Обо мне:
Всем привет! На связи Константин Лачихин, финансовый инженер, аналитик, бизнес-консультант по внедрению блокчейн и крипто-технологий, майнинга, платежных решений, а также автор официальных образовательных программ по Web3 и DeFi для ведущих российских вузов. Сегодня я затрону важную и довольно сложную тему, а именно типы консенсус-механизмов блокчейна.
В чем суть консенсус-механизмов блокчейна?
Одной из фундаментальных технологий, изменивших цифровой мир, стала технология блокчейн. Она лежит в основе большинства современных криптовалют и других децентрализованных систем, которые стремятся быть надежными, безопасными и устойчивыми. Одним из ключевых элементов блокчейна является механизм консенсуса — метод, с помощью которого узлы распределенной сети приходят к согласию и одобряют записи данных. В отличие от централизованных систем, где управление и контроль данных принадлежат одному органу, блокчейн полагается на децентрализованную сеть участников, у которых нет необходимости доверять друг другу. Механизм консенсуса обеспечивает, чтобы все узлы сошлись на единой версии данных, предотвращая такие атаки, как двойная трата или внесение ложной информации. Без механизмов консенсуса цепочки данных блокчейна могли бы стать противоречивыми и недостоверными. Более того, одна из проблем децентрализованных систем, которую решают консенсус-механизмы, — это проблема двойного расходования Double-spending. В централизованных цифровых финансовых системах этот вопрос решается наличием контролирующего субъекта, например, банка. Дайте знать, если хотите по этой теме отдельную статью!
Как вы видите, типов консенсус-механизмов очень много, поэтому я уделю внимание самым популярным и востребованным среди них.
Proof-of-Work (PoW)
Proof-of-Work (PoW) — это один из важнейших и самых узнаваемых механизмов консенсуса блокчейна, который стал основой первой криптовалюты — Bitcoin. Именно PoW открыл миру новый способ достижения соглашения внутри децентрализованных систем, обеспечивая безопасность и доверие благодаря математическим расчетам и вычислительным усилиям. Энергозатратность PoW часто вызывает споры, но нельзя отрицать его историческую значимость и продолжающееся применение в ряде криптопроектов.
Идея Proof-of-Work не нова и появилась задолго до Bitcoin. Первое упоминание об этом концепте можно найти в работе Синтии Дворк и Мони Наор 1993 года. Они предложили механизм, где выполнение сложной вычислительной задачи могло бы стать доказательством трудозатрат для защиты от спама или улучшения безопасности компьютерных систем.
Позже, в 1997 году, британский криптограф Адам Бэк разработал систему Hashcash, которая использовала Proof-of-Work для борьбы с электронным спамом. Он ввел концепцию, предполагающую, что отправитель электронной почты должен выполнить сложные вычисления, чтобы отправить сообщение. Подход оказался достаточно эффективным, однако концепция обрела свою истинную популярность лишь с появлением технологии блокчейн, когда Сатоши Накамото сделал Proof-of-Work центральной частью консенсуса Bitcoin в 2009 году.
Как работает PoW?
В Proof-of-Work узлы соревнуются друг с другом, решая сложные математические задачи, требующие огромных вычислительных мощностей. Как только один из узлов решает задачу, он предлагает созданный блок другим участникам сети, которые проверяют его корректность. Если все согласны, то блок добавляется в цепочку, и майнер получает вознаграждение.
Давайте рассмотрим процесс более подробно:
- Формирование блока: Узел, который хочет майнить блок, собирает транзакции из сети в блок-кандидат. У каждой транзакции должны быть цифровые подписи и подтверждения для ее достоверности.
- Хэширование и математическая задача: Для того чтобы блок стал частью блокчейна, майнеры должны вычислить криптографический хэш — уникальное число фиксированной длины (например, в Bitcoin используется алгоритм SHA-256). Задача состоит в том, чтобы найти хэш, соответствующий определенному условию. Например, хэш должен начинаться с определенного количества нулей.
- Соревнование майнеров: Все узлы сети соревнуются между собой за право открыть блок. Первый майнер, который находит правильный хэш, отправляет его в сеть для проверки.
- Проверка сети: После того как майнер находит правильное решение, другие узлы сети быстро проверяют его корректность. Это вычисление значительно проще и выполняется быстрее, чем первоначальная задача.
