Что означает слово консенсус

Алгоритмы консенсуса составляют основу технологии блокчейн. Сегодня мы поговорим про этот неоценимый процесс в цифровой безопасности, рассмотрев лучшие из современных подходов.

Роль протоколов

Роль консенсусных алгоритмов заключается в достижении уровня надежности сети, построенной на серии узлов (устройств, соединённых с другими устройствами как часть компьютерной сети). Это означает, что, если совершена транзакция, то алгоритм начнет работать — обмениваться данными по сети, чтобы проверить, может ли данное действие иметь место.

Тот же процесс также применяется для создания новых узлов данных в блокчейне или при синхронизации сетевого оборудования, чтобы обеспечить согласованность всего консенсуса.

Консенсусные алгоритмы должны быть достаточно умными, чтобы предвидеть сбои в коммуникации внутри сети.

Алгоритм автоматически предположит, что некоторые процессы и системы будут недоступны и что в результате этого некоторые коммуникации будут потеряны. Чтобы противостоять этому, консенсусный алгоритм должен быть отказоустойчивым и работать для достижения заранее определенного консенсуса или одобрения, по крайней мере, от большинства машин в сети.

Виды протоколов

Не все блокчейны создаются одинаковыми, и многие сильно различаются в зависимости от типа алгоритма консенсуса, который они используют.

изображение кликабельно

Proof-of-Work

Самый известный алгоритм консенсуса — Proof-of-Work (PoW). Он представлен такими монетами, как Bitcoin, Ethereum и Litecoin. Подход PoW стал первым подобным алгоритмом и сегодня он продолжает широко использоваться.

PoW — это простая конструкция, которая, как известно, обладает высокой устойчивостью к кибератакам. Этот подход полностью зависит от вычислительных мощностей каждого члена сети для решения проблем и достижения консенсуса при проведении транзакции.

Тот факт, что он требует ввода данных в своей сети, делает PoW очень трудным для взлома (любая успешная атака потребует, по крайней мере, 50% мощности хеширования всей сети), но это также делает его чрезвычайно затратным с точки зрения энергопотребления. По некоторым оценкам, Биткойн использует 32 ТВтч энергии в год, что примерно равно количеству электроэнергии, используемой всей Данией.

В результате, многие отраслевые эксперты считают, что, хотя PoW и является надежным, но этот протокол уже по-немного начинает терять актуальность, и, как говорят, монеты, подобные Ethereum, изучают альтернативные меры по защите своих децентрализованных сетей. К тому же FOTON подсчитали, что вся криптоиндустрия может сэкономить около 36 миллиардов долларов в год, отказавшись от PoW.

Proof-of-Stake

Proof-of-Stake (PoS) рассматривается, по крайней мере Ethereum, как наследник трона блокчейна. PoS действует как гораздо более энергоэффективное и децентрализованное воплощение алгоритма консенсуса.

Переход крипто-гиганта Ethereum из PoW в PoS показывает потенциал, которым обладает альтернативный подход.

перенос Proof-of-Work на Proof-of-Stake

В тех случаях, когда PoW требует участия сети для совместной работы в создании узлов, PoS работает с вероятностями. Совет блокчейн определяет PoS следующим образом:

«Proof of Stake опирается на вероятностную модель для выбора валидаторов, где вероятность того, что валидатор получит блок для решения, прямо пропорциональна количеству монет, внесенных им в качестве залога для защиты сети. Этот залог может быть изъят, если было замечено какое-либо нарушение со стороны валидатора. Основная математическая головоломка похожа на ту, что используется в Proof of Work. Однако ее сложность значительно снижается»

Byzantine Fault Tolerance (BFT)

Byzantine Fault Tolerance (BFT) назван в честь старой математической загадки Задача византийских генералов. В известной загадке несколько византийских генералов окружили город своими армиями — они должны договориться о действиях при атаке или отступлении. Если решение не будет согласовано генералами, то операция приведет к катастрофе.

