ТОП-15 протоколів та алгоритмів консенсусу в блокчейні

Що таке алгоритм консенсусу?

Консенсус дуже важливий у всіх сферах нашого життя, використовуючи його, залучені сторони готові приймати рішення щодо важливих питань. Системи блокчейн не є винятком, оскільки вони використовують механізми консенсусу, що дозволяють учасникам досягти угоди у мережі. Без алгоритму консенсусу мережа блокчейнів представляє собою не більше, ніж незмінну базу даних. 

Блокчейн-проекти децентралізовані і не має центральної влади у мережі, тому їм важливі алгоритми консенсусу. Вони дозволяють вузлам укладати колективний договір один з одним, мотивувати учасників дотримуватись правил, забезпечувати справедливість, дозволяти уникнути таких проблем, як подвійне витрачання коштів, та забезпечувати відмовостійкість мережі. Механізм консенсусу залишається безпечним та функціональним.

Як працюють алгоритми консенсусу?

Алгоритми консенсусу життєво важливі у великомасштабних системах відмови, оскільки вони дозволяють набору розподілених/реплікованих машин або серверів працювати як єдина група і узгоджувати стан системи навіть у разі збоїв або простоїв. Для цього алгоритм встановлює поріг чи кількість машин-учасників, які мають досягти консенсусу чи угоди. Коли вони вирішують проблему консенсусу, алгоритми консенсусу припускають, що деякі процеси та системи будуть недоступні і що відповість лише частина вузлів. Вони також припускають, що деякі повідомлення будуть втрачені під час передачі. Однак потрібна відповідь доступних вузлів. Наприклад, алгоритм може вимагати, щоб принаймні 51% вузлів відповіли для досягнення консенсусу або угоди про значення даних чи стан мережі.

Це гарантує досягнення консенсусу з мінімальними ресурсами, навіть якщо інші ресурси недоступні або навіть несправні. Механізм також підтримує цілісність рішень, що приймаються узгоджуючими вузлами у відмовостійкій системі.

Застосування алгоритмів консенсусу у блокчейні

Алгоритми консенсусу мають безліч реальних застосувань у децентралізованих чи розподілених комп'ютерних мережах. Одним із найпоширеніших додатків є блокчейн.

Блокчейн — це розподілена книга, найбільш пов'язана з криптовалютою біткоїн. Ця децентралізована база даних колективно управляється розподіленими комп'ютерами чи вузлами у розподіленій одноранговій мережі. Кожен одноранговий вузол підтримує копію реєстру, щоб запобігти єдиній точці відмови. Будь-які оновлення або перевірки мережі відображаються в усіх копіях одночасно. Це гарантує точність та безпеку записів даних та створює довіру до системи без необхідності в централізованій довіреній третій стороні.

Мережі блокчейнів покладаються алгоритми консенсусу задля досягнення згоди між різними розподіленими вузлами. Механізм консенсусу, такий як доказ роботи (PoW) або доказ частки (PoS), захищає мережу та не дозволяє неавторизованим користувачам перевіряти неправильні транзакції. Цей механізм дозволяє узгодити мережу, навіть якщо жоден вузол не є відповідальним.

Інші застосування алгоритмів консенсусу

На основі базового механізму алгоритми консенсусу вирішують, чи слід фіксувати розподілену транзакцію в базі даних. Вони також зазвичай використовуються для синхронізації даних у децентралізованій мережі та забезпечення узгодженості та прозорості транзакцій. Алгоритми консенсусу також використовуються для надання вузлу статусу лідера.

Алгоритми консенсусу синхронізують репліки кінцевого автомату та забезпечують узгодженість між ними. Вони часто використовуються для забезпечення довіри та безпеки в децентралізованій комп'ютерній мережі, такій як блокчейн, і дуже корисні для записів.

Крім блокчейну та криптовалют, ці алгоритми підтримують безліч реальних обчислювальних та цифрових систем, у тому числі:

• балансування навантаження,
• синхронізація годинника;
• керування безпілотними літальними апаратами, такими як дрони.

