Как работают алгоритмы консенсуса криптовалют и в чем их различия?

Алгоритм консенсуса — это правила, по которым происходит генерация блоков и подтверждение транзакций в блокчейне.

В зависимости от используемого алгоритма в одних блокчейнах работает механизм майнинга для добычи новых монет, а в других — стейкинг, одни сети работают быстрее, но подвержены централизации, другие — медленнее, но их сложно взять под контроль недобросовестным участникам сети. Поэтому важно разбираться в отличиях между PoW, PoS, PoA и другими алгоритмами консенсуса, чтобы правильно оценить перспективы блокчейн-проекта.

Представляем подробный гайд по наиболее востребованным консенсусным алгоритмам, используемых в передовых блокчейнах.

Навигация по материалу:

Начнем с азов. Блокчейн — это децентрализованная сеть из блоков, содержащих различные данные. В криптовалютах эти блоки хранят информацию обо всех операциях внутри сети. Все блоки записываются в сеть последовательно один за другим и связаны в цепочку. При этом каждый блок содержит информацию обо всех предыдущих блоках. Из такой сети нельзя ничего удалить, отредактировать или изменить задним числом — ведь пришлось бы переписывать всю цепочку с самого начала. 

В блокчейне проверкой операций и подтверждением того, что они записаны верно, занимается специальный встроенный механизм под названием алгоритм консенсуса. 

Алгоритм консенсуса блокчейна — это способ, благодаря которому децентрализованные ноды сети достигают согласия (или консенсуса) о текущем состоянии данных во всех блоках. Нода — это любой компьютер, подключенный к блокчейну, который проверяет и подтверждает транзакции, и хранит копию блокчейна.

Алгоритм консенсуса гарантирует соблюдение правил протокола и достоверность всех транзакций. Другими словами, он отвечает за то, чтобы все ноды сети были согласны с добавлением в нее нового блока. Таким образом консенсусный алгоритм поддерживает целостность и безопасность сети. 

При этом важно понимать разницу между алгоритмом консенсуса и протоколом:

Так, например, Bitcoin и Ethereum — это протоколы, а Proof-of-Work и Proof-of-Stake — это консенсусные алгоритмы.

Есть много вариантов алгоритмов консенсуса. Рассмотрим подробнее наиболее востребованные среди лучших блокчейн-проектов.

Proof-of-Work (доказательство выполнения работы, PoW) — алгоритм консенсуса, который впервые был представлен в сети первой криптовалюты Bitcoin. 

Немного истории:

Суть PoW заключается в следующем: ноды сети (майнеры), чтобы подтвердить транзакции и не позволить другим участникам расходовать одни и те же монеты дважды, должны решать сложные математические задачи (хэш-функции). Нода, которая первой нашла решение, получает вознаграждение — новые монеты сети.

При этом сложность майнинга защищает сеть от возможных угроз в виде DDoS-атак, атаки 51% (когда злоумышленники получают контроль над подтверждением транзакций и созданием блоков) и других видов атак. Если бы задачи были слишком легкими, злоумышленники могли бы легко взломать сеть. 

PoW стал прорывом для своего времени и позволил запустить первые криптовалюты. Он делает сеть децентрализованной и устойчивой ко взломам. Так, Bitcoin практически невозможно взломать — понадобился бы квантовый компьютер и гигантские ресурсы для получения контроля над сетью. 

Но по мере популяризации криптовалют и их массового внедрения недостатки этого алгоритма начали становиться все заметнее. Более того, сейчас эти уязвимости мешают и ограничивают развитие ранних проектов криптовалют.

Среди основных недостатков PoW: 

Proof-of-Stake (доказательство доли владения, PoS) — алгоритм консенсуса, представленный на форуме Bitcointalk в 2011 году в качестве альтернативы PoW. Цель данного алгоритма — стремиться исправить основные недостатки PoW, в частности, низкую скорость и слабую масштабируемость сети.

В 2012-м данный алгоритм был впервые интегрирован в блокчейн криптовалюты PPCoin (в настоящее время PeerCoin). Сегодня на базе PoS работают такие блокчейны, как Cardano, Binance Chain, IOTA, Nano, TRON, TomoChain и Ziliqa. А в декабре 2020 года после нескольких лет разработки сеть Ethereum также начала переход с PoW на PoS в рамках запуска версии Ethereum 2.0. 