суть задачи

Создатели алгоритма консенсуса увидели связь между проблемой византийских генералов и проблемой поиска консенсуса в распределенной базе данных блокчейна. В некоторых приложениях, где целостность цепочки является обязательной, как, например, в платформах управления цифровыми активами, создание быстрой связи между сетями является краеугольным камнем использования блокчейна. Этот подход к алгоритму консенсуса основан на массовой координации.

Подробнее читайте в нашей статье.

Преимущества BFT-подхода в том, что это недорогое решение, которое можно масштабировать. Тем не менее, этот подход еще не завоевал доверие сообщества.

Основные типы алгоритмов консенсуса

Более 90% рынка криптовалют основано на трех основных согласованных алгоритмах:

• Proof of Work (PoW)
• Proof of Stake (PoS)
• Delegated Proof of Stake (DPoS)

Тем не менее, мы рассмотрим не только основные, но и некоторые другие механизмы, которые хоть и не были приняты многими проектами, но их очень интересно исследовать, и они могут сыграть большую роль в нашем будущем.

1. Proof of Work (PoW)

Данный согласованный алгоритм используется для выбора майнера, который сгенерирует следующий блок в цепочке. Bitcoin, Ethereum, Litecoin и многие другие мастодонты блокчейн-индустрии используют PoW в своей работе. Основная идея этого алгоритма состоит в том, чтобы решить сложную случайную математическую задачу, сгенерированную блокчейном и выдать решение. Особенностью данного алгоритма является сложность решения задачи, но при этом его можно легко перепроверить. Эта математическая головоломка требует больших вычислительных мощностей и, таким образом, узел, который решает головоломку, раньше остальных добирается до следующего блока. PoW стремится, чтобы атака на сеть была чрезмерно дорогой и требует высоких энергозатрат, так как майнеры потребляют энергоресурсы для предоставления услуг учета и безопасности сети. Недостатками данного механизма принято считать ограниченную масштабируемость и невысокую пропускную способность.

2. Proof of Stake (PoS)

Пожалуй, это наиболее распространенная альтернатива PoW. Даже Ethereum планирует переход от PoW к PoS консенсусу в ближайшем будущем. В этом типе алгоритма консенсуса вместо того, чтобы вкладывать средства в дорогостоящее оборудование для решения сложной головоломки, валидаторы вкладывают средства в монеты сети, блокируя часть своих монет в качестве ставки (стейкинг). После этого все валидаторы начинают проверять блоки, делая ставку на тот блок, который, по их мнению, может быть добавлен в цепочку. На основании фактических блоков, добавленных в блокчейн, все валидаторы получают вознаграждение, пропорциональное их ставкам, и их ставка увеличивается соответствующим образом. В конце концов, для генерации нового блока валидатор выбирается на основе его экономической доли в сети. Таким образом, алгоритм PoS поощряет валидаторов через механизм стимулирования для достижения консенсуса. Плюсами данного механизма считают повышенную масштабируемость на базовом уровне и потенциальную экономию энергии в сравнении с PoW. К недостаткам следует отнести риск централизации, что в свою очередь ведет к снижению безопасности. На PoS работают Peercoin, Lisk, PIVX и другие блокчейны.

3. Delegated Proof Of Stake (DPoS)

Механизм DPoS является развитием PoS, но, по сути, представляет собой алгоритм консенсуса другого типа, который основан на системах голосования. Вместо того, чтобы отдельные узлы выбирались случайным образом для выполнения проверки, сообщество держателей токенов использует свою долю (ставку) для голосования по выбранному количеству доверенных узлов, часто называемых делегатами. Они несут ответственность за проверку транзакций, поддержание сети и получают вознаграждение в обмен на транзакционные сборы. DPoS можно сравнить с представительной демократией — участники голосуют за доверенного представителя для защиты сети от своего имени. Избиратели могут заменить делегатов, если они действуют против интересов большинства заинтересованных сторон. Алгоритм DPoS был изобретен Дэном Ларимером и используется в проектах, у истоков которых он стоял, таких как BitShares, Steem, EOS, но также востребован и в других сетях, к примеру Tezos, Ark. Достоинствами DPoS являются высокая масштабируемость и более широкое распространение инфляции (более равномерное распространение свеженапечатанных токенов между валидаторами), а минусами недостаточная безопасность и устойчивая тенденция централизации в сети.