Огляд основних алгоритмів консенсусу

1. Proof-of-Work (PoW — Доказ роботи)

Proof of Work (PoW) — це найстаріший і найпоширеніший з алгоритмів консенсусу блокчейна. Вперше він був представлений у біткоїні та поєднує в собі функції мереж P2P, ланцюжків Меркла та криптографічних підписів. У Proof-of-Work майнери хешують дані та постійно використовують свої обчислювальні ресурси для вирішення складних математичних головоломок, щоб перевіряти транзакції та додавати їх до блокчейну. Майнери в мережах PoW змагаються один з одним, щоб заробити винагороду за блок, а також одержують частку комісії за транзакцію. У PoW протокол викладає умови, які роблять блок дійсним. Усі майнери намагаються знайти дійсний хеш, єдиний спосіб зробити це — запровадити введення методом грубої сили. Для великих блокчейнів цей хеш надзвичайно складний. Щоб конкурувати з іншими майнерами, Вам потрібне спеціальне обладнання для хешування (ASIC), щоб мати можливість генерувати дійсний блок. Мережа має переконатися, що майнер створив дійсний блок. Алгоритму необхідно запустити дані майнер через функцію, і якщо він видасть дійсний хеш, він буде схвалений, і майнер отримає винагороду. В іншому випадку мережа відхилила б його, а майнер даремно втратив час та енергію.

Ці головоломки гарантують, що майнерам буде виділено значну кількість ресурсів — поєднання часу та обчислювальної потужності. Коли зловмисники хочуть завдати шкоди екосистемі, їм доводиться витрачати багато грошей. Для атаки 51% зловмисникам потрібне дуже дороге обладнання, щоб захопити більшу частину мережі. Однак PoW не може працювати на максимальних швидкостях і підтримувати ефективну та масштабовану мережу.

Приклад використання: Bitcoin, Litecoin.

2. Proof-of-Stake (PoS — Доказ частки)

Через енерговитратний характер Proof of Work Ethereum в даний час перебуває від переходу від Proof of Work до консенсусу Proof of Stake (PoS). У Proof of Stake майнери замінено валідаторами. Валідатори розміщують (зберігають) певну кількість токенів відповідної криптовалюти в мережі. Люди, які поставили певну кількість токенів, голосують за перевірку блоку. Якщо більшість валідаторів погоджуються з реальністю блоку, він додається до блокчейну. Таким чином, перевірка блоку в консенсусі Proof of Stake здійснюється шляхом голосування на відміну від Proof of Work, де перевірка блоку виконується шляхом вирішення головоломок.

У Proof of Stake зазвичай діє правило: чим більше токенів Ви ставите, тим більше у Вас шансів бути обраним як валідатор. Коли валідатор обраний, він має запропонувати (або "підробити") блок. Якщо цей блок визнаний дійсним іншими користувачами, валідатор отримує винагороду, яка складається з комісій за транзакцію цього блоку. Кування блоку вимагає набагато менше енергії, оскільки вимагає в рази менше обчислювальної потужності від комп'ютерів. Це робить Proof of Stake набагато екологічнішим, ніж його аналог.

Proof of Stake, на відміну Proof of Work, менш безпечний, оскільки з Proof of Stake безпека визначається людьми, а чи не комп'ютерами (які вирішують математичні завдання). Незважаючи на це, консенсус Proof of Stake можна розглядати як безпечний протокол консенсусу. Це пов'язано з тим, що люди, які є валідаторами, вклали значну суму грошей у криптовалюту, що розглядається, тому навряд чи вони саботуватимуть систему. Хоча ймовірність є мінімальною, є шанс, що на PoS група валідаторів візьме владу, щоб саботувати систему. Для цього понад 51% валідаторів мають погодитись із планом саботажу. З більшою часткою голосів валідатори можуть впливати на голосування, що також називається атакою 51%. Ці атаки вкрай рідкісні і фактично ніколи не реалізуються на практиці, тому що у випадку з відомими та «надійнішими» криптовалютами понад 51% токенів рідко виявляється в руках зловмисників.

Приклад використання: NXT, Tezos, Ethereum.

