Раскрытие секретов блокчейна: подробное изучение алгоритмов консенсуса PoW и PoS

Как мы можем проверить, что запись «A перевел одну монету B» является подлинной, а «A перевел одну монету C» — ложной? Алгоритмы консенсуса были разработаны именно для решения этой сложной задачи.

Итак, у вас есть блокчейн, новый и блестящий, обещающий децентрализованные, прозрачные транзакции с надежной безопасностью. Звучит как волшебство, правда? Но подождите, вы, возможно, чешете голову, задаваясь вопросом: «Как, черт возьми, эти транзакции проверяются, прежде чем они добавляются в сеть блокчейна?» И вуаля! Вот где в игру вступает секретный ингредиент работы блокчейна — столь важный, но часто недооцениваемый механизм консенсуса.

Почему консенсус в блокчейне так важен?

Прежде чем углубиться в алгоритмы консенсуса, давайте убедимся, что все мы понимаем некоторые основные понятия. Нам нужно понять, что такое блокчейн и как он работает.

Рассмотрим следующий пример: у А есть четыре монеты. Он отправляет одну монету Б, две монеты С, а последнюю монету оставляет себе. Эти «танцы» монет запечатлеваются в блокчейне — цифровом реестре, похожем на общедоступный дневник, который позволяет любому в любой момент подтвердить баланс монет каждого участника и проследить историю всех транзакций в блокчейне.

👉 Проведя параллель с традиционной банковской системой, представьте себе «центр обработки данных», который немного похож на большого босса, получающего обновления от участников, одобряющего их, записывающего в «общую бухгалтерскую книгу», а затем передающего эти проверенные данные другим участникам (например, филиалам банка). Однако, если существует центральный орган, он имеет право изменять информацию по своему усмотрению, что может ввести в заблуждение других участников, верно?

Проще говоря, блокчейн — это цифровая книга, которая никогда не перестает записывать новые данные или транзакции. Он был создан как полностью децентрализованная сеть, раскинувшаяся как паутина на тысячи компьютеров.

При наличии активной группы участников блокчейн продолжает работать. Это означает, что каждый участник сети имеет равные шансы на победу — каждый из них может вносить новые записи без «центрального кукловода», дергающего за ниточки.

Участники сети используют псевдонимы — каждого из них можно идентифицировать по адресу, но эти идентификаторы не могут быть напрямую связаны с реальной личностью человека. Участники могут свободно входить в сеть и выходить из нее по своему усмотрению.

В идеальной форме блокчейн, воплощающий децентрализованную систему, призван быть оплотом против цензуры и защищать объективность. Но, как и в шекспировской саге, наш герой не непобедим. Объективность и сопротивление цензуре могут сломаться в определенных ситуациях, таких как 51% атака, когда одна организация в стратегическом ходу захватывает большую часть вычислительной мощности сети.

Возвращаясь к метафоре «регистра», время от времени добавляется новая «строка», содержащая все изменения (транзакции), которые произошли за этот период. Эти данные затем хранятся и распространяются среди тысяч компьютеров в сети блокчейна.

Эта строка называется блоком, от которого происходит термин «блокчейн», то есть цепочка блоков.

Учитывая, что блокчейн предоставляет равные и открытые права всем участникам, возникает вопрос: почему кто-то должен доверять данным в блокчейне, если нет «центрального валидатора»? Как мы можем подтвердить, что утверждение «А отправил одну монету Б» является правдивым, а «А отправил одну монету В» — ложным? Для решения этой задачи были специально разработаны алгоритмы консенсуса.

Работа участников блокчейна может быть продемонстрирована на изображении ниже (рис. 1).

На данной схеме синие цилиндры символизируют субъекты, ответственные за достижение консенсуса и создание новых записей. В типичной сети блокчейна эту функцию выполняют майнеры. Зеленые цилиндры выступают хранителями копий блокчейна, подтверждая достоверность новых записей и назначая задачи по хранению следующей партии транзакций в блоках. Как правило, это полнофункциональные узлы кошельков. Желтые квадраты изображают простейших пользователей блокчейна, похожих на мобильные электронные кошельки, которые обычно имеют доступ только к записям, связанным с их собственными транзакциями или определенными сегментами «регистра».

Результатом применения криптографического алгоритма к содержимому блока является уникальная электронная подпись (также известная как хэш), которая используется для подписи каждого блока (или новой строки регистра). Любой участник блокчейна может проверить и подтвердить подлинность этой подписи.

Любое вмешательство в данные блока приведет к несоответствию его подписи. Более того, каждая последующая подпись зависит от предыдущей, поэтому любой участник может подтвердить, является ли новый блок подлинным продолжением блокчейна.