4. Proof of Elapsed Time (PoET)

PoET – один из самых справедливых согласованных алгоритмов, который выбирает следующий блок, используя только честные средства. Он широко используется во многих частных и корпоративных блокчейнах, в частности Hyperledger. В этом алгоритме каждый валидатор в сети получает реальный шанс создать свой собственный блок. Все узлы делают это, ожидая случайное количество времени и добавляя подтверждение своего ожидания в блоке. Созданные блоки передаются в сеть для рассмотрения остальніми участниками. Победителем является валидатор, который имеет наименьшее значение таймера в части доказательства. Блок победившего узла валидатора добавляется в блокчейн. В алгоритме есть дополнительные проверки, чтобы не дать узлам всегда побеждать на выборах, генерируя самое низкое значение таймера. Из плюсов можно выделить высокую эффективность и малую ресурсоёмкость, из минусов низкий уровень безопасности и зависимость от третьей стороны, разрабатывающей набор инструкций для процессора.

5. Proof of Authority (PoA)

PoA – это основанный на репутации алгоритм консенсуса, который использует ценность идентичности и репутации валидаторов блоков. В марте 2020 года группа разработчиков Ethereum во главе с Гэвином Вудом предложила PoA в качестве решения для спам-атак на тестовую сеть Ropstein Ethereum. PoA похож на PoS, за исключением того, что валидаторы вместо монет ставят свою репутацию. Доверенные узлы / валидаторы выбираются лидерами сетей, что делает PoA полезным только для частных блокчейнов. Используется в VeChain Thor, Microsoft Azure и других. Плюсы: высокая скорость транзакций, масштабируемость, невысокая стоимость обслуживания сети. Минусы: отказ от децентрализации, возможное злонамеренное поведение участников сети, которое практически невозможно предотвратить.

6. Proof of Capacity (PoC)

В консенсусе Proof of Capacity, валидаторы должны инвестировать свое место на жестком диске вместо того, чтобы вкладывать деньги в дорогостоящее оборудование или сжигание монет. Чем больше средств проверки пространства на жестком диске, тем больше у них шансов попасть на майнинг следующего блока и получить награду за блок. Используя хранилище вместо вычислений с ASICS, цепочки блоков PoC намного более энергоэффективные. На PoC работают проекты Filecoin, Storj, Burstcoin. Очевидные плюсы такого подхода в энергетической эффективности, минусы в недостаточной безопасности из-за подверженности атакам.

Существуют также другие консенсусные алгоритмы, такие как:

• Proof of Activity
• Proof of Weight
• Proof of Importance
• Proof of Participation
• Proof of History
• Leased Proof of Stake
• Proof of Burn
• Practical Byzantine Fault Tolerance

Но их использование в данный момент можно отнести скорее к частным случаям и инновациям, что может послужить темой для отдельной статьи.

Протоколы набирающие популярность

Delegated Proof-of-Stake (DPoS)

Этот алгоритм очень похож на PoS, но пользователи с большим количеством монет могут голосовать и выбирать представителей (других пользователей, которым они доверяют) для проверки транзакций, а ведущие представители (которые набрали наибольшее количество голосов) получают право проверять транзакции.

Пользователи могут даже делегировать свое право голоса другим пользователям, которым они доверяют, чтобы те смогли голосовать за других представителей сообщества от их имени.

Leased Proof of Stake (LPoS)

Leased Proof of Stake — усовершенствованная версия алгоритма Proof of Stake (PoS). Традиционно в алгоритме Proof of Stake каждый узел содержит определенную сумму криптовалюты и может добавить следующий блок в цепочку блоков. Однако, с помощью Leased Proof of Stake, пользователи могут сдавать в аренду свои монеты пользователям, держащим полные узлы (full nodes).

