Технологии консенсуса в блокчейне: PoW, PoS, PoA, DPoS, PoC, PoB и другие

Распространение блокчейна обязано своим успехом обеспечению безопасной и прозрачной передачи данных благодаря децентрализованному консенсусу. В этой статье рассматриваются основные модели подтверждения, лежащие в основе согласования состояния реестра.

Здесь мы сравним доказательство работы, доказательство доли владения, доказательство полномочий и другие подходы с учетом соответствующих факторов, влияющих на принятие решений, — энергопотребления, гарантий безопасности, децентрализации и ограничений масштабируемости.

Важно понимать, что ни один алгоритм консенсуса не является категорически превосходным, и именно поэтому гибридные платформы пытаются сбалансировать сильные стороны основных моделей.

По мере того как блокчейн проникает в социальные функции, его инфраструктура также должна продолжать развиваться посредством итеративных, основанных на доказательствах улучшений консенсуса. Эта статья призвана сориентировать такой прогресс с помощью откровенного, контекстного анализа.

Что такое алгоритмы консенсуса и почему они важны?

Технология блокчейн известна как децентрализованная и распределенная сеть, обеспечивающая целостность, конфиденциальность, безопасность и прозрачность данных без контроля со стороны центрального органа. Несмотря на отсутствие централизованного контроля, каждая транзакция в блокчейне является безопасной и аутентифицированной. Это становится возможным благодаря протоколу консенсуса, который является важным компонентом любой сети блокчейн.

Протокол консенсуса — это процесс, который позволяет всем участникам сети блокчейн согласовать текущее состояние распределенного реестра.

Благодаря этим алгоритмам между анонимными участниками распределенной системы формируются надежность и доверие.

По сути, протокол консенсуса гарантирует, что каждый новый блок, добавленный в блокчейн, представляет собой единственную, общепринятую истину, согласованную всеми узлами сети.

Это позволяет архитектурам блокчейна укреплять доверие и ответственность между совершенно незнакомыми людьми в радикально децентрализованных средах. Участники поддерживают общественную целостность посредством совместных проверочных функций, обеспечивающих коллективные интересы над эгоистичными амбициями.

Двумя широко признанными алгоритмами консенсуса в мире блокчейна являются алгоритм доказательства работы (PoW) в Bitcoin и недавно принятый алгоритм доказательства доли владения (PoS) в Ethereum. Хотя эти фундаментальные алгоритмы были подробно рассмотрены в нашей предыдущей статье «Подробное исследование PoW и PoS», давайте кратко повторим, что каждый из них собой представляет, и выделим основные отличия:

• PoW основан на решении криптографических головоломок для предоставления прав на валидацию блоков, что стимулирует массовые инвестиции в вычислительные ресурсы для конкурентной борьбы за вознаграждение за майнинг. Это способствует обеспечению надежной безопасности, но требует огромных затрат энергии для поддержания.
• Между тем, блокчейн PoS распределяет полномочия по валидации на основе заблокированных токенов, устраняя конкуренцию за счет случайного выбора узлов. Участники ставят на кон монеты, а не хэш-мощность. Отказавшись от головоломок, криптовалютная система PoS сокращает потребность в ресурсах, при этом по-прежнему поощряя честное сотрудничество при наличии достаточного залога. Однако снижение капитальных барьеров со временем может привести к усилению централизации по сравнению с более демократичным доступом к майнингу в PoW. Тем не менее, PoS продолжает набирать популярность благодаря своей энергоэффективности и переходу Ethereum, который является ярким примером.

Что такое блокчейн PoA?

Proof-of-authority (PoA) устанавливает консенсус через разрешенную группу валидаторов, чья личность проверяется на достоверность центральным органом. Вместо криптографических головоломок или заложенных депозитов, заранее одобренные участники обеспечивают работу сети за счет репутационной ответственности по сравнению с более анонимными узлами.

Полагаясь на честность идентифицированных валидаторов, PoA отказывается от интенсивных вычислений, что позволяет быстрее и дешевле достигать консенсуса. Кроме того, PoA устраняет необходимость в дорогостоящем оборудовании для майнинга или значительных количествах криптовалюты, что делает его более доступным для широкого круга участников. Все это позволяет создавать более масштабируемые и устойчивые модели, подходящие для частных блокчейн-сетей, в которых приоритетом является эффективность. Однако это создает риск раскрытия уязвимостей, поскольку система эффективно функционирует на основе консенсуса олигархии, построенной на субъективных человеческих качествах.

Ярким примером использования PoA является VeChain — корпоративная блокчейн-сеть для цепочек поставок. VeChain назначает отдельные узлы «авторитетными мастер-узлами» для проверки транзакций и утверждения блоков. Эти идентификаторы проходят строгую проверку VeChain Foundation, связанной с реальными организациями. Это создает ответственное доверие между партнерами по сравнению с анонимными моделями децентрализации. Соответственно, VeChain достигает улучшенной масштабируемости и пропускной способности, отвечающих потребностям предприятий. Хотя концентрированная власть контрастирует с максимальной свободой, удобство и скорость позволяют убедить традиционные предприятия принять интеграцию блокчейна.

