что такое консенсус в системе блокчейн
Что такое консенсус в системе блокчейн
Содержание:
Что такое Консенсус?
Термин Консенсус (лат. Consensus – согласие) в общем случае трактуется как процесс принятия группой лиц единого решения, достижение согласия по какому-либо вопросу. При этом как такового голосования не проводится – решение принимается на основе отсутствия возражений у большинства участников.
Стоит отметить, что консенсусом называют не только сам процесс принятия решения, но и само принятое в результате такой процедуры решение, то есть результат.
Алгоритм консенсуса
Тот или иной метод, который используется для принятия решения, называется «механизмом консенсуса» или «алгоритмом консенсуса».
Алгоритм консенсуса имеет следующие цели:
Консенсус в блокчейне
Алгоритм консенсуса в блокчейне – это набор определенных математических правил и функций, регулирующих работу сети.
Как известно, первой криптовалютой, в основе которой лежит технология блокчейн, является Биткоин. Однако и до его появления было достаточно много попыток разработки одноранговых децентрализованных платежных систем, но все они потерпели неудачу, главным образом, из-за неспособности решить основную проблему достижения консенсуса. Эта проблема получила название «задача византийских генералов». Более подробно о ней читайте в статье по ссылке.
Современные механизмы консенсуса в блокчейне основаны именно на данной криптографической задаче.
Для применения в отношении криптовалют принципы «византийской» задачи были несколько скорректированы и адаптированы под работу в P2P-сети.
Применяя данную задачу к блокчейну можно выделить следующие моменты:
Функции механизмов консенсуса в блокчейне
Основные алгоритмы консенсуса в блокчейне
Все перечисленные механизмы консенсуса имеют свои преимущества и недостатки. Ознакомится с каждым из них вы можете по ссылкам.
Самыми распространенными в настоящее время являются два алгоритма — Proof-of-Work и Proof-of-Stake. Другие механизмы находят применение в намного меньшем количестве криптовалютных платформ. Это связано с их относительным малым возрастом, и, соответственно, не в полной мере отработанными технологиями.
Механизмы достижения консенсуса в блокчейне
Криптовалюты используют распределенные регистры или блокчейны для записи информации — в первую очередь, о балансе каждого адреса на платформах передачи ценности (например, Биткоина и большинства криптовалют), хотя такой подход может применяться к любой информации.
Ключевое условие — сеть должна коллективно согласовывать содержимое регистра: он распределен между всеми участниками цепочки вместо того, чтобы передать централизованное ведение счетов одному субъекту — например, банку.
Для этого сети требуется поддерживать консенсус вокруг информации, записанной в блокчейне. Способ достижения этого консенсуса влияет на безопасность и экономические параметры протокола. Вот пять примеров его достижения.
1. Подтверждение выполнения работы (Proof of Work, PoW)
Подтверждение выполнения работы — это первый распределенный механизм достижения консенсуса, созданный создателем Биткоина, известным под псевдонимом Сатоши Накамото. Его примеру последовали многие криптовалюты, в том числе и Ethereum.
В случае в PoW, все компьютеры в сети, которым поручено поддерживать безопасность блокчейна (в случае Биткоина они называются майнеры), работают над вычислением математической функции, называемой хэшем. Это довольно простая задача (для компьютера), но постоянно повторяющаяся и, следовательно, дорогая в плане вычислений. Компьютеры конкурируют за поиск хэша с особыми свойствами. Компьютер, который вычислит его первым, получит подтверждение того, что он выполнил необходимую работу и сможет добавить новый блок транзакций в блокчейн. В качестве вознаграждения, он получит транш свежедобытых биткоинов (в настоящее время 12,5 BTC за блок или примерно каждые 10 минут), плюс все небольшие сборы за проведение транзакций, которые пользователи заплатили за отправку монет.
PoW работает по следующему принципу: добавить транш новых транзакций в блокчейн — это дорого, а вот проверить, действительны ли транзакции — это очень легко, благодаря прозрачности регистра. Майнеры коллективно подтверждают действительность всего блокчейна, и транзакции не считаются полностью «подтвержденными», пока к ним не добавятся несколько новых блоков. Если злоумышленник попытается использовать монеты незаконным способом, то его транзакции будут проигнорированы остальной частью сети. Единственный способ для злоумышленника совершить такое мошенничество — это обладать огромным количеством вычислительной мощности, позволяющим майнить блок за блоком и раз за разом первым из всей сети получать подтверждение выполнения работы. Такой способ называется «атака 51%», потому что для его реализации необходимости иметь более половины общего сетевого хэша. Реальность такова, что ни один майнер не может иметь такую долю хэша. Другими словами, попытка такого мошенничества 1) чрезвычайно дорогая (поскольку она требует затрат на оборудование и электроэнергию, а также несет в себе альтернативные издержки, вызванные отсутствием работы в действительной версии блокчейна и получением за это вознаграждения) и 2) крайне маловероятна. Следовательно, майнерам лучше (то есть более выгодно) оставаться честными.