принцип работы LPoS

Чем выше сумма узла (вместе с монетами, взятыми в аренду), тем больше шансов, что для создания следующего блока будет выбран полный узел. Если узел выбран, пользователь будет получать процент от комиссии за транзакции, которые собирает этот узел. Протокол позволяет заработать на майнинговой деятельности, не ведя самого майнинга.

Proof of Elapsed Time (PoET)

Доказательство потраченного времени — это механизм, который предотвращает высокое использование ресурсов и высокого потребления энергии. Концепция была изобретена в начале 2020 года компанией Intel.

Каждый участвующий узел в сети должен ждать произвольно выбранный промежуток времени, и первый, завершивший назначенное время ожидания, находит новый блок.

Каждый узел в блокчейне генерирует случайное время ожидания и переходит в спящий режим на указанный промежуток времени. Тот, кто «просыпается» первым, — и есть тот участник, у которого самое короткое время ожидания. Он «просыпается» и включает новый блок в цепочку, передавая необходимую информацию всей одноранговой сети. Затем повторяется тот же процесс для обнаружения следующего блока.

Simplified Byzantine Fault Tolerance (SBFT)

В SBFT один назначенный генератор блоков собирает и проверяет предложенные транзакции, периодически объединяя их в новый блок. Консенсус обеспечивается Генератором, который применяет правила (проверки), согласованные узлами (ядрами цепочки) к блоку и назначенным подписчиком блока. Другие (множественные) назначенные подписчики блоков ратифицируют предложенный блок своими подписями.

Все члены сети знают идентификаторы подписавших блок и принимают блоки только в том случае, если они подписаны достаточным количеством подписантов.

Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT)

DBFT называется Делегированный византийский Отказоустойчивый механизм консенсуса, который обеспечивает крупномасштабное участие в консенсусе через голосование по доверенности. Владелец токена, голосуя, может выбрать бухгалтера, которого он поддерживает.

Выбранная группа бухгалтеров, через алгоритм BFT, достигает консенсуса и генерирует новые блоки.

Directed Acyclic Graphs (DAG)

DAG не имеет структуры данных Блокчейн и способен обрабатывать транзакции асинхронно.

Proof of Activity (POA)

Доказательство деятельности. Это смешанный подход, который объединяет два других часто используемых алгоритма, а именно: доказательство работы (POW) и доказательство ставки (POS).

В POA процесс майнинга начинается как стандартный процесс POW с участием различных майнеров, пытающихся опередить друг друга в нахождении решения нового блока с помощью более высокой вычислительной мощности. При обнаружении нового блока система переключается на POS с новым найденным блоком, содержащим только заголовок и адрес вознаграждения майнера.

Proof of Importance (Pol)

Доказательством важности является механизм, который используется для определения того, какие участники сети (узлы) имеют право добавлять блок в блокчейн. Этот процесс известен как сбор блоков. В обмен на сбор блоков, узлы могут взимать комиссию за транзакции в этом блоке.

Учетные записи с более высоким показателем важности будут иметь более высокую вероятность быть выбранным для сбора блоков.

Proof of Capacity (PoC)

Подтверждение емкости (POC) — это алгоритм согласованности используется в блокчейне и позволяет майнинг оборудованию использовать в сети доступное пространство на жестком диске для определения прав на майнинг вместо использования вычислительной мощности устройства.

Proof of Burn (PoB)

Доказательство сжигания. Протокол работает по принципу разрешения майнерам сжигать или уничтожать токены виртуальной валюты, что дает им право писать блоки пропорционально сгоревшим монетам.

Proof of Weight (PoWeight)

Доказательство веса (PoWeight) — эта модель консенсусного алгори каждого пользователя и определяет его вес в зависимости от количества монет, которыми тот владеет. Чем больше монет — тем лучше. Этот алгоритм обладает высокой масштабируемостью и является энергоэффективным, что является его сильной стороной.

PoWeight гарантирует, что большинство пользователей согласится с принятым решением. Однако большим минусом данного алгоритма является система получения вознаграждения за блок — она довольно сложная.