В PoS нет майнинга. Вместо решения математических задач новые монеты добываются за счет стейкинга — механизма, позволяющего добавлять новые блоки за счет доказательства владения криптовалютой этой сети, что раньше также называлось форджингом. Ноды такой сети называются валидаторами, а их баланс — стейком. Чем больше у ноды монет в кошельке, тем у нее больше шансов подтвердить новый блок и получить вознаграждение. 

Таким образом стейкинг можно сравнить с банковским вкладом. Чем больше монет заморожено в сети, тем выше вознаграждение. Для валидаторов это возможность зарабатывать пассивный доход. 

Но стейкинг, так же как майнинг, требует расходов и технических знаний. Чтобы стать валидатором, надо обладать минимально необходимым количеством монет. Например, в Ethereum 2.0 это 32 ЕТН (порядка $100 000 по текущему курсу). Эти монеты надо держать заблокированными в кошельке на протяжении как минимум нескольких месяцев. Также понадобится настроить оборудование и держать его постоянно подключенным к сети. 

Основные преимущества PoS-алгоритма: 

Главный недостаток PoS-алгоритма — угроза централизации. Валидаторы с наибольшим количеством монет в конечном итоге будут контролировать большую часть сети. Поэтому в последние годы блокчейн-разработчики представили новые версии PoS-алгоритма, о которых пойдет речь ниже.

Proof-of-Authority (доказательство полномочий, PoA) — это алгоритм консенсуса, учитывающий «заслуги» и рейтинг валидаторов. Он считается эффективным механизмом для частных блокчейнов, впервые был концептуализирован в 2014 году одним из создателей Ethereum Гэвином Вудом и уже несколько лет используется в облачной платформе Microsoft Azure, которая включает более 200 продуктов и служб. 

PoA — это своеобразная попытка объединить PoW и PoS. Здесь вообще нет майнинга, а, следовательно, нет гонки вычислительного оборудования, как и огромных расходов энергии. В PoA для генерации блоков валидаторы используют не мощность оборудования или количество монет, а собственную репутацию. 

Так, за работоспособность сети отвечает фиксированное число валидаторов, которые были выбраны участниками сети или разработчиками проекта. Такой подход гарантирует высокую скорость обработки транзакций и хорошую масштабируемость. При этом валидаторы заинтересованы в том, чтобы их работа была честной и прозрачной, иначе они потеряют свой статус и репутацию надежного участника сети. 

Главный недостаток PoA — возможность излишней централизации и отсутствие мотивации пользователей, которые не получают вознаграждения за майнинг или стейкинг. Более того, в рамках классического PoA обычный пользователь никак не может повлиять на работу блокчейн-сети, поскольку этим занимаются доверенные ноды, как правило, принадлежащие одной компании. 

Криптопроекты, использующие PoA, прекрасно понимают недостатки консенсуса и пытаются обойти их разными способами. Например, разработчики криптовалюты UMI в попытках избавиться от ограничений PoA создали свою вариацию этого алгоритма. Основные отличия механизма PoA в UMI от классического PoA — децентрализация и стейкинг. 

Децентрализация достигается разделением нод на две ключевые группы: 

Вознаграждение за поддержание сети UMI доступно благодаря стейкингу. Но так как в классическом PoA стейкинга нет, в UMI механизм реализован с помощью смарт-контракта. Смарт-контракт — специальная программа на блокчейне, которая автоматически выполняет заданные действия при достижении заранее прописанных условий. Смарт-контракт в UMI обеспечивает выполнение всех условий, корректную работу стейкинга и начисляет вознаграждения в режиме 24/7. 

Вот другие особенности стейкинга в UMI, которых удалось достичь благодаря смарт-контракту:

Благодаря этому экосистема UMI стала уникальной для крипторынка децентрализованной средой, позволяющей любому участнику бесплатно переводить монеты внутри сети и приумножать их при помощи стейкинга, приносящего до 40% новых монет в месяц. 

В конце 2020 года тестовая версия обновленной сети UMI заняла 4-е место по скорости среди остальных блокчейнов, а среднее время генерации нового блока в последней версии составляет всего 1 секунду. Скоро эти изменения будут интегрированы в основную сеть. Все это делает UMI оптимальной блокчейн-средой, доступной для по-настоящему массового применения. Так, уже сейчас скорость блокчейна UMI составляет 4 369 операций в секунду, после грядущих обновлений она должна увеличиться до 65 535, а потенциально может дойти до 1 млн tps и выше. 

Delegated Proof-of-Stake (делегированное доказательство доли владения, DPoS) — разновидность PoS-алгоритма, созданная разработчиком Дэном Ларимером в 2014 году. DPoS задумывался как альтернатива PoW и PoS. Его цель — лишить валидаторов возможности централизации. Среди известных блокчейнов на DPoS: EOS, Steemit и Tezos.

DPoS — это более демократическая версия Proof-of-Stake. Главное отличие двух алгоритмов в том, что в DPoS держатели монет (свидетели) передают свое право одобрять операции и получать награду, то есть делегируют свой голос заранее выбранному валидатору (делегату). 

Делегатом может стать любой пользователь сети. Но в любой момент свидетели могут отозвать свой голос — это способ позволяет избежать излишней централизации и захвата сети недобросовестными участниками. 

Делегаты объединяются в особый пул, который имеет право вносить изменения в ряд параметров сети: время добычи новых блоков, их размер и так далее. Но отменять транзакции или проводить ложные операции делегаты не могут. Поэтому у свидетелей остается власть над сетью. 

Основные преимущества DPoS-алгоритма — высокая скорость и большее масштабирование. В сети работает значительно меньше нод, чем в PoW или PoS, что позволяет достаточно быстро создавать новые блоки. 

Среди недостатков: при низкой активности участников сети сохраняется угроза централизации, а также возможно проведение DDoS-атак и недобросовестное поведения делегатов, которые могут вызвать сбои в сети. 

Leased Proof-of-Stake (арендованное доказательство доли владения, LPoS) — еще один вариант PoS-алгоритма, разработанный специально для блокчейна Waves. 

LPoS призван решить проблему «имущественного ценза» в классическом PoS, в рамках которого пользователи с недостаточным балансом не могут участвовать в стейкинге и зарабатывать новые монеты. Это оборачивается централизацией. 

В рамках LPoS-алгоритма любой участник сети может передавать свои монеты валидаторам, получая в обмен долю от прибыли. При этом монеты остаются в кошельке пользователя, но их нельзя использовать, передавать или обменивать. Аренду можно отменить в любое время. Валидаторам выгодно арендовать монеты, так как это увеличивает их стейк, а, следовательно, и шанс на награду. 

Такой подход позволяет зарабатывать монеты даже с небольшим стейком, но делает сеть подверженной централизации: валидаторы могут арендовать так много монет, что смогут контролировать сеть.

Proof-of-Importance (доказательство значимости, PoI) — еще одна вариация PoS-алгоритма, разработанная для блокчейна NEM в 2015 году. 

В отличие от классического стейкинга, в PoI важно не только количество заблокированных в стейке монет, но и активность пользователя (количество транзакций), и время его пребывания в сети. Чем активнее пользователь и чем выше его репутация в сообществе, тем больше его доход от стейкинга. Это поощряет участников не хранить монеты в кошельках, а активно использовать их. 

В NEM механизм поощрения стейкера (выплата монет) называется харвестинг. Это алгоритм учета активности пользователя и его баланса. Начисленные монеты сначала переводятся на пассивный кошелек пользователя, а после накопления «заслуг» переводятся на его активный счет. Одно из условий запуска харвестинга — минимальный стейк в 10 000 XEM (≈ $2400). 

Proof-of-Space (доказательство пространства, PoSpace; также встречается название Proof-of-Capacity, доказательство работоспособности, PoC) — алгоритм, использующий для подтверждения блока место на жестком диске, а не вычислительную мощность компьютера.

Это необычная концепция, обещающая высокую скорость и демократизм, но она не получила масштабного распространения среди криптопроектов. На этом алгоритме, например, работают такие малоизвестные проекты, как Burstcoin и SpaceMint. 