👉 По сути, PoA обменивает надежные гарантии участия на масштаб, необходимый для современного внедрения. Так же, как представительные правительства отказываются от прямой демократии в пользу гибкости, санкционированные валидаторы отдают приоритет координации над включением без разрешения.

Остается спорным, являются ли такие уступки необходимыми трудностями роста или бесповоротными уступками. Но для отраслей, использующих блокчейн, таких как логистика и финансовые услуги, доказательство полномочий на данный момент уравновешивает их приоритеты — даже если это временное явление в общей картине развития технологии.

Что такое DPoS?

DPoS, или делегированное доказательство доли владения, — это механизм консенсуса, используемый в блокчейн-сетях для достижения распределенного консенсуса. Это разновидность традиционной модели доказательства доли владения (PoS). Система DPoS усовершенствует принцип PoS, вводя в сеть уровень демократических избирательных процессов.

В системе DPoS держатели токенов не проверяют транзакции блоков напрямую. Вместо этого они выбирают фиксированное количество делегатов или свидетелей, которые отвечают за проверку транзакций и поддержание целостности блокчейна. Эти делегаты часто выбираются на основе их доли в сети и доверия, которым они пользуются у держателей токенов. Продолжающиеся циклы выборов, основанные на результатах работы, стимулируют предоставление качественных услуг и поддерживают подотчетность перед держателями токенов. Это способствует дальнейшей децентрализации через представительство.

👉 По сути, DPoS объединяет демократическое участие с эффективностью представительства, стремясь сбалансировать пуризм децентрализации с прагматичной скоростью при масштабировании. Благодаря структуре подотчетности, модель надеется сохранить систему сдержек и противовесов, несмотря на свои конституционные уступки.

DPoS vs PoS

Хотя и PoS (Proof-of-Stake), и DPoS (Delegated-Proof-of-Stake) распределяют права проверки пропорционально количеству токенов, DPoS консолидирует власть:

• Вместо того, чтобы каждый держатель токенов PoS валидировал транзакции в цепочке, владельцы токенов DPoS выбирают ограниченный набор делегатов для управления операциями. Это повышает эффективность за счет зависимости от уязвимостей человеческой координации.
• Соответственно, DPoS жертвует некоторой степенью децентрализации в пользу представительства, что обеспечивает более плавное управление и быстрое достижение консенсуса. Избранные делегаты получают предсказуемый доход от стабильных позиций, а сообщества сохраняют контроль над правом голоса.
• Однако концентрация валидации вызывает такие опасения, как повышенный риск сговора из-за меньшего числа доверительных предположений между меньшим числом узлов. Пороги атак значительно снижаются из-за отсутствия распределенного участия.

👉 По сути, DPoS предназначен для оптимизации процесса консенсуса за счет уменьшения числа узлов, непосредственно участвующих в валидации транзакций, путем демократического избрания делегатов. Это может привести к увеличению пропускной способности транзакций и более организованной системе управления. Однако по сравнению с PoS, DPoS может ввести более высокий уровень централизации и в значительной степени полагается на доверие и активное участие держателей токенов в процессе выборов.

Какие еще существуют алгоритмы консенсуса?

Помимо известных алгоритмов, обсужденных выше, разработчики блокчейнов продолжают разрабатывать новые подходы к распределенному консенсусу, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки и подходит для определенных применений. Здесь мы рассмотрим некоторые из этих моделей:

Практическая византийская отказоустойчивость (PBFT)

• Механизм консенсуса Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) — это алгоритм консенсуса, введенный в конце 1990-х годов для эффективной работы в асинхронных системах, где нет верхнего предела времени отклика. Он направлен на решение проблем, связанных с предыдущими решениями византийской отказоустойчивости.
• Византийская отказоустойчивость — это способность распределенной системы достигать консенсуса даже в случае сбоя некоторых узлов или получения от них неверной информации. Цель состоит в том, чтобы правильно функционирующие узлы достигли согласия путем коллективного принятия решений.
• PBFT позволяет достигать консенсуса с высокой энергоэффективностью без сложных вычислений, таких как доказательство работы. Он также обеспечивает окончательность транзакций, благодаря чему они быстро завершаются без необходимости многократного подтверждения.
• PBFT работает путем последовательной упорядочения узлов, причем один узел является основным (лидером), а остальные — вторичными (резервными). Для функционирования системы количество неисправных узлов не должно превышать 1/3.
• Консенсус достигается в четыре этапа: 1) Клиент отправляет запрос на первичный узел. 2) Первичный узел рассылает запрос резервным узлам. 3) Узлы обрабатывают запрос и отвечают клиенту. 4) Консенсус достигается, когда клиент получает «m+1» ответов с одинаковым результатом от разных узлов.
• Лидер узлов может меняться в каждом «виде» консенсуса и при необходимости заменяться с помощью протокола смены вида. Узлы могут голосовать за легитимность текущего лидера.
• Ограничениями являются высокие коммуникационные накладные расходы, ограничивающие масштабируемость, и уязвимость к атакам Sybil. PBFT часто используется в сочетании с другими механизмами для преодоления этих проблем.

Proof-of-Burn (PoB)

• Proof of Burn (PoB) — это механизм консенсуса, при котором валидаторы демонстрируют свою приверженность, «сжигая» или навсегда отправляя монеты на адрес, с которого их нельзя потратить.
• Вместо инвестирования в дорогостоящее оборудование, валидаторы в системе PoB демонстрируют свою долгосрочную инвестицию в сеть, принимая на себя краткосрочные финансовые потери.
• Сжигание монет дает им шанс быть выбранными для майнинга новых блоков в ходе случайного отбора.
• Валидаторы могут сжигать native currency блокчейна или валюту другого блокчейна, например, Bitcoin.
• Вероятность быть выбранным для майнинга увеличивается с увеличением количества сжигаемой валюты.
• Хотя PoB представляет собой новую альтернативу доказательству работы (PoW), он по-прежнему вызывает опасения по поводу ненужной траты ресурсов. Критики также отмечают, что возможность майнинга может непропорционально благоприятствовать тем, кто может позволить себе сжечь больше валюты.

Доказательство емкости (PoC)

• Консенсус Proof-of-Capacity (PoC) используетнеиспользуемое пространство на жестком диске вместо интенсивных вычислений для проверки транзакций блокчейна. Участники выделяют хранилище для «прокладки» решений криптографических головоломок. Те, кто подает наиболее близкие ответы, проверяют блоки.
• На начальном этапе прокладки диски заполняются наборами данных, называемыми «плотами» — заранее вычисленными нонсами, хешированными с идентификаторами. Больше выделенной емкости напрямую увеличивает вероятность создания новых блоков. Эта спорадическая деятельность требует минимальных затрат энергии после настройки.
• Когда сеть выдает новую задачу, майнеры сканируют свои плоты в поисках наиболее близкого соответствия для проверки следующего блока. Победитель получает в награду криптовалюту.
• По сравнению с альтернативными вариантами, требующими интенсивных вычислений, такими как доказательство работы, энергоэффективность PoC и участие на основе хранилища позволяют обеспечить более устойчивую и доступную децентрализацию. Однако он имеет определенные ограничения в отношении настройки/обслуживания, накладных расходов на хранение и износа твердотельных накопителей.

👉 По сути, PoC заменяет интенсивное оборудование для майнинга криптовалюты на свободное цифровое хранилище. Однако его общие затраты и логистика требуют дальнейшего сокращения для массового внедрения. Тем не менее, эта модель предлагает ценный прогресс в демократизации консенсуса за счет инклюзивного распределения капитала.

Proof-of-Elapsed-Time (PoET)

• Proof-of-Elapsed-Time (PoET) направлен на повышение энергоэффективности консенсуса блокчейна в разрешенных средах между идентифицированными валидаторами.
• Этот подход эффективно использует лотерейную систему на основе Intel Software Guard Extensions (SGX) — надежной среды выполнения на совместимом оборудовании. SGX облегчает выборы лидера с доказанной случайностью для получения прав на производство блоков в каждом раунде за защитой программного обеспечения.
• Каждый валидатор запрашивает у SGX уникальное время ожидания. Валидатор, который вытянет самое короткое время ожидания, выиграет слот для производства блока после истечения его таймера. Процесс повторяется безопасно, без возможности манипуляций.
• Этот механизм случайного таймера позволяет обойти энергоемкие «майнинговые» головоломки, при этом по-прежнему непредсказуемо распределяя обязанности по созданию блоков. SGX предоставляет доказательства того, что выигравший валидатор прождал отведенное время.
• Благодаря предварительно одобренным валидаторам в разрешенных сетях, PoET может сосредоточиться на повышении эффективности, а не на идеалах децентрализации. Отказ от гонки вооружений в области оборудования также снижает барьеры для участия. Однако зависимость от доверенной среды SGX создает риск уязвимостей.

👉 По сути, PoET улучшает устойчивость корпоративных блокчейнов за счет замены жесткой вычислительной конкуренции на проверяемую случайность среди одобренных участников. Однако ограниченная применимость и допущения о доверии остаются сдерживающими факторами.