Будь в курсе последних новостей! Подписывайся на рассылку COINLIFE

До появления блокчейна биткоина было предпринято множество попыток создать децентрализованную платежную систему. Но все они были безуспешны, так как разработчикам не удавалось решить проблему достижения консенсуса. То есть механизма, который бы позволил достичь соглашения между всеми участниками сети и обеспечить ее работоспособность. На примере самых популярных алгоритмов консенсуса рассмотрим, как они устроены и как достигается соглашение в блокчейне.

Договорные отношения

Консенсус в общем понимании означает способ прийти к соглашению. В блокчейне, который представляет собой децентрализованную систему, не имеющую единого управляющего органа, для достижения консенсуса разработаны различные алгоритмы.

В блокчейн-сети не имеет значения, доверяют ли участники системы друг другу или нет. Они должны договориться об определенных принципах работы, которые будут касаться всех. И это – прямая функция механизма консенсуса.

Алгоритм консенсуса в блокчейне представляет собой набор определенных математических правил и функций, которые позволяют достичь соглашения между всеми участниками и обеспечить работоспособность сети. В настоящий момент есть несколько различных методов достижения консенсуса.

PoW

Объяснение механизма доказательства работы кроется в самом названии – Proof-of-work. Чтобы участвовать в проверке транзакции, участникам необходимо публично доказать проведенную работу. Это правило предотвращает атаку на систему, в том случае, если злоумышленник создает фейковых избирателей. Чем больше проделано работы, тем больше возможностей произвести следующий блок и получить вознаграждение. Но, важно отметить, что это всего лишь возможности, а не общее правило.

PoW считают самым легким и в то же время самым стабильным алгоритмом в контексте полной децентрализации и анонимности.

PoS

Механизм Proof-of-Stake очень похож на голосование среди акционеров компании — наибольшую власть получает тот, у кого больше всех акций. Таким образом, дело не в количестве голосов, а в их весомости.

Преимущество алгоритма в мотивации честно подтверждать транзакции. Недостаток в том, что в реальности сложно построить систему, основанную на PoS, которая предусмотрит все возможные злонамеренные сценарии поведения участников.

В PoW атака 51% теоретически возможна, хотя в действительности она бессмысленна для хакеров. В системе PoS атака возможна, если больше чем половина заинтересованных лиц тайно сговорится друг с другом.

До сих пор нет проверенного временем и гарантированно безопасного метода на основе PoS, все они в стадии разработки.

При этом, разработчики Ethereum прямо сейчас пытаются объединить преимущества PoW и PoS с помощью протокола Casper.

Tumisu / Pixabay

DPoS

Главная идея Delegated Proof-of-Stake состоит в том, что каждый пользователь может голосовать за представителей – тех, кто одобряет транзакции. Личности представителей заранее известны. Это могут быть авторитетные люди, известные своими успехами в сфере блокчейна.

Важно отметить, что система учитывает вес голосов. Чем больше конкретный избиратель имеет нативной (внутренней) валюты, тем больше может влиять на «выборы».

PoI

Proof of Importance (PoI) – алгоритм консенсуса, который представляет собой расширенную версию PoS. Кроме рассмотрения количества участников, обладающих монетами, алгоритм анализирует поведение участников. Например, где, когда и как часто монеты ими передаются. Таким способом, устраняется ситуация, когда богатеют только богатые.

BFT

Алгоритмы консенсуса Multisignature и Byzantine Fault Tolerance стоит рассмотреть вместе. Они используются для достижения согласия среди ограниченной по численности группы людей. В случае с Multisignature, это – единицы участников, в Byzantine Fault Tolerance — десятки. Byzantine Fault Tolerance имеет смысл только тогда, когда все стороны знают друг друга.

FBA

Federated Byzantine Agreement был первоначально применен в Ripple и позже был улучшен Stellar. Механизм разрешает достигать согласия среди большого количества участников, общее количество которых неизвестно.

