Що таке і як працює консенсус Накамото?
Технологія блокчейн повністю змінила архітектуру платіжних систем і фінансових інструментів. Вона дає змогу здійснювати безпечні та децентралізовані транзакції, які фіксуються в незмінній базі даних. Однак для стабільної роботи тієї чи іншої мережі потрібна злагоджена діяльність її учасників, а також їхня згода щодо запису або зміни даних. Одним із механізмів, що дає змогу досягти цієї згоди, є консенсус Накамото.
Редакція Incrypted розібралася, як працює це рішення, з яких елементів складається, і для чого використовується в криптоіндустрії.
Що таке консенсус Накамото?
Консенсус Накамото — це механізм консенсусу блокчейна, що складається з декількох технічних рішень, які забезпечують цілісність даних і синхронне опрацювання транзакцій усіма залученими учасниками мережі.
Історія створення
Цей механізм з’явився на тлі фінансової кризи 2008 року, коли довіра до банківської системи сильно похитнулася, що занепокоїло анонімного розробника Сатоші Накамото.
31 жовтня 2008 року він опублікував технічний документ біткоїна, в якому виклав ідею децентралізованої альтернативи традиційних платіжних систем, побудованої на основі блокчейна.
Серед іншого, документ описував механізм, що забезпечує децентралізовану перевірку транзакцій і узгодження змісту блоків даних. Основним його елементом є доказ роботи (Proof-of-Work), проте система досягнення згоди між вузлами загалом дістала назву «консенсус Накамото» за ім’ям творця.
Основні елементи протоколу консенсусу
Консенсус Накамото включає дві основні складові:
- Алгоритм обробки транзакцій Proof-of-Work
Proof-of-Work передбачає проведення вузлами (майнерами) енергоємних обчислень для опрацювання транзакцій з їхнім подальшим додаванням у блокчейн.
- Правило найдовшого ланцюжка блоків
Оскільки теоретично існує можливість поділу (форку) блокчейна в разі відсутності консенсусу вузлів, механізм Накамото передбачає, що учасники в мережі в таких ситуаціях мають орієнтуватися на продовження найдовшого ланцюжка блоків.
Такий підхід дає змогу створити децентралізовану структуру, в якій користувачі довіряють сформованим раніше блокам, навіть якщо вони не брали участі в їхній перевірці. Таким чином виключається необхідність у централізованому органі для координації діяльності.
Принцип роботи
Підключені до мережі вузли змагаються між собою за додавання блоку транзакцій у блокчейн. Інформація, що міститься в ньому, автоматично шифрується у вигляді набору цифр і символів, які називаються хешем (приклад), і завдання майнера — підібрати правильний хеш шляхом математичних обчислень.
Перший майнер, який зуміє підібрати хеш блоку, а потім включити його в блокчейн, отримає нагороду в криптовалюті. Це необхідно, щоб компенсувати витрати на обчислення, а також створити стимули для лояльності майнерів.
Крім того, складність майнінгу може з часом змінюватися в більший або менший бік залежно від кількості активних учасників мережі та потужності їхнього обладнання. Цей аспект консенсусу Накамото необхідний, щоб забезпечити стабільні темпи формування нових блоків.
Роль майнінгу в забезпеченні консенсусу
Майнінг є складовою частиною алгоритму досягнення консенсусу Proof-of-Work, але також відіграє значну роль у розв’язанні завдання візантійських генералів і забезпеченні візантійської відмовостійкості (BFT).
BFT — це здатність системи продовжувати роботу в разі, якщо частина вузлів мережі несумлінно виконує свої функції і підтверджує транзакції, що суперечать правилам протоколу.
Видобуток блоків — це змагальний процес, однак підбір одним з учасників хеша не означає його автоматичне додавання до ланцюжка, — для цього необхідно, щоб інші користувачі перевірили і підтвердили його справжність. Консенсус Накамото передбачає додавання блоку в ланцюжок, якщо його підтвердили майнери із сукупним хешрейтом не менше 51% від загального показника мережі.