2. Подтверждение доли (Proof of Stake)
PoW является дорогостоящим и энергоемким методом из-за требуемой вычислительной мощности. Вокруг создания специального оборудования, предназначенного исключительно для майнинга, выросла целая индустрия. Подтверждение доли (PoS) — это альтернативный способ, который не требует специального оборудования и в последние годы стал очень популярным. В случае PoW, вероятность того, что участник добавит следующий блок транзакций в цепочку, определяется уровнем хэша. В случае PoS, эта вероятность определяется количеством монет участника. Другими словами, каждый сетевой узел связан с определенным адресом, и чем больше монет принадлежит этому адресу, тем больше вероятность того, что они намайнят (или «надолят» в этом случае) следующий блок. Это похоже на лотерею: победитель определяется случайно, но чем больше монет (лотерейных билетов) у него есть, тем больше у него шансов. Злоумышленнику, который хочет совершить мошенническую транзакцию, потребуется владеть более 50% монет для надежной обработки нужных транзакций; покупка такого количества монет спровоцирует рост цен на них и сделает такую попытку непомерно дорогой.
Система PoS была впервые разработана Nxt. Поскольку она не столь энергоемкая, как PoW, то затраты на получение монет не требуют такого вознаграждения, как в случае Биткоина. Таким образом, системы PoS хорошо подходят для платформ с фиксированным количеством монет и отсутствием инфляции от создаваемых блоков. Вознаграждение участников состоит только из комиссии за проведение транзакций. Это подход применяется большинством платформ, финансируемым за счет краудсейла, где токены распределяются на основе инвестиций, и увеличение количества монет не понравится инвесторам, так как это «разбавит» их долю.
В настоящее время, подтверждение доли — это хорошо отлаженный механизм достижения консенсуса, но он не часто используется в своем первоначальном виде. Определенные преимущества предлагают две его разновидности, LPoS и DPoS.
3. Арендованное подтверждение доли (Leased Proof of Stake, LPoS)
В случае с классическим PoS, участники сети с небольшим балансом вряд ли смогут добавлять блоки в цепочку — так же, как небольшие майнеры с низким уровнем хэша вряд ли смогут создать блок в цепочке Биткоина. Может пройти много лет, прежде чем небольшому участнику посчастливится создать блок. Это означает, что многие участники сети с небольшим балансом не имеют узлов и позволяют ограниченному числу более крупных участников управлять сетью. Поскольку безопасность сети повышается с увеличением числа участников, то важно стимулировать этих небольших участников принимать в ней участие.
Механизм LPoS позволяет участникам делать это, сдавая свои средства в аренду крупным узлам. Арендованные средства остаются под полным контролем их владельца и могут быть переведены или потрачены в любое время (после чего аренда заканчивается). Арендованные монеты увеличивают «вес» узла сети, повышая его шансы на добавление блока транзакций в блокчейн. Любыми полученными вознаграждениями узлы делятся с арендодателями. Такой подход применяет Waves.
4. Делегированное подтверждение доли (Delegated Proof of Stake, DPoS)
BitShares и ряд других платформ используют несколько иной подход. С помощью DPoS, владельцы монет используют свои средства для выбора списка узлов, которые будут иметь возможность создавать блоки новых транзакций и добавлять их в блокчейн. Это вовлекает в работу сети всех владельцев монет, хотя они могут и не получать прямого вознаграждения, как в случае LPoS. Владельцы монет могут также голосовать за изменения параметров сети, что повышает их влияние на сеть и долю в ней.
5. Подтверждение важности (Proof of Importance, PoI)
Последней разновидностью этих механизмов достижения консенсуса является PoI. NEM стала первой криптовалютной платформой реализации этого способа. В случае PoI, важно не только количество монет. Система достижения консенсуса NEM основана на идее, что вознаграждать следует за продуктивную сетевую активность, а не просто за владение монетами. Вероятность создания блока зависит от ряда факторов, в том числе доступных средств, репутации (определяется отдельной специальной системой) и количества входящих и исходящих транзакций с этого адреса. Это дает более целостную картину «полезного» члена сети.
Существует множество разновидностей этих основных подходов, и некоторые платформы используют комбинацию PoW и PoS — первый часто используется для распространения монет, а затем платформа переходит на второй способ для поддержания сети. Еще один подход — это использование главных узлов в сочетании с майнингом PoW, как в случае с DASH и Crown. Они помогают обрабатывать транзакции и получать долю от вознаграждений за деятельность майнеров.
Во всех случаях, цель подхода к достижению консенсуса заключается в обеспечении безопасности сети, преимущественно с помощью экономических средств: атака на сеть должна быть слишком дорогой, а ее защита — более выгодной.
Что такое Алгоритм Консенсуса в Blockchain?
Алгоритм консенсуса
Прежде чем мы погрузимся в разные типы алгоритмов консенсуса, важно понять различия между алгоритмом и протоколом.
Алгоритм консенсуса vs Протокол
Термины алгоритм и протокол часто используются взаимозаменяемо, но это не одно и то же. Проще говоря, мы можем определить протокол как первичные правила блокчейна, а алгоритм как механизм, с помощью которого они будут выполняться.
Кроме использования в финансовых системах, технология blockchain может применяться к широкому кругу предприятий, и может быть пригодна для различных случаев использования. Но независимо от контекста, блокчейн сеