Технологія блокчейн, завдяки своїй децентралізованій та розподіленій архітектурі, створює систему, яка мінімізує корупційні ризики та гарантує підвищений рівень захисту, відкритості та незмінності даних. Це вже загальновідомий факт! Але чи виникало у вас питання, яким чином функціонує ця система без наявності центрального керуючого органу, і як саме приймаються рішення щодо підтвердження транзакцій?
Однією з найважливіших переваг технології блокчейн є її здатність створювати надійну однорангову систему, де учасники спільноти беруть участь у перевірці автентичності транзакцій. Проте, чи задумувалися ви, як саме це відбувається? Різні блокчейни використовують різноманітні методи, які називаються алгоритмами консенсусу блокчейну.
Ці алгоритми, також відомі як консенсусні протоколи, представляють собою набори правил, що визначають функціонування мереж. Якщо ця тема вас зацікавила, ознайомтеся з нашим детальним посібником, щоб дізнатися про сутність алгоритмів консенсусу блокчейну, їх призначення, принципи роботи та відмінності між двома найпоширенішими типами, що використовуються на сьогодні.
Принцип роботи блокчейнів
Блокчейн є системою для реєстрації даних, яка характеризується неможливістю їх зміни або підробки. Блокчейн, також відомий як технологія розподіленого реєстру (DLT), використовує децентралізацію та криптографічне хешування для формування безпечної та прозорої історії цифрових активів.
Хоча принцип дії блокчейну є досить складним, аналогія може допомогти зрозуміти його основні механізми. Найпростішим прикладом є Google Docs. Замість того, щоб створювати копії та передавати документи між членами команди, ви можете ділитися та поширювати їх безпосередньо через Google Docs.
Google Docs використовує децентралізовану систему розповсюдження, що надає всім членам команди одночасний доступ до документа. Будь-які зміни, внесені в документ, фіксуються в режимі реального часу та є прозорими, оскільки жоден з учасників не має виключного контролю.
Кожен блок у ланцюжку блоків містить інформацію про декілька транзакцій. Коли користувач додає нову транзакцію до блокчейну, її запис додається до всіх копій реєстру, що зберігаються в учасників мережі.
Аналогічно, будь-яка зміна одного блоку в ланцюжку стає очевидною для всіх комп’ютерів-учасників. Зловмисник, який спробує скомпрометувати систему, повинен буде внести зміни в усі блоки ланцюжка в кожній його розподіленій версії.
Що таке механізм консенсусу блокчейну?
Механізм консенсусу – це алгоритм, за допомогою якого група людей без наявності вищого центрального органу може приймати рішення та гарантувати дотримання домовленостей. У контексті блокчейну алгоритм консенсусу визначає процес, завдяки якому користувачі або учасники мережі досягають спільної згоди щодо стану блокчейну в режимі реального часу.
Консенсусний протокол забезпечує надійність та довіру між учасниками мережі блокчейн, а також гарантує безпеку в межах розподіленого реєстру. Алгоритм консенсусу є невід’ємною частиною кожної блокчейн-програми або проєкту DApps.
Механізми консенсусу блокчейну зазвичай відповідають за такі три функції:
- Гарантують, що наступний блок у ланцюжку є єдиною правильною версією істини.
- Запобігають можливості зловмисникам отримати 51% хеш-потужності, захопити контроль над системою та успішно розгалузити ланцюжок.
- Забезпечують надійність мережі, включаючи велику кількість вузлів, що є критично важливим для підтвердження її цілісності. Одним з найважливіших завдань механізмів консенсусу є запобігання подвійному витрачанню криптовалюти.
Інші постачальники фінансових послуг, наприклад, компанії, що випускають кредитні та дебетові картки, не використовують механізми консенсусу, оскільки, на відміну від блокчейн-компаній, вони контролюють свої мережі. Кожного разу, коли ви використовуєте їхні кредитні картки, система відправляє інформацію до центральної бази даних. Користувачі кредитних карток покладаються на те, що компанії можуть захистити як їхні дані, так і процес обробки транзакцій.
Оскільки лише компанія, що випустила кредитну картку, має контроль над мережею, вона має право скасовувати або цензурувати будь-яку транзакцію. Окрім права на цензурування та неможливості вирішувати суперечки, більшість централізованих баз даних дуже вразливі до ризику злому та пошкодження.
З появою блокчейну та криптовалют стало можливим проводити однорангові транзакції, які є надійними, незмінними та доступними для відстеження в децентралізованій мережі. Оскільки в таких мережах відсутній центральний орган влади, який би контролював дотримання правил, різні алгоритми консенсусу блокчейну гарантують, що кожен учасник мережі погоджується з правилами та дотримується їх.
Цілі механізмів консенсусу в блокчейні
Нижче наведено основні цілі механізмів консенсусу в блокчейні.
#1. Єдина згода
Досягнення єдиної згоди є одним із головних завдань механізму консенсусу. Протоколи, вбудовані в розподілену мережу блокчейн, гарантують, що усі дані, введені в процесі, є достовірними та точними, а також що стан реєстру залишається актуальним. Завдяки цьому користувачі можуть здійснювати транзакції без необхідності встановлювати довіру з кожним контрагентом.