- Добавление блока: После проверки новый блок добавляется в цепочку (блокчейн), а майнер, нашедший решение, получает вознаграждение, которое состоит из награды за блок (например, в Bitcoin— это фиксированное количество BTC, которое уменьшается после каждого халвинга) и комиссии за транзакции.
Proof-of-Stake (PoS)/Proof-of-Ownership
Proof-of-Stake (PoS) или «доказательство доли» — это один из самых популярных и энергоэффективных механизмов консенсуса, который стал альтернативой более энергоемкому Proof-of-Work (PoW). В отличие от PoW, где консенсус достигается путем огромных вычислительных затрат, PoS основывается на доле владения токенами, чтобы определить, кто имеет право добавлять новые блоки в цепочку блокчейна.
Идея Proof-of-Stake была предложена в 2011 году в сообществе Bitcoin как возможная замена энергозатратному PoW. Впервые механизм был реализован в 2012 году в блокчейне Peercoin, который стал первым проектом, внедрившим PoS (совместно с PoW). Однако долгое время PoS оставался малопопулярным, уступая доминирующему на тот момент PoW. Ситуация изменилась в последние годы, когда экологические проблемы, вызванные высоким потреблением энергии PoW, стали центром обсуждений. Ряд популярных блокчейнов выбрали Proof-of-Stake как основной механизм консенсуса. Особенным толчком для популяризации PoS стал переход Ethereum с Proof-of-Work на Proof-of-Stake в сентябре 2022 года.
Принципы работы Proof-of-Stake
Proof-of-Stake предлагает радикально иной подход к созданию блоков и подтверждению транзакций:
- Доля владения (stake): В PoS вероятность того, что узел (валидатор) получит право создать следующий блок, пропорциональна количеству токенов, которые он «ставит» в сети. Чем больше токенов валидатор «застейкал», тем выше его шансы внести блок.
- Процесс блокирования стейка: Чтобы участвовать в консенсусе, валидаторы должны заблокировать определенное количество токенов. Этот депозит (стейк) становится залогом честного поведения участника. Если валидатор нарушает правила сети (например, пытается подтверждать сфальсифицированные транзакции), его токены могут быть оштрафованы или уничтожены.
- Выбор валидаторов: Алгоритм PoS случайным образом выбирает валидатора для создания следующего блока. При этом вероятность быть выбранным тем выше, чем больше токенов валидатор поставил в стейк. Некоторые системы также используют дополнительные факторы, такие как возраст монет (насколько давно они находятся в стейке) или случайность, чтобы избежать чрезмерной концентрации власти.
- Вознаграждение валидаторов: Валидаторы получают вознаграждение за создание новых блоков и проверку транзакций. Наградой обычно являются комиссия за транзакции в блоке и новые выпущенные токены.
- Проверка блока: После того как валидатор создает блок, другие участники сети проверяют его корректность. Если с большинством подтверждений блок признается валидным, он добавляется в цепь.
Delegated Proof-of-Stake (DPoS)
Delegated Proof-of-Stake (DPoS) или «делегированное доказательство доли», — это механизм консенсуса, созданный с целью повысить масштабируемость, производительность и демократичность децентрализованных сетей. DPoS является усовершенствованной формой классического Proof-of-Stake (PoS) и считается одним из самых быстрых и энергоэффективных консенсус-алгоритмов, поскольку минимизирует необходимость участия большого числа узлов в процессе подтверждения транзакций, передавая часть полномочий делегатам.
В 2013 году Даниэл Лаример разработал механизм Delegated Proof-of-Stake как альтернативу Pow и PoS, чтобы решить три важные проблемы традиционных механизмов консенсуса: низкую пропускную способность транзакций, высокие энергозатраты и ограниченное разделение власти среди участников сети. Первая реализация DPoS была представлена в блокчейне BitShares, а позднее механизм был успешно внедрен в других крупных проектах, таких как EOS, Steem и Tron. DPoS быстро стал механизмом выбора для многих блокчейнов, стремящихся к высокой производительности и масштабируемости.
Как работает DPoS?