3. Delegated Proof-of-Stake (DPoS — Делегований доказ частки)

Алгоритм консенсусу Delegated Proof-of-Stake (DPoS) працює так само, як модель PoS, але стейкери моделі DPoS передають перевірку блоків декільком делегатам. Ці делегати захищають систему блокчейну, відповідаючи за підтримку консенсусу у мережі під час перевірки нових блоків. Потім ці обрані делегати приймають важливі рішення для всієї мережі, такі як визначення допустимих транзакцій та встановлення правил протоколу.

Враховуючи те, що механізм Delegated Proof of Stake схожий на Proof of Stake у тому сенсі, що вони вимагають, щоб користувачі ставили монети як засіб участі в консенсусі. Основна відмінність полягає в тому, що в мережі PoS усі власники монет беруть участь у перевірці та прийнятті рішень безпосередньо через ставки. Навпаки, лише обрані делегати беруть участь у перевірці в мережах DPoS, тоді як інші вузли беруть опосередковано, голосуючи за делегата(ів) на власний вибір. Право голосу залежить від цього, скільки монет ставить користувач. Користувачі, які ставлять більше монет, мають більший вплив на вибір вузлів.

Кожна мережа на основі DPoS має власну систему голосування. Загалом, кожен кандидат у делегати вносить пропозицію при запиті голосів. Кандидати часто обіцяють у разі обрання розділити винагороду за блок (монети, отримані за підтвердження транзакцій) пропорційно користувачам, які проголосували за них.

Кількість обраних делегатів сильно різниться кожної мережі блокчейна. Незалежно від цього числа всі мережі на основі DPoS припускають, що більшість обраних делегатів чесні. Іншими словами, делегати хочуть забезпечити безпеку мережі та не будуть свідомо намагатися підтвердити шахрайські транзакції. Поки це правильно, чесні вузли отримуватимуть винагороду за блок, а нечесні – ні.

Приклад використання: EOS, BitShares, Tron, Cardano, Cosmos.

4. Proof-of-Authority (PoA — Доказ повноважень)

Proof-of-Activity (PoA) об'єднує протоколи PoW та PoS, що означає, що учасники можуть як майнути, так і закладати частку для валідації блоків. Отже, протокол PoA забезпечує баланс між майнерами та звичайними учасниками мережі.

PoA використовує переваги реальних посвідчень особи, щоб забезпечити перевірку у блокчейні. Це означає, що валідатори ставлять свою реальну особистість та репутацію як гарантію прозорості. Крім того, PoA заснований на обмеженій кількості валідаторів. Ця функція дає йому явну перевагу, високу масштабованість блокчейна, що позитивно позначається на додатках, де швидкість має першорядне значення. Крім того, він підтримує високий рівень контролю доступу до зазначеного ланцюжка блоків, оскільки можуть брати участь тільки вузли з дозволом.

Робота протоколу PoA досить проста. Щоб система працювала, валідатори мають вибиратися випадково. Включення та вибір вузлів здійснюється завдяки системі голосування інших раніше авторизованих вузлів. Таким чином можна уникнути включення шкідливих вузлів та вплинути на роботу мережі. На додаток до цього, кожен валідатор може підписати максимум один із серії послідовних блоків під час своєї перевірки. Крім того, PoA не вимагає майнінгу, як це відбувається в Bitcoin, так що це дуже екологічно.

Приклад використання: Decred.

5. Proof-of-Location (PoL — Доказ розташування)

Proof-of-Location (PoL) або доказ розташування - це технологія, яка дозволяє передавати координати фізичного розташування пристрою в блокчейн таким чином, щоб інші пристрої могли покладатися на дані про місцезнаходження, не довіряючи передавальному пристрою.

Додатки, що залежать від позиції, включають ланцюжок постачання, параметричне страхування, перевірку KYC/AML або навіть споживчі транзакції.

Сучасні інструменти геолокації відмінно підходять для визначення місця розташування пристрою, але не можуть запропонувати надійні послуги перевірки розташування. Вони однонаправлені і не зашифровані, що робить проблематичним використання GPS для смарт-контрактів, які необхідно виконувати при дотриманні просторових параметрів. Динамічне підтвердження розташування розширює можливості автономної мережі радіомаяків без дозволу, які можуть пропонувати безпечні послуги перевірки розташування за допомогою синхронізації часу децентралізованим чином.

