C:\Users\i7-7700\Desktop\Different_Consensus_Algorithms.png
Статьи

Виды алгоритмов консенсуса различных блокчейнов

С момента создания первого практически действующего блокчейна, использующегося в качестве базы для криптовалюты Bitcoin прошло уже 10 лет. За этот период времени неоднократно предпринимались попытки улучшить биткоин или создать более совершенные блокчейны.

Основным элементом, использующимся в технологиях распределенного реестра, является достижение консенсуса между узлами сети. Это позволяет обеспечивать надежную работу блокчейна, осуществлять параллельное хранение данных в синхронном режиме и согласовывать на глобальном уровне работу сети. Это достигается благодаря использованию единого механизма – алгоритма консенсуса. Он должен решать проблемы, связанные с возможным взломом хакерами узлов сети, выходом их из строя, появлением мошенников или проблем с каналами связи. Часто это называют решением проблемы византийских генералов, часть из которых является предателями и при передаче сообщений они могут сознательно или неосознанно искажать информацию.

Не существует единого алгоритма консенсуса, применимого для всех видов блокчейнов, также как нет плохих или хороших алгоритмов консенсуса. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые рассматриваются в этой статье.

Виды алгоритмов консенсуса

В настоящее время наиболее популярными являются следующие виды консенсуса (алгоритмы): PoW, PoS, PoI, dPoS, PoC, BFT, FBA.

Алгоритм доказательства проделанной работы – PoW (Proof of Work)

PoW – это популярный и широко использующийся при майнинге алгоритм, в котором главным элементом для достижения согласованной работы узлов является предоставление другим узлам сети правильного решения, выполненного в соответствии с криптографической хеш-функцией (алгоритмом майнинга).

При этом способе построения блоков наибольшее количество правильно найденных решений (и награждение за найденный блок) получают те, у кого имеется самая большая вычислительная мощность.

Такие блокчейны используют множество существующих криптовалют, например, Bitcoin (BTC), Bitcoin Cash (BCH), Ethereum (ETH), Monero (XMR), Zcash (ZEC), Ravencoin (RVN), SUQA и многих других.

Стремление получить больше криптовалюты в виде вознаграждения приводит к постоянному росту сложности майнинга из-за использования все большего количества мощной аппаратуры майнерами. Это увеличивает потребление электроэнергии на поддержание работы таких блокчейнов. С ростом их популярности все более уменьшается эффективность работы из-за постоянного роста хэшрейта сети. Но у PoW есть огромное преимущество – он обеспечивает самую большую децентрализацию работы сети и анонимность транзакций, которую не может обеспечить никакой другой алгоритм.

PoW имеет следующие преимущества:

  • высокая степень децентрализованности и анонимности;
  • возможность получать вознаграждение практически любому человеку, имеющему вычислительное оборудование и доступ к сети;
  • увеличение анонимности транзакций за счет привлечения большого количества независимых друг от друга узлов.

К недостаткам PoW можно отнести:

  • большое энергопотребление сети и небольшая скорость из-за распараллеливания одной и той же работы на множестве узлов;
  • возможность использования специальной аппаратуры (ASIC-ов) для увеличения хэшрейта майнерами, что может привести к увеличению централизации сети и проведению атаки 51%.

Алгоритм доказательства владения долей – PoS (Proof of Stake), стейкинг

Алгоритм консенсуса PoS является более энергоэффективным, чем PoW потому, что в построении блоков участвует намного меньше узлов.

Выбор узлов (нод), которые создают блоки в распределенном реестре таких блокчейнов, осуществляется путем их отбора по определенным алгоритмам, которые связаны с количеством активов (стейков) у пользователей. Этот механизм напоминает голосование путем поднятия рук. При этом, чем больше монет у голосующего., тем больше рук он может поднять. Это неизбежно приводит к увеличению централизации сети.

Как правило, чтобы стать нодой, пользователи должны заморозить определенное минимальное количество криптовалюты на специальном счету. При этом, чем больше криптовалюты заморожено (отдано в стейкинг), тем больше шансов у узла принять участие в формировании новых блоков и получить за это вознаграждение.

Такой алгоритм консенсуса используют криптовалюты Dash, Pivx, Reddcoin, Neblio, QTUM, NAV Coin, Stratis и другие.

Алгоритм консенсуса PoS практически может быть скомпрометирован недобросовестными стейкерами, которые благодаря большому количеству средств концентрируют в своих руках голоса и тем самым значительно централизуют всю сеть.