Delegated Proof-of-Stake сохраняет основы Proof-of-Stake, такие как использование доли владения токенами (stake), но добавляет новый слой, связанный с делегированием полномочий. Вместо того, чтобы все узлы сети валидировали блоки самостоятельно, пользователи голосуют за делегатов (валидаторов), которые берут на себя эту обязанность.
Принцип работы DPoS
- Стейкинг токенов: Участники сети (пользователи) блокируют свои токены для голосования за делегатов. Чем больше токенов у пользователя находится в стейке, тем больший вес имеют его голоса.
- Выбор делегатов: На основе голосов участников сети избирается ограниченное число валидаторов (обычно от 21 до 100, в зависимости от конкретной сети), называемых делегатами. Они отвечают за создание новых блоков и проверку транзакций.
- Создание блоков делегатами: Избранные делегаты работают в строгой очередности. Каждый делегат отвечает за создание блока в течение определенного временного интервала (слота). Если делегат не создаст блок вовремя, эта возможность передается другому валидатору, а пропустивший свое время может лишиться дальнейших полномочий.
- Голосование и переизбрание: Процесс выбора делегатов является постоянным. Участники сети могут в любое время переголосовать или изменить своих делегатов, если считают, что те выполняют свои функции недостаточно хорошо.
- Вознаграждение делегатов: Делегаты получают награды за создание новых блоков и проверку транзакций. Эти награды могут быть частично распределены между пользователями сети, которые голосовали за данного делегата, стимулируя их к участию в голосовании.
Proof-of-Action (PoA)
Proof-of-Action (PoA) или «доказательство действия», — это относительно новый и редкий тип механизма консенсуса, который объединяет принципы Proof-of-Work (PoW) и Proof-of-Stake (PoS). PoA обеспечивает баланс между майнерами и обычными участниками сети. Участники могут как майнить, так и закладывать долю для валидации блоков.
Принцип работы 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. PoA используется в блокчейн-проектах Decred (DCR) и Espers (ESP).
Proof-of-Authority (PoA)
Proof-of-Authority (PoA) или «доказательство полномочий», — это консенсусный механизм, основанный на доверии к личности или репутации ограниченного круга участников, которые имеют право подтверждать блоки в блокчейне. Этот алгоритм был предложен Гэвином Вудом, одним из основателей Ethereum, в 2017 году и стал популярным благодаря своей эффективности, особенно в приватных блокчейнах. По сравнению с традиционными механизмами, такими как Proof-of-Work (PoW) и Proof-of-Stake (PoS), PoA жертвует децентрализацией ради высокой производительности, скорости обработки транзакций и низких издержек. PoA чаще всего применяется в частных сетях, тестовых блокчейнах и локальных средах разработки, где нет необходимости в полной децентрализации и требуется быстрый консенсус.
Принципы работы Proof-of-Authority
- Ограниченный круг валидаторов: В сети с PoA заранее определяется список валидаторов (так называемых авторизированных узлов), которые имеют исключительное право на создание блоков. Эти узлы идентифицированы публично, что гарантирует их прозрачность.
- Репутация вместо вычислительных или финансовых вложений: В отличие от Proof-of-Work, где консенсус достигается за счет мощностей вычислений, или Proof-of-Stake, где важен объем токенов, механизм Proof-of-Authority основан на репутации валидаторов, подтвержденной их публичной идентификацией или производственными качествами. Если валидатор нарушает правила, его можно легко заменить, так как его личность известна.
- Создание блоков по очереди: Валидаторы работают по заранее установленному порядку и фиксированному интервалу времени, что делает процесс предсказуемым. Если валидатор по какой-то причине не создаст блок в свою очередь, то право генерировать его перейдет следующему в списке.
- Простое управление благодаря централизованности: Поскольку количество валидаторов ограничено, управление сетью можно быстро адаптировать к изменяющимся условиям. Добавление или исключение валидаторов происходит с помощью голосования внутри сети.
- Механизм предотвращения злоупотреблений: Для предотвращения возможных атак или хаоса в сети валидатор не может генерировать блок за пределами своей очереди. Если он намеренно пропускает свои обязанности или действует некорректно, остальные валидаторы могут провести голосование за его удаление.