Майнер резервирует для подтверждения блоков определенное место на жестком диске. Сначала в жестком диске генерируются наборы возможных решений математических задач, потом происходит сам майнинг. Майнеру не нужно искать решение майнинговой задачи — оно уже есть в памяти одного из жестких дисков. Чем больше память диска, тем больше решений может там храниться и тем больше шансов, что решение найдет именно этот майнер. 

Преимущества PoC — это низкая энергозатратность и возможность майнить с любого устройства, даже со смартфона. 

Proof-of-Burn (доказательство сжигания, PoB) — алгоритм, альтернативный классическим PoW и PoS. 

Майнер отправляет монеты на специальный адрес, к которому невозможно подобрать приватные ключи. Это значит, что монеты с этого кошелька потратить тоже нельзя — они сжигаются. В награду за это майнер создает новый блок и получает за него вознаграждение в виде новых монет сети. Чем больше монет сжечь, тем выше шансы получить награду за блок. 

Преимущества алгоритма: низкое энергопотребление и экономичность, ведь не надо тратиться на дорогостоящее оборудование для майнинга. Кроме того, при сохраняющемся или растущем спросе алгоритм может способствовать росту стоимости остающихся монет — ведь их количество постоянно уменьшается. 

Главный недостаток PoB — он подходит только для зрелых проектов, в которых основная эмиссия монет уже завершена, и им есть что сжигать. Поэтому алгоритм не популярен, но все же иногда используется, например, в блокчейне Counterparty (XCP).

Proof-of-Elapsed-Time (доказательство истекшего времени, PoET) — алгоритм консенсуса от компании Intel. Считается одним из самых сбалансированных и совершенных консенсусных алгоритмов и используется в основном корпоративными блокчейнами, например, Hyperledger.

Принцип работы PoET напоминает лотерею. В каждой ноде сети генерируется случайное время ожидания для конкретного блока — каждый раз оно разное. После этого нода «замораживается» (переходит в период ожидания). Блок добывает та нода, у которой время ожидания блока окажется наименьшим. Специальная система SGX следит за тем, чтобы все это происходило действительно случайным образом.

Главный недостаток PoET — он требует обязательного использования процессора Intel Software Guard Extension, поддерживающего SGX.

Для безопасной и удобной покупки криптовалют с минимальной комиссией, мы подготовили рейтинг самых надежных и популярных криптовалютных бирж, которые поддерживают ввод и вывод средств в рублях, гривнах, долларах и евро.

Надежность площадки в первую очередь определяется объемом торгов и количеством пользователей. По всем ключевым метрикам, крупнейшей криптовалютной биржей в мире является Binance. Также Binance самая популярная криптобиржа в России и на территории СНГ, поскольку имеет наибольший оборот денежных средств и поддерживает переводы в рублях с банковских карт Visa/MasterCard и платёжных систем QIWI, Advcash, Payeer.

Специально для новичков мы подготовили подробный гайд: Как купить биткоин на криптобирже за рубли?

Рейтинг криптовалютных бирж:

Критерии по которым выставляется оценка в нашем рейтинге криптобирж:

По мере взросления крипторынка и развития блокчейн-технологий будут появляться все новые, более совершенные консенсусные алгоритмы и будут совершенствоваться текущие. Они будут предлагать самые оптимальные решения для устранения уязвимостей и недостатков существующих блокчейн-сетей.

Вполне вероятно, что в будущем начнет появляться все больше таких блокчейн-проектов, как UMI, где успешно совмещаются элементы разных механизмов по достижению консенсуса и получению вознаграждения. Такой подход позволит брать только лучшее из представленных на рынке механизмов, минимизируя уязвимости и повышая эффективность работы сети.

Источник: mining-cryptocurrency.ru

Интересное по теме
26.04.21
Курс валют НБУ. Гривня заметно укрепилась к доллару и евро
04.06.21
«Бычий крипторынок со скидкой» — Bloomberg прогнозирует рост курса BTC до $100 000
30.12.19
Секретарь Казначейства США: «Биткойны используются для отмывания денег»
22.09.20
Американский регулятор разрешил федеральным банкам хранить резервы для эмитентов стейблкоинов
10.08.21
Официальный курс: гривня укрепилась к доллару и евро
iMag.one - Самые важные новости достойные вашего внимания из более чем 300 изданий!