диску.
Також існують кілька інших типів алгоритмів консенсусу, як от Proof-of-Location (PoL), суть якого полягає у відстеженні місцезнаходження цифрових активів за допомогою спеціальних маячків для запобігання шахрайству в мережі, а також Proof-of-Elapsed-Time (PoET), принцип роботи якого полягає у генерації випадкового часу очікування для блоку. Нода «засинає» рівно на цей час, а перша, яка прокидається, отримує право на валідацію та додавання блоку до ланцюга.
Переваги та недоліки різних алгоритмів
У кожного з вищезгаданих типів алгоритму консенсусу існують як свої переваги, так і недоліки.
| Тип алгоритму | Переваги | Недоліки |
| PoW | Надійність, високий рівень безпеки | Неекологічність та висока енергозатратність |
| PoS | Висока швидкість обробки транзакцій, енергоефективність | Нижчий рівень безпеки порівняно з PoW, менший рівень децентралізації |
| DPoS | Висока швидкість обробки транзакцій | Схильність до централізації |
| PoA | Обробляє велику кількість транзакцій в секунду, стійкість до кібератак та шахрайства | Схильність до централізації |
| PoB | Високий рівень безпеки, стимулювання довгострокової участі | Марнотратство ресурсів |
| PoL | Висока енергоефективність та децентралізація | Низький рівень масштабованості, складність обчислень |
Висновки
Алгоритми досягнення консенсусу продовжують відігравати ключову роль у функціонуванні криптовалют. Без них сама суть блокчейн-технологій була б втрачена.
Proof-of-Work, як фундаментальне нововведення біткоїну, демонструє ефективність консенсусних алгоритмів у досягненні угоди між учасниками без потреби в центральному органі. Однак, пошуки надійних та ефективних альтернатив продовжуються, враховуючи енергомісткість та високі вимоги до обчислювальних ресурсів PoW.
Велика кількість досліджень спрямована на розробку та впровадження нових консенсусних алгоритмів, які можуть запропонувати більшу екологічність, доступність та масштабованість. Це відкриває перспективи для подальшого розвитку технології.
Таким чином, механізми консенсусу продовжують бути наріжним каменем блокчейну, а їх постійний розвиток та вдосконалення залишатимуться ключовими для успіху цифрових валют і блокчейн-технологій в цілому.