Доказательство активности (PoA)

• Доказательство активности — это гибридный механизм консенсуса, который сочетает в себе элементы доказательства работы (PoW) и доказательства доли владения (PoS) для обеспечения безопасности блокчейн-сети.
• Он начинается с майнинга с использованием PoW, где майнеры решают криптографические задачи, чтобы предложить новые блоки.
• Как только решение найдено, система переключается на механизм, похожий на PoS, где сеть автоматически выбирает группу валидаторов на основе их доли владения.
• Затем эти валидаторы подписывают блок, и если собрано достаточно подписей, блок добавляется в цепочку.
• Этот гибридный подход направлен на использование преимуществ PoW в плане безопасности и преимуществ PoS в плане энергоэффективности и управления.

Доказательство веса (PoWeight)

• Доказательство веса — это термин, который охватывает различные алгоритмы консенсуса, в которых вероятность создания участниками нового блока пропорциональна некоторой форме «веса», которым обладают участники.
• Этот вес может основываться на различных факторах, таких как количество имеющейся валюты (в PoS), объем предоставленного хранилища (в доказательстве емкости) или другие ресурсы.
• Основная идея заключается в том, что чем больше «вес» у валидатора, тем больше вероятность, что он будет выбран для создания следующего блока.

Доказательство важности (PoI)

• Доказательство важности — это механизм консенсуса, который учитывает не только баланс доли участника, но и его общее участие и поведение в сети.
• В PoI такие факторы, как частота и уровень транзакций, а также поддержка сети, влияют на оценку важности участника.
• Валидаторы с более высокими оценками важности имеют больше шансов быть выбранными для проверки транзакций и создания новых блоков.
• Это поощряет активное и полезное участие в сети.

Leased Proof of Stake (LPoS)

• Leased-proof-of-stake — это разновидность механизма доказательства доли владения, который позволяет заинтересованным сторонам «сдавать в аренду» свои монеты валидатору.
• Заинтересованные стороны могут делать это без передачи права собственности на свои монеты; вместо этого они делегируют свои права на долю владения валидатору.
• Затем валидатор использует накопленную мощность для участия в создании и валидации блоков.
• Вознаграждения обычно распределяются между валидатором и теми, кто сдает в аренду свои доли, пропорционально их вкладу.
• LPoS позволяет пользователям с меньшими долями участвовать в процессе консенсуса и получать вознаграждения, тем самым повышая безопасность и децентрализацию сети.

Заключение

Множество механизмов консенсуса позволяют блокчейн-сетям упростить доверие и координацию без централизованных посредников — каждый из них имеет свои преимущества и недостатки в таких аспектах, как безопасность, эффективность, децентрализация и устойчивость.

Как и в случае с энергоемким доказательством работы, впервые использованным в Bitcoin, ранние протоколы отдавали приоритет безопасности и децентрализации над масштабируемостью и эффективностью, что вызвало критику. Доказательство доли владения улучшило устойчивость за счет перестройки стимулов в соответствии с экономическими, а не вычислительными принципами, хотя и вызвало опасения по поводу долгосрочной централизации. Гибридные механизмы стремятся сбалансировать преимущества обеих областей.

Оптимальная структура консенсуса, вероятно, сочетает в себе все четыре свойства в соответствии с приоритетами конкретной ситуации. Применительно к цепочке поставок требуется эффективность, а публичные криптовалюты требуют строгой децентрализации. По мере проникновения блокчейна в новые отрасли, его базовый механизм координации также должен быстро развиваться за счет настраиваемых модулей.

Будущие достижения в области криптографии, сетей и даже квантовых вычислений могут открыть ранее невообразимые модели консенсуса. Критический путь вперед предполагает комплексный анализ не только количественных показателей, но и социальных последствий, от рисков консолидации власти до лазеек в системе стимулирования. Такое понимание окажется решающим для начала следующей волны роста блокчейна.

Хотите торговать криптовалютой и зарабатывать?

Хотите торговать криптовалютой безопасно, эффективно и с помощью мощной автоматизации? Обратите внимание на Bitsgap. Наша универсальная платформа разработана, чтобы усилить вашу торговлю. Получите доступ к более чем 15 биржам из одного интуитивно понятного интерфейса. Используйте предварительно оптимизированные бот-стратегии для автоматизации экспертных техник. Воспользуйтесь надежными инструментами управления портфелем и рисками, чтобы максимизировать доходность. И будьте на шаг впереди с нашими передовыми AI-помощниками, которые находятся в стадии разработки. Независимо от того, являетесь ли вы опытным профессионалом или только начинаете свой путь, Bitsgap предоставляет арсенал торговых инструментов, которые помогут вам повысить свою эффективность. Консолидируйте свои торговые операции на разных биржах. Автоматизируйте с помощью предварительно настроенных стратегий или настройте свои собственные. Анализируйте и управляйте своим портфелем как профессионал. И откройте для себя мир новых возможностей с AI на горизонте.