#2. Створення спільного економічного стимулу
Оскільки блокчейн є системою, яка не залежить від довіри та саморегулюється, інтереси всіх учасників мають бути узгоджені. У такій ситуації консенсусний алгоритм блокчейну винагороджує тих, хто дотримується встановлених правил, та карає порушників, одночасно керуючи економічними стимулами.
#3. Чесність і справедливість
Консенсусні протоколи гарантують, що всі зацікавлені учасники мають можливість брати участь в мережі на рівних умовах. Це підкріплює ідеї децентралізації та відкритості блокчейн-системи.
#4. Усунення збоїв
Механізм консенсусу також гарантує узгодженість, надійність та відсутність збоїв у блокчейні, що означає, що система може працювати безперебійно в будь-який час, навіть під час збоїв та зовнішніх загроз.
Типи консенсусних алгоритмів блокчейну: Proof-of-Work проти Proof-of-Stake
В екосистемі блокчейну існує багато консенсусних алгоритмів, і багато з них перебувають у процесі розробки. Тому кожному користувачу або підприємцю важливо бути ознайомленим з особливостями різних механізмів консенсусу та вміти ідентифікувати недоліки. Після розуміння основних принципів консенсусних алгоритмів блокчейну, настав час дослідити сильні та слабкі сторони двох найпоширеніших методів консенсусу.
Proof-of-Work (PoW) та Proof-of-Stake (PoS) є найбільш широко використовуваними методами консенсусу в блокчейні. Обидва регулюють процес перевірки однорангових транзакцій та їх додавання до загальнодоступного розподіленого реєстру блокчейну без наявності центрального органу. Розуміння відмінностей між PoW та PoS допоможе вам об’єктивно оцінити криптовалюти у вашому портфелі.
Що таке Proof-of-Work (PoW)?
Метод консенсусу Proof-of-Work був вперше застосований на початку 1990-х років для боротьби зі спамом електронною поштою. Ідея полягала в тому, що комп’ютер повинен виконати певну кількість роботи, перш ніж відправити електронний лист. Ця робота мала бути тривіальною для тих, хто відправляє звичайні повідомлення, але вимагала б великих ресурсів та обчислювальної потужності для тих, хто має намір розсилати масові повідомлення. Творець біткойна, Сатоші Накамото, першим застосував цю технологію в контексті цифрових грошей у технічному документі про біткойн.
a. Порядок блоків у блокчейні
Вам вже відомо, що блокчейн складається з ланцюжка блоків, які представляють групи транзакцій, розташованих у хронологічному порядку. Перший блок у блокчейні, що використовує принцип Proof-of-Work, жорстко закодований у програмному забезпеченні і називається блоком 0 або блоком Genesis. Перший блок не посилається на попередні блоки, але всі наступні блоки, що входять до складу блокчейну, мають посилатися на попередні блоки. Кожен блок містить копію оновленого реєстру.
b. Використання енергії
Алгоритм Proof-of-Work використовує принцип конкуренції, щоб визначити, хто з учасників (майнерів криптовалюти) отримає право створити новий блок у реєстрі. Майнери повинні використовувати обчислювальну потужність, щоб мати право запропонувати валідний блок згідно з правилами мережі.
Комп’ютери, що використовують програмне забезпечення Bitcoin, відомі як вузли, перевіряють транзакції, запобігають подвійному витрачанню та визначають, чи повинен будь-який із запропонованих блоків бути доданий до ланцюжка. Майнери біткойнів змагаються між собою за можливість створити новий блок, вирішуючи складні математичні задачі через процес, який називається хешуванням. Математичні задачі є складними для вирішення, але мережа може легко перевірити правильність отриманого рішення.
c. Участь
Метод консенсусу PoW поєднує обчислювальну потужність з криптографією для досягнення консенсусу та перевірки транзакцій, що записуються в блокчейні. Майнери, які беруть участь у процесі хешування, повинні згенерувати правильну відповідь на математичну задачу, щоб отримати право додати новий блок до ланцюжка.
Майнери, що беруть участь, вгадують рядок псевдовипадкових чисел, які, поєднуючись з інформацією в блоці та проходячи через комп’ютер з хеш-функцією, мають дати рішення, яке відповідає умовам, заданим алгоритмом заздалегідь.
Після отримання відповіді система транслює виграшний хеш у мережу для перевірки іншими майнерами. Якщо хеш підтверджено, блок додається до блокчейну, а успішний майнер отримує винагороду за блок.
d. Розподіл винагороди
Майнер, чий блок визнано дійсним у мережі, отримує винагороду за блок, зазвичай у формі нової криптовалюти. Для криптовалют, таких як біткойн, блокчейн систематично зменшує розмір винагороди за блок після створення певної кількості блоків, щоб зберігати загальний обсяг коштів обмеженим та дефляційним.
Що таке Proof-of-Stake (PoS)?