Proof of Burn (PoB)
Proof of Burn (PoB) или «доказательство сжигания», — это механизм консенсуса, который обеспечивает достижение соглашения между участниками блокчейн-сети благодаря процессу фактического уничтожения (сжигания) криптовалюты с целью получения права на создание новых блоков. Основная цель PoB — добиться высокой безопасности и децентрализации при снижении энергозатрат, что делает его привлекательным для разработки и эксплуатации блокчейнов.
Механизм PoB представляет собой формулу инвестиций, при которой пользователи жертвуют своими токенами (или другими активами) и взамен получают право на дальнейшее участие в процессе создания блоков и получение вознаграждений. Простыми словами, сжигание токенов символизирует вклад пользователя в развитие сети, что гарантирует его серьезное намерение участвовать в механизмах блокчейна.
Как работает Proof of Burn?
Участники отправляют токены (или другие криптоактивы) на специальный, заранее установленный адрес, известный как «адрес для сжигания», где они становятся навсегда недоступными для использования. Эти токены удаляются из оборота, и их невозможно восстановить или использовать повторно. Такой процесс является доказательством обязательства участника о вкладе в сеть. За это он получает право участвовать в создании новых блоков и подтверждении транзакций. Примерами криптовалют, использующих протокол доказательства сжигания, являются Slimcoin (SLM), Counterparty (XCP) и Factom (FCT).
Proof of Capacity (PoC)
Proof of Capacity (PoC), также известный как Proof of Space (PoSpace), — это механизм консенсуса для блокчейнов, который предоставляет участникам сети право подтверждать транзакции и создавать блоки на основе объема свободного места на их устройствах хранения данных (например, жёстких дисков). Proof of Capacity акцентирует внимание на использовании доступного пространства памяти, что делает его энергоэффективным и доступным для более широкой аудитории. Этот механизм получил популярность благодаря таким проектам, как Burstcoin и Chia, и позиционируется как более экологически устойчивый и децентрализованный подход к майнингу.
Proof-of-Elapsed Time (PoET)
Proof-of-Elapsed Time (PoET) или «доказательство истекшего времени», — это современный механизм консенсуса, разработанный для блокчейнов с целью достижения высокой производительности, энергоэффективности и справедливости выборов узлов для создания блоков. Модель PoET была предложена корпорацией Intel и реализована как часть их технологии Intel Software Guard Extensions (SGX), чтобы обеспечить безопасное выполнение алгоритмов в доверительной среде. Этот механизм консенсуса предназначен для использования в сетях с разрешением на участие, таких как корпоративные блокчейны и консорциумы.
Основным элементом PoET является использование случайного распределения времени ожидания для выбора узлов, которые получают право создать блок. Консенсус на основе истекшего времени минимизирует вычислительную нагрузку (по сравнению с Proof-of-Work) и избегает зависимости от владения токенами (как в Proof-of-Stake), делая алгоритм экономически эффективным и экологически устойчивым.
Как работает Proof-of-Elapsed Time?
Механизм Proof-of-Elapsed Time основан на идее равных шансов для всех честных участников получить возможность создать новый блок. Для этого используется случайное время ожидания, которое определяется с помощью безопасной компьютерной среды. Во время периода ожидания каждый из узлов переходит в «спящий режим» на определенное время. Первый проснувшийся (то есть тот, у кого наименьшее время ожидания) получает право на добычу. Такая рандомизация гарантирует, что каждый участник имеет равные шансы стать победителем, обеспечивая справедливость в сети.
Proof-of-History (PoH)
Proof-of-History (PoH) или «доказательство истории», — это инновационный механизм консенсуса, предназначенный для повышения эффективности и скорости работы блокчейнов. Этот алгоритм был предложен командой проекта Solana, чтобы устранить основные недостатки Proof-of-Work (PoW) и Proof-of-Stake (PoS), при сохранении высокой пропускной способности, временной синхронизации между узлами и децентрализации.
Основным новшеством PoH является интеграция временной метки в концепцию консенсуса. Это позволяет сети сохранять последовательность событий и транзакций без необходимости полного согласия на каждом этапе выполнения — узлы формируют доверие на основе встроенной в блокчейн хронологии. Proof-of-History фокусируется на использовании криптографического доказательства для объективной фиксации времени, что решает одну из ключевых проблем децентрализованных систем: точный учет последовательности и времени транзакций.