Приклад використання: FOAM, Platin.

6. Proof-of-Importance (PoI — Доказ важливості)

PoI заснований на ідеї, що винагорода повинна здійснюватися за мережну активність, а не лише за кількість монет. Імовірність розміщення блоку залежить від кількох факторів, включаючи баланс, репутацію (визначувану окремою спеціально розробленою системою) та кількість транзакцій, вчинених з цієї адреси та на нього.

Proof-of-Importance — ще одна варіація PoS-алгоритму, розроблена для блокчейну NEM у 2015 році. 

Доказ важливості визначає, які мережні вузли мають право додавати блок у ланцюжок блоків на основі певних властивостей. Цей процес відомий як «збирання врожаю». В обмін на збір блоку вузли одержують комісію за транзакцію, пов'язану з розміщенням цього блоку.

Чим вище показник важливості вузла, тим вища ймовірність того, що його оберуть для збору блоку та отримання цієї винагороди. Якщо Ви зацікавлені в цьому, Ви повинні знати, що NEM вимагає, щоб обліковий запис містив не менше 10 000 XEM.

Proof of Importance прагне взяти до уваги загальну підтримку мережі, і тому його можна розглядати як новий підхід до ставок та теорії ігор.

Приклад використання: NEM.

7. Proof-of-Elapsed-Time (PoET — Доказ минулого часу)

Серед алгоритмів консенсусу та майнінгу блокчейна одним із найяскравіших алгоритмів є Proof of Elapsed Time (PoET), що іспанською означає Test of Elapsed Time. Це алгоритм консенсусу, розроблений з нуля для високої масштабованості та орієнтований на приватні блокчейни.

Потенціал PoET орієнтований застосування при розробці блокчейнов у складі систем з високим інформаційним трафіком. Наприклад, компанії, яким необхідні комплексні системи аудиту, що гарантують незмінність зазначеної інформації. Це відноситься, зокрема, до високотехнологічних та автоматизованих складальних ліній, хімічних та медичних лабораторій.

Proof of Elapsed Time (PoET) розроблений компанією Intel як алгоритм консенсусу на основі тимчасової лотереї, захищеного криптографією. Революційна концепція використовує всі технології, які Intel може надати у своїх процесорах. Насправді ця технологія сильно прив'язана до продуктів Intel настільки, що її не можна використовувати з гарантією за межами її продуктів.

Робота алгоритму PoET зводиться до того що він створює кільце довіри, у якому група учасників координується контролером. Цей контролер має завдання приймати роботу людей у ​​довірчому кільці і перевіряти її правильність. Для цього контролер спільно використовує секундомір та серію криптографічних тестів, які випадково дозволяють учасникам створювати блоки в блокчейні.

Як тільки учасника обрано, він генерує блок, розробляє криптографічний тест і відправляє його контролеру. Коли контролер отримує тест, він перевіряє його і якщо він правильний, приймає блок. Інакше він відкидає його. Враховуючи це останнє рішення, таймер знову запускається, тому процес вибору починається знову, і тест створюється іншим учасником. Процес слідує цьому циклу повторень, що дозволяє підтримувати роботу мережі на невизначений термін.

Приклад використання: Intel.

8. Leased Proof-of-Stake (LPoS — Орендований доказ частки володіння)

Leased Proof-of-Stake є ще одним варіантом PoS-алгоритму, який був розроблений виключно для blockchain Waves. 

LPoS має більші функціональні можливості, ніж PoS. Тут непросто вузли, містять кілька крипти і мають право видобуток наступного блоку блокчейна, а й декларація про здачу свого балансу у найм повним вузлам.

LPoS дає можливість користувачам здавати свої гаманці WAVES в оренду, приймаючи винагороди. Чим більше суму передаємо, тим вищі шанси, що цей повний вузол оберуть для створення нового блоку. Якщо цей повний вузол виберуть нового блоку, тоді орендар отримає винагороду як відсотка комісійних від проведеної транзакції, стягуваної повним блоком. . 

У LPoS середовищі власники самі можуть обрати або запуск повного вузла, або здати його в оренду та отримати винагороду. 