Доказательство важности — Proof of Importance (PoI)

PoI является модифицированной и расширенной версией PoS. В этом алгоритме консенсус в сети достигается с помощью взаимодействия узлов, которые не только владеют криптовалютой, но и производят активные действия с имеющимися активами. Учитывается, какие узлы дольше хранят монеты, чаще производят транзакции, используют для них больше адресов, дольше работают в сети, а также другие факторы.

Благодаря такому алгоритму теоретически устраняется принцип, согласно которому богатые становятся еще богаче.

На алгоритме консенсуса PoI работает криптовалюта NEM (New Economy Movement).

Доказательство делегированной доли владения — dPoS (delegated Proof of Stake)

dPoS — это один из самых экономичных видов консенсуса в настоящее время, в котором за счет введения еще большей централизации, чем у PoS, уменьшаются затраты на содержание сети, а также значительно увеличивается скорость обработки транзакций.

Этот алгоритм отличается от PoS тем, что отбор узлов (мастернод) для нахождения (валидации) блоков осуществляется путем выбора делегатов голосованием стейкеров. В отличие от PoS систем ,где любой стейкер теоретически может поддерживать работу сети, в dPoS создавать новые блоки могут только делегированные узлы. Это схоже с работой парламента, где депутаты принимают решения, представляя все сообщество.

Теоретически, чем больше монет имеется у владельца узла, тем больше голосов он имеет и может стать делегированным узлом, но на практике механизм повышения статуса узлов во многом зависит от алгоритма, заложенного разработчиками.

Этот вид консенсуса наиболее подходит для закрытых, корпоративных блокчейнов, в которых нет необходимости в анонимности и демократии.

dPoS используется в блокчейнах криптовалют BitShares, Lisk (LSK), EOS (EOS), Steem, Ark, Nano, Cardano, Tezos, TRON.

Алгоритм множества подписей/византийский метод, устойчивый к ошибкам — Multisignature/Byzantine Fault Tolerance (BFT)

Это метод обеспечения устойчивости при наличии ненадежных элементов (византийских генералов). Система может продолжать надежную работу в ненадежной среде (интернете) даже при наличии скомпрометированных узлов (генералов-предателей), их перебоях в работе, проблемах с каналами связи. Главное, чтобы одна треть узлов продолжала свою работу, давая необходимое количество одинаковых и верных подписей Этот протокол может применяться только при ограниченном количестве узлов, что подразумевает очень высокую степень закрытости и централизации, но дает высочайшую скорость и надежность работы системы. Подобный алгоритм работы используется в китайской криптовалюте NEO.

Разновидностью этого алгоритма является PBFT, который использует криптовалюта и блокчейн-платформа Zilliqa.

Federated Byzantine Agreement (FBA)

Этот алгоритм используется в системе переводов денежных активов Ripple и блокчейне Stellar. Использующийся протокол позволяет достичь консенсус среди большого количества участников, точное число которых неизвестно.

Это достигается благодаря тому, что каждый участник выбирает определенное число других доверенных групп, формируя доверенный круг, в котором легко найти взаимопонимание (консенсус). Это позволяет легко производить транзакции с разными валютами, что уже широко используется в банковской сфере.

Доказательство доли хранения – Proof of Storage, Proof-of-space, (PoSpace), или Proof-of-capacity (PoC)

В PoC используется алгоритм, согласно которому узлы сети предоставляют часть своей памяти или дискового пространства для решения определенных задач. Этот алгоритм схож с PoW, только вместо чистого предоставления вычислительной мощности используется выполнение задач, связанных как с решением криптографических функций, так и с выполнением задач, задействующих большие массивы памяти и пространства. Этот алгоритм используется у таких криптовалют, как Storj, Burst, Chia.

Существуют и другие виды достижения консенсуса, например:

  • гибридный алгоритм, совмещающий PoW и PoS у криптовалюты Peercoin;
  • доказательство активности PoA;
  • доказательство выделенного времени Proof of elapsed time(POET) — Hyperledger;
  • лизинговый стейкинг — Leased Proof-of-Stake (LPoS) – у криптовалюты Waves;
  • доказательство полномочий Proof-of-Authority (PoAuthority) — Kovan;
  • доказательство сжигания токенов — Proof-of-Burn (PoB) – Slimcoin.

Многообразие использующихся вы блокчейн-технологиях алгоритмов дает возможность выбора наиболее соответствующих протоколов для каждого конкретного случая. В настоящее время самыми популярными являются PoW и PoS, но какие из алгоритмов будут доминировать в будущем, покажет время.