Алгоритм консенсуса играет ключевую роль в обеспечении надежности транзакций, проверяя точность выполненных действий. Эта ответственность распределена между многочисленными участниками сети.

Существует множество алгоритмов консенсуса, каждый из которых имеет свои уникальные преимущества. В этой статье мы рассмотрим два наиболее популярных: доказательство работы (proof-of-work) и доказательство доли владения (proof-of-stake).

Алгоритм консенсуса PoW

Алгоритм доказательства работы (PoW) — один из самых ранних и распространенных механизмов консенсуса, используемых в сетях блокчейна. Он характеризуется вычислительной сложностью, при которой майнеры соревнуются в решении сложных математических задач.

Все транзакции проверяются с помощью этих сложных вычислений, правильность которых может быть дважды проверена любым участником сети.

Золотое правило? Первый майнер, разгадавший головоломку, получает право управлять новым блоком в блокчейне, занося в него следующий набор транзакций. Затем эти транзакции помечаются как «подтвержденные», как печать одобрения.

А что получает наш победоносный майнер, спросите вы? Конечно же, блестящее вознаграждение! Восхитительная смесь криптовалюты и комиссий за транзакции из нового блока. Комбинация, которая заставит сердце любого майнера затрепетать от радости и втянет его в эту вычислительную гонку.

Но подождите, это еще не все! Алгоритм PoW имеет еще один козырь:

• PoW снижает риск сетевых атак, при которых противник создает большое количество поддельных участников, распространяющих ложную информацию, чтобы перевесить большинство. Для осуществления такой атаки в сети на основе PoW потребовались бы астрономические вычислительные мощности.
• PoW способствует справедливости. Вознаграждение каждого майнера зависит от его вычислительного вклада или хешрейта. Таким образом, если майнер вносит 2% от общего хешрейта, он получает в среднем 2% блоков и 2% распределяемого вознаграждения. Это похоже на принцип «что посеешь, то и пожнешь».
• Наконец, нечестность обходится дорого. Майнеры вкладывают в майнинг серьезные ресурсы (такие как вычислительная мощность и электроэнергия). Это похоже на ставку в покере с высокими ставками, где единственный выигрышный ход — играть по правилам сети.

Но не забываем, что даже у PoW есть свой криптонит. 51% атака, при которой группа контролирует 51% или более вычислительной мощности сети, может нанести серьезный ущерб. В таком сценарии злоумышленники могут игнорировать или изменять блоки других майнеров и монополизировать вознаграждения за майнинг. Но даже в этих условиях злоумышленники не могут украсть биткойны у пользователей или подделать новые монеты в нарушение правил системы.

Вот и все. PoW, с его коктейлем вычислительных задач и вознаграждений, служит надежным и справедливым механизмом для проверки транзакций и добавления блоков в сеть блокчейна.

Алгоритм консенсуса PoS

Алгоритм доказательства доли владения (PoS) имеет некоторые сходства с доказательством работы (PoW), но с одним существенным отличием: майнерам не нужно решать сложные вычислительные задачи. Вместо этого в игру вступает другая группа участников, известная как валидаторы.

PoS был впервые реализован в Peercoin (первоначально известном как PPCoin) в 2012 году. Движущей силой PoS было стремление решить проблему энергоемкости PoW, предложив более устойчивую и экологичную альтернативу.

В мире PoS валидаторы — это шерифы, которые проверяют легитимность транзакций. Для этого они должны поставить на кон свои собственные монеты в сети. Считайте, что они рискуют своим капиталом. Эти монеты недоступны и заблокированы в хранилище на весь период стейкинга. И если валидатор попытается проделать что-то нечестное, например, одобрить подозрительную транзакцию, он рискует потерять свой вклад.

Теперь вы можете подумать, что, как и в PoW, валидаторы получают похлопывание по плечу за решение математических задач. Но вы ошибаетесь. В мире PoS вознаграждения — это совсем другое дело. Некоторые криптовалюты на основе PoS дают валидаторам часть комиссии за транзакции в качестве «благодарности» за их тяжелый труд. Другие могут чеканить новые монеты в качестве вознаграждения. Чем больше монет ставит валидатор, и иногда чем дольше он их держит, тем выше его шансы быть выбранным в качестве валидатора транзакции и получить эти сладкие вознаграждения.

Но не дайте себя обмануть термином «голоса». В PoS заложенные монеты не участвуют в каком-то демократическом процессе. Они больше похожи на финансовое обязательство, обещание валидаторов сохранить целостность сети.

Итак, вот что такое PoS — мир, в котором заложенное обеспечение и валидация транзакций объединяются, чтобы предложить менее энергоемкий, но столь же надежный механизм для поддержания сети блокчейна.