Завдяки такому механізму, навіть якщо майнер спробує додати в блокчейн недійсний блок, він не зможе цього зробити через необхідність отримати згоду інших вузлів. У цьому і суть консенсусу.
Які криптовалюти використовують консенсус Накамото?
Першою криптовалютою, побудованою на основі консенсусу Накамото, став біткоїн. Пізніше, завдяки використанню спільного вихідного коду, цей механізм успадкували і деякі форки першої криптовалюти на кшталт Bitcoin Cash (BCH), Litecoin (LTC) і Dogecoin (DOGE).
На початку свого розвитку Ethereum також застосовував цей механізм для підтримки цілісності мережі, проте у вересні 2022 року проєкт повністю перейшов на Proof-of-Stake із власним алгоритмом консенсусу LMD-GHOST.
Переваги та недоліки консенсусу Накамото
Консенсус Накамото — перше рішення для синхронізації децентралізованої мережі. Воно дає змогу здійснювати користувачам безпечні транзакції з мінімальним ризиком їхнього підроблення і підтримувати розподілену базу даних в актуальному стані без будь-якого адміністратора.
Водночас будь-який користувач може стати частиною системи безпеки блокчейна, під’єднавши апаратний пристрій і беручи участь у перевірці блоків.
З іншого боку, необхідність щоразу підбирати хеш для додавання блоку в блокчейн значно уповільнює виконання транзакцій.
Крім того, консенсус Накамото не застрахований від атаки 51%, — ситуації, коли більш ніж половина загального хешрейту мережі опиняється в руках учасників, які змовилися для отримання контролю над роботою блокчейна.
Нарешті, постійне опрацювання транзакцій і підбір хеша для включення блоку в ланцюжок призводить до надмірного споживання електроенергії. Наприклад, у 2021 році було зафіксовано, що процес майнінгу біткоїна щодня витрачає більше електрики, ніж уся Аргентина. До того ж, високий рівень конкуренції серед майнерів призводить до подорожчання обладнання та вартості його обслуговування, через що фінансовий і технічний поріг входу в цю сферу підвищується.
Майбутнє консенсусу Накамото
Консенсус Накамото відіграв важливе значення для розвитку криптовалютної індустрії, ставши першим механізмом, що забезпечив стабільну роботу блокчейна. Однак алгоритм Proof-of-Work ускладнює подальше вдосконалення децентралізованих мереж через проблеми з масштабованістю і низькою швидкістю виконання транзакцій.
До всього іншого, високе споживання електроенергії та «екослід» майнерів змушує держави регулювати майнінг, запроваджуючи обмеження і податки з видобутку криптовалют. Так, штат Нью-Йорк 2022 року оголосив мораторій на деякі види видобутку криптовалют через використання електроенергії, отриманої з викопного палива, а Ісландія з 2021 року припинила приймати нові заявки на підключення майнінг-ферм, щоб не допустити дефіциту в енергосистемі.
З цих причин більшість нових блокчейнів не використовують консенсус Накамото, надаючи перевагу екологічнішому і легко масштабованому алгоритму Proof-of-Stake, а деякі проєкти на кшталт Ethereum або Gnosis мігрують з енергомісткого Proof-of-Work на більш сучасні рішення.
Утім, хоча цей механізм із кожним роком продовжує втрачати актуальність, імовірно, він назавжди залишиться частиною індустрії та характерною особливістю криптовалют першого покоління, включно з біткоїном, Litecoin, Dogecoin та іншими.
Висновки
Консенсус Накамото — це ключовий механізм для існування децентралізованих мереж і криптовалют, що дав поштовх для формування і розвитку всієї блокчейн-індустрії. Попри свої недоліки, він продовжує виконувати свою функцію, забезпечуючи цілісність і безпеку ранніх криптовалют на кшталт біткоїна і деяких його форків.