Метод консенсусу Proof-of-Stake (PoS) є модифікацією PoW, який був представлений у 2012 році. Замість того, щоб покладатися виключно на комп’ютери, які конкурують між собою за створення правильного хешу, мета протоколу консенсусу PoS полягає у наданні можливості участі через право власності на певну криптовалюту. Основною метою розробки PoS було подолання проблем, пов’язаних з високим енергоспоживанням PoW під час визначення порядку блоків у блокчейні.
Алгоритм PoS використовує заздалегідь визначений набір факторів для псевдовипадкового вибору вузла серед власників монет, який запропонує наступний блок для блокчейну. Обраний вузол перевіряє правильність транзакцій у блоці, підписує та пропонує блок для включення в блокчейн.
a. Порядок блоків у блокчейні
Як і у випадку з PoW, метод консенсусу PoS складається з ланцюжка блоків, розташованих у хронологічному порядку. Перший блок у блокчейні на основі PoS також жорстко закодований у програмному забезпеченні блоку genesis. Усі наступні блоки, додані до блокчейну, повинні посилатися на попередній блок і мати повну копію оновленого реєстру. Однак, на відміну від методу PoW, вузли-учасники не конкурують між собою за право додавати нові блоки. В результаті нові блоки зазвичай карбуються (mint), а не видобуваються (mine).
b. Використання енергії
Блокчейни на основі PoS є відомі своєю енергоефективною системою визначення того, хто може пропонувати нові блоки. Вони не залежать від високого енергоспоживання та обчислювальної потужності. Прихильники методу консенсусу PoS називають його екологічно чистим механізмом, де окремому вузлу призначається завдання створювати нові блоки замість того, щоб конкурувати з іншими.
Оскільки як майнінг PoW, так і PoS вимагають споживання енергії, майнінгові вузли мотивовані використовувати найдешевшу форму електроенергії, яка найчастіше надходить з відновлюваних джерел, таких як гідроелектроенергія, вітер або сонячна енергія, а не з джерел, що викликають парниковий ефект, наприклад, вугілля.
В той час як для участі в PoS потрібне лише активне інтернет-з’єднання, яке потребує мінімальних витрат енергії, майнерам PoW необхідно придбати спеціалізоване обладнання (графічні процесори), обладнання для майнінгу та інші дорогі пристрої, щоб мати шанс створити блок.
c. Участь
Щоб взяти участь у методі консенсусу PoS і отримати шанс бути обраним для додавання блоків до ланцюжка, користувач повинен зробити ставку або заблокувати певну кількість токенів блокчейну у спеціальному смарт-контракті. Шанс бути обраним для участі визначається сумою криптовалюти, яку ви ставите.
Користувачі, які діють зловмисно або порушують встановлені правила, можуть в результаті втратити свою частку в якості покарання. Алгоритм PoS використовує кілька інших критеріїв, щоб запобігти наданню переваги тільки найбагатшим вузлам, зокрема, чисту рандомізацію або кількість разів, коли вузол робив ставку на монети.
d. Розподіл винагороди
Подібно до механізму консенсусу PoW, користувачі, які успішно запропонували валідний блок, отримують винагороду, яка надається у криптовалюті блокчейну. Оскільки право власності на монети визначає вибір, деякі криптовалютні біржі пропонують послуги стейкінгу, здійснюючи ставки від імені користувачів в обмін на регулярні виплати.
PoW проти PoS: де майбутнє?
Наш висновок стосовно консенсусних алгоритмів блокчейну «Proof-of-Work» та «Proof-of-Stake» полягає в тому, що обидва вони працюють по-різному для досягнення однієї мети. Оскільки Proof-of-Stake є відносно новим на ринку, можливо, недоречно буде наразі визначати, який з цих методів є прямим переможцем.
PoW був традиційним механізмом консенсусу в більшості оригінальних блокчейнів, таких як Bitcoin і Ethereum. Проте Ethereum зараз перебуває в процесі переходу на новий протокол PoS, щоб продемонструвати потенціал нового методу консенсусу.
Механізм консенсусу PoW витримав перевірку часом і зарекомендував себе як спосіб захисту блокчейну. Однак, він негативно впливає на масштабованість мережі, що, в свою чергу, негативно впливає на транзакції. В наш час звичайним користувачам важко займатися майнінгом, оскільки великі централізовані майнінгові організації з великими обчислювальними потужностями перебрали цю функцію на себе, що робить пов’язані з цим витрати непідйомними.
Алгоритм PoS, з іншого боку, є більш енергоефективним, а мережі, що його використовують, мають кращу масштабованість та ефективніші транзакції. Проте, цей механізм забезпечує менший рівень безпеки для криптовалют, на які учасники роблять ставки.
Висновок
PoS з’явився для того, щоб усунути недоліки, властиві механізму PoW, і, звичайно, підвищити енергоефективність. Однак обидва консенсусні алгоритми блокчейну можуть бути актуальними в найближчому майбутньому, враховуючи, що біткойн залишається на PoW, а Ethereum рухається в напрямку PoS.
Вам також може бути цікаво прочитати про вузли блокчейну.