Как работает PoH?
- Генерация криптографического «часового пояса»: В основе PoH лежит криптографический алгоритм, который создает уникальный шифр на основе времени. Он использует функцию задержки (Verifiable Delay Function, VDF), которая требует определенного времени на выполнение, но легко проверяется другими участниками. Каждый новый выход функции зависит от предыдущего ввода, создавая линейную и неизменяемую цепочку данных.
- Запись временных меток: Алгоритм фиксирует определенные события (транзакции, состояния сети) с временными метками, которые затем могут быть проверены всеми участниками. Это позволяет определить, когда и в каком порядке произошли события, даже до их включения в блок.
- Оптимизация подтверждений транзакций: Зафиксированные временные метки служат «доказательством времени», которое сокращает необходимость прямого взаимодействия между узлами. Узлы могут доверять этим меткам без необходимости повторного расчета или консенсуса в реальном времени.
- Интеграция с другим механизмом консенсуса: Хотя Proof-of-History своими криптографическими метками фиксирует порядок событий, он сам по себе не гарантирует выбор узла для генерации блоков. Поэтому PoH часто сочетается с традиционными механизмами, такими как Proof-of-Stake (в случае Solana). Узел-валидатор, выбранный по правилам PoS, использует PoH для записи блока на основе временной последовательности.
Proof-of-Importance (PoI)
Proof-of-Importance (PoI) или «доказательство важности», — это механизм консенсуса, разработанный для повышения справедливости и стимулирования активного участия пользователей в сети. Этот тип консенсуса впервые был реализован проектом NEM (New Economy Movement) и является инновационной альтернативой более традиционным методам.
По сравнению с другими алгоритмами консенсуса, Proof-of-Importance учитывает не только владение токенами, но и активность пользователей, их вклад в сеть и степень их взаимодействия с другими участниками. Это делает PoI уникальным, так как он направлен на построение устойчивой экосистемы, в которой вознаграждаются полезные действия, а не просто обладание большим количеством токенов.
Основные принципы работы Proof-of-Importance
Proof-of-Importance основан на математической модели, которая рассчитывает «важность» каждого участника сети. Эта важность определяет вероятность того, что участник сможет выбрать узел для валидации транзакций и добавления новых блоков. Ключевая идея заключается в том, чтобы вознаграждать тех, кто активно использует сеть, а не только тех, кто накапливает токены.
Алгоритм PoI опирается на три ключевых компонента:
Объем токенов на счету (баланс): Весомым фактором при расчете важности участника является количество токенов, находящихся на его счету. Однако в отличие от Proof-of-Stake, PoI уделяет больше внимания токенам, которые долго остаются активными и используются в транзакциях.
Активность транзакций: В сети PoI учитывается частота и объем транзакций пользователя. Чем больше транзакций проводит узел (и чем больше пользователей вовлечены в эти операции), тем выше его важность.
Связанность с другими узлами (сетевая активность): Для определения важности учитывается степень взаимодействия с другими участниками сети. Это помогает стимулировать создание сети, в которой активность и сотрудничество вознаграждаются. Чем больше узел взаимодействует с экономически активными участниками, тем выше его важность.
Эти три компонента формируют комплексный показатель, известный как оценка важности (importance score). Этот показатель обновляется в реальном времени, на основе которого определяется вероятность того, что данный узел будет выбран для создания следующего блока.
Итоги:
Механизмы консенсуса являются фундаментальной частью блокчейн-технологий, определяя правила, по которым участники сети достигают согласия относительно добавления новых блоков и валидации транзакций. Различные типы консенсусных алгоритмов развивались с целью решения проблем, присущих классическим моделям, таких как энергоемкость, централизация, низкая масштабируемость или снижения мотивации участников. Сегодня наблюдается переход от энергоемких механизмов к более сбалансированным и производительным решениям, которые предлагают PoS, PoI и PoH. Однако нельзя сказать, что один алгоритм превосходит остальные во всех аспектах: все они разрабатывались для различных сценариев использования и задач.
Как вам статья? Делитесь в комментариях! Очень интересно будет почитать)
Всех интересующихся майнингом и криптоиндустрией жду в Telegram-канале. Приходите, там много всего полезного! @W3M_SPACE_CHANNEL