Каждый участник доверяет ограниченному числу других участников, формируя «круг доверия», в котором они легко достигают согласия. В конечном счете получается много «кругов доверия», что так или иначе позволяет достигнуть полного согласия во всей сети.

Никто не идеален

Безусловно, ни один из алгоритмов консенсуса не является идеальным и нет универсального метода достижения согласия в децентрализованной или частично децентрализованной системе. У каждого механизма свои достоинства и недостатки. Вот почему алгоритмы непрерывно обновляются и дополняются.

Разработчики довольны креативны в вопросе создания консенсусов. И этому остается только порадоваться, потому что блокчейн без консенсуса, как смартфон без подключения к интернету – едва ли имеет смысл.

Источник: Cryptovest.com

Почему консенсус так важен в блокчейне

Консенсусные алгоритмы жизненно важны для того, чтобы блокчейны оставались полностью децентрализованными. Из-за децентрализованной природы блокчейна никогда не будет централизованного органа, который бы проверял и обновлял регистр с транзакциями и свежими данными. Поэтому заинтересованные стороны в сети должны решить на равноправной основе то, какие транзакции должны быть добавлены в блокчейн.

Схема работы консенсуса в блокчейне

Такой процесс достижения консенсуса в широко распространенной базе данных был бы невозможен, если бы не интеллектуальный алгоритм, способный автоматически проверять новые транзакции и связывать их со всем оборудованием в сети.

Без наличия подходящего согласованного алгоритма, децентрализованные системы должны были бы уступить централизованному источнику, который хранит и обрабатывает данные в одном месте, делая информацию, которую он хранит, уязвимой для цифровых атак и вмешательства тех, кому удастся получить доступ к его местоположению.

Как слово «консенсус» пришло в русский язык

Сегодняшняя письменная и разговорная речь русского человека богата словами иностранного происхождения. Они используются как в профессии, так и в быту, часто звучат с экрана телевизора. Некоторые из них прижились в нашем языке с давних времен, другие были позаимствованы позднее.

Слово «консенсус» появилось в нашем словаре относительно недавно, в конце 20-го века. Первыми его начали использовать юристы как профессиональный термин, затем оно пополнило словарный запас политиков. Наконец, широкое распространение оно получило благодаря частому использованию любителями красивых и звучных слов, – журналистами. Примерно в то же время наш лексикон обогатился такими терминами, как:

• менеджмент (управление)
• маркетинг (изучение спроса и предложения
• консалтинг (советы)
• брифинг (короткое совещание)
• кофе-брейк (перерыв на кофе)
• имидж (образ)
• лифтинг (косметическая операция)
• электорат (избиратели)
• менталитет (образ мышления)
• паркинг (автостоянка)
• плюрализм (разнообразие мнений)
• шопинг (поход за покупками)
• шоу (представление)
• форум (представительное собрание)

Возможности для совершенствования

Перечисленные алгоритмы консенсуса могут быть лидерами рынка в том, что касается нынешнего использования блокчейна, но у организаций есть много возможностей улучшить уже существующие модели.

Например, при запуске системы безопасности блокчейна REMME был создан алгоритм Proof-of-Service, целью которого является устранение недостатков его предшественников.

Именно благодаря использованию мастернод новая формула работает, обеспечивая согласованность и отказоустойчивость. Мастерноды отвечают за упрощение регистрации и отзыва открытых ключей в блокчейне.

Используя мастерноды, алгоритм консенсуса Proof-of-Service поддерживает жесткий уровень безопасности, одновременно снимая энергетическую нагрузку с остальной части сети. Тем самым обеспечивается надежный и несколько более экологичный подход к блокчейну, чем это было у предшественников.

Несмотря на то, что Proof-of-Work остается главной вехой, удерживающей многие самые популярных на сегодня криптовалюты, основанные на блокчейне, беспокойство Ethereum в связи с его устаревшей структурой сигнализирует о некоторой «золотой лихорадке» среди компаний в поиске правильного алгоритма консенсуса для продвижения отрасли вперед.