Також важливо сказати про те, що монети з гаманця користувача нікуди не пропадають, коли здаються в оренду, але при цьому Ви не зможете користуватися, наприклад, передати комусь або обміняти. А ось саму оренду можна скасувати будь-коли. 

Приклад використання: Waves, NXT

9. Proof-of-Space (PoSpace — Доказ простору)

PoSpace має й іншу назву, яка також часто зустрічається — Proof-of-Capacity (доказ працездатності, PoC).

PoSpace є алгоритмом консенсусу, який для доказу блоку використовує не обчислювальну потужність комп'ютера, а місце на жорсткому диску. 

Майнери бронюють місце на жорсткому диску для підтвердження блоків. На старті на жорсткому диску створюються набори рішень математичних завдань, далі проходить майнінг. Майнер вже не шукає розв'язання задачі, оскільки воно вже є у пам'яті одного з жорстких дисків. Чим більше пам'ять диску, тим більше виконаних рішень там може бути, а це збільшує шанси знайти це рішення даним майнером. 

Ця концепція дуже цікава з технічної точки зору, адже вона обіцяє показати досить високу швидкість, але ніяк не змогла привернути увагу великої кількості криптовалютних проектів, як це вдалося іншим.

Приклад використання: Burstcoin, SpaceMint (SpaceCoin), Chia

10. Proof-of-Burn (PoB — Доказ спалювання)

Proof-of-Burn — це алгоритм консенсусу, альтернативний класичним PoW та PoS, що використовує спалювання монет для збільшення цінності та зменшення енерговживання.

За своєю суттю спалювання монет позначає їх відправлення на спеціальну адресу з неможливістю використання цих монет, тому вони спалюються (знищуються). Майнер створює новий блок та отримує нагороду у вигляді нових монет мережі. Чим більше монет спалюється, тим краще шанси отримати винагороду. 

Мета Proof-of-Burn (PoB) полягає у «негативному майнінгу». Тобто для створення нового токена спочатку знищуються вже існуючі токени. І це робить процес видобутку нового токена складнішим, адже він вимагає вкладень для спалювання монет. Але тут є і плюс, оскільки нові токени не так швидко знецінюються через інфляцію. 

Досить часто PoB застосовують у проектах, що займаються випуском власних токенів, адже це захищає їхню відмінність від девальвації, а також інфляції. 

Приклад використання: Slimcoin, Counterparty, Factom. 

11. Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT — Делегований протокол завдання візантійських генералів)

DBFT — це DPoS-механізм консенсусу блокчейна, орієнтованих на BFT.

Як і в системах DPoS, зацікавлені сторони використовують делегатів, які називають бухгалтерами, для досягнення консенсусу та створення нових блоків. Крім того, власники голосують за свого бухгалтера в режимі реального часу, а не за фіксований термін. Ці бухгалтери повинні використовувати своїх справжніх осіб, щоб забезпечити голоси зацікавлених сторін. У блокчейнах DBFT немає анонімності, рівень централізації залишається високим, але забезпечує швидку генерацію блоків, високу масштабованість і енергоефективність.

Приклад використання: NEO, TON.

12. Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT — Реалізація протоколу завдання візантійських генералів)

PBFT ідеально підійде тим, хто перебуває у пошуках швидкого, масштабованого, але водночас і приватного блокчейну. Протокол Practical Byzantine Fault Tolerance дуже подібний до Delegated Byzantine Fault Tolerance, а саме в його централізованому характері. Великою відмінністю цих двох протоколів можна назвати те, що перший простіший у реалізації, а також досить часто з ним працюють у приватному секторі відомі учасники. 

Валідатор, отримуючи повідомлення, змушений вирішити, чи правдиве воно чи ні. Процес цієї перевірки починається з особистих перевірок усередині валідатора, а після він робить опитування серед усіх нід, що залишилися по черзі, уточнюючи чи вірять вони в справжність транзакції. У випадку, коли дві третини учасників схвалюють транзакцію, нода її може прийняти і передати прийняте рішення в мережу для інших валідаторів. У такому разі консенсусу буде досягнуто на підставі підтвердження, представленого всіма валідаторами. 