PoW против PoS: что лучше?

Потребление энергии

В мире доказательства работы (PoW) майнеры должны «работать» усердно, обрабатывая огромные объемы данных с помощью мощных вычислительных ресурсов, чтобы обеспечить безопасность сети. Это высокое энергопотребление, часто рассматриваемое как расточительное, является ключевой характеристикой PoW. Почему? Потому что все эти вычисления, хотя и необходимы для майнинга, не служат никакой другой цели. С другой стороны, доказательство доли владения (PoS) не требует больших затрат энергии. В PoS нет «ненужных» вычислений, что делает его более энергоэффективным аналогом PoW.

Масштабируемость

Нужна скорость? Возможно, вам покажется, что блокчейн обрабатывает транзакции немного медленно, особенно по сравнению с традиционными системами. Это цена, которую приходится платить за безопасность и децентрализацию. Однако когда речь заходит о масштабируемости, PoW не является лидером. Шардинг, метод, который может ускорить обработку транзакций, теоретически возможен для любого блокчейна. Но на практике работающие модели шардинга в основном встречаются в сфере PoS.

Децентрализация

И PoW, и PoS борются с централизацией. В PoW доминирует майнинговая индустрия, где несколько крупных игроков контролируют большую часть вычислительной мощности (и получают большую часть вознаграждения). В PoS богатые пользователи, которые ставят большие суммы, часто выигрывают больше, что приводит к аналогичной проблеме централизации. Однако имейте в виду, что не все системы PoS созданы одинаковыми — некоторые используют различные методы, такие как рандомизация, чтобы выровнять игровое поле.

Безопасность

Безопасность превыше всего, верно? Приоритетом каждой блокчейн-сети является безопасность. Печально известная «атака 51%» представляет потенциальную угрозу как для систем PoW, так и для PoS. В PoW злоумышленнику необходимо контролировать более половины вычислительной мощности (что требует астрономических вычислительных ресурсов). В PoS ему нужно контролировать более половины заложенных монет. Но вот в чем загвоздка: в PoS злоумышленник с такой большой долей будет иметь значительный финансовый стимул для обеспечения безопасности сети, поскольку в случае нарушения целостности сети под угрозой окажется его собственное состояние.

Вывод

В заключение можно сказать, что PoW и PoS — это две стороны одной медали, каждая со своими сильными и слабыми сторонами. «Лучший» выбор зависит от конкретного случая использования, целей и архитектуры сети. Обе системы предлагают уникальные решения для обеспечения безопасности децентрализованной сети, и выбор между ними не является универсальным.

Есть время для трейдинга?

Если вы ищете надежную платформу для торговли криптовалютами или различные прибыльные боты для криптовалютного трейдинга, ваши поиски закончатся на Bitsgap!

С Bitsgap вы можете подключить все свои биржевые счета и управлять сделками из одного универсального интерфейса, оснащенного интеллектуальными торговыми инструментами и автоматическими криптовалютными ботами, созданными для получения прибыли на любом рынке.

Вы можете выбрать одну из наших успешных стандартных стратегий или создать свою собственную — будь то DCA, BTD, COMBO или GRID — в соответствии с вашим стилем торговли.

Попробуйте Bitsgap, и вы удивитесь, почему не начали раньше!

Часто задаваемые вопросы

Что такое консенсус блокчейна?

Консенсус блокчейна играет ключевую роль в технологии блокчейна, функционируя как средство для всех участников сети (или узлов) для согласования подлинности транзакций. Этот процесс консенсуса гарантирует, что каждая транзакция, добавленная в блокчейн, будет повсеместно принята всеми узлами как единственная правда, предотвращая двойные траты и мошеннические действия.

Рассмотрите механизм консенсуса как набор правил, которые все узлы в сети используют в качестве руководства для проверки информации. Это способ, с помощью которого все участники сети блокчейна приходят к общему пониманию текущего состояния общего реестра. Таким образом, алгоритмы консенсуса необходимы для поддержания целостности и безопасности сети блокчейна.

Какие существуют алгоритмы консенсуса?

Алгоритмы консенсуса — это наборы правил, которые помогают узлам в сети блокчейна достичь согласия по поводу информации, записываемой в реестр. Существует множество алгоритмов консенсуса, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. К наиболее распространенным относятся доказательство работы (proof-of-work), доказательство доли владения (proof-of-stake), делегированное доказательство доли владения (delegated proof-of-stake), доказательство полномочий (proof-of-authority) и византийская отказоустойчивость (BFT) вместе с ее модификациями, такими как PBFT и dBFT.