Practical Byzantine Fault Tolerance максимально підійде для систем з низькою затримкою, але при цьому він буде дуже чутливий до валідаторів і пропускної спроможності, адже 1 повідомлення створює велику кількість різних перевірок та запитів. PBFT ідеальний для приватного застосування, де не потрібне сильне навантаження, але є потреба у великому числі транзакцій.

Приклад використання: Hyperledger, Chain.

13. Federated Byzantine Agreement (FBA — Федеративна візантійська угода)

Протокол з назвою Federated Byzantine Agreement не запитує права або раніше веденого складу учасників, на відміну від протоколу Practical Byzantine Fault Tolerance та інших варіантів BFT. FBA дає можливість усім бажаючим додатись до мережі. У протоколі транзакції проходять валідацію із встановленою кількістю учасників, яких обирають з-поміж тих, хто в даний момент знаходиться online. 

Згідно з правилами FBA, є шлюзи, які називаються Gateways, і мейкери, що мають назву Market-Makers. Обидві ці складові протоколу гарантують чесність та ліквідність мережі. 

Шлюзи виконують роль звичайнісіньких банків, які володіють фінансами і забезпечує їх еквівалент у віртуальних токенах. Мейкери ведуть облікові записи з великою кількістю шлюзів і водночас у кількох валютах.

Приклад використання: Stellar, Ripple.

14. Directed Acyclic Graph (DAG — Направлений ациклічний граф)

Найголовніша проблема з blockchain - це його робота в синхронному режимі. Жодний із блокчейнів не може бути паралельним процесом до іншого. У blockchain можна відредагувати розмір і частоту виконання блоків, або кількість учасників, що валідують блоки, але все одно історія подій буде заточена під найсуворішу лінійну послідовність. Як альтернатива було запропоновано протокол Directed Acyclic Graph, який працює асинхронно, надаючи вагому перевагу одночасним подіям. 

У таких системах протокол дозволяє учасникам, щоб додати один блок транзакцій, підтвердити кілька колишніх. Можна сказати, що чим більше нових транзакцій, то швидше будуть підтверджені старі. 

Приклад використання: IOTA, ByteBall.

15. HashGraph (ХешГраф)

Творці цього протоколу говорять про те, що blockchain це вже застаріла система. Вони вважають, що гарною альтернативою йому є концепція Directed Acyclic Graph, але в той же час основною відмінною характеристикою HashGraph є протокол gossip about gossip, в якому нода набуває набір транзакцій з позначкою часу, що знає іншою нодою. Щоб такий алгоритм працював, потрібно знати всіх учасників процесу. Синхронізуючи ноди, кожна з нод зберігає всі подробиці та історії отримання цієї інформації всіма нодами з мережі. Якщо нода побачить в історії, що певне повідомлення раніше було отримано та перевірено багатьма, без сумніву воно буде правдивим.  

Але є деякі обмеження. Перше — дуже мало подробиць практичного застосування у великих масштабах, особливо з проектами блокчейна, що працюють. Друге — на технологію HashGraph є патент і ліцензія на купівлю тані безкоштовна. Третє - немає міцної спільноти, яка допомогла б перевірити надійність протоколу, вразливість до атак хакерів, або будь-які інші питання щодо сумісності технології.

Нещодавно проект був оновлений і отримав нову назву – Hedera Hashgraph.

Приклад використання: HashGraph.

Висновки

Протоколи та алгоритми консенсусу — це невід'ємна частка розподілених систем. Насамперед, з їхньою допомогою можна досягти справедливості, уникнувши збоїв системи, коли один із учасників нод виходить з ладу. По-друге, децентралізоване середовище вимагає рішення, що допомагає рухатися вперед і змінювати загальний стан, навіть у середовищі, де ніхто нікому не довіряє. Певні правила допомагають досягти консенсусу.

У цій статті ми постаралися розглянути найпопулярніші та найвідоміші протоколи (алгоритми), які застосовуються вже у десятках проектів. Є ще багато інших і більш екзотичних протоколів, таких як Cross Fault Tolerance (XFT), Paxos, Sieve, Raft, Proof-of-Stake-Time (PoST) тощо, які ми просто не змогли вмістити в цю статтю, але обов'язково опишемо у наступних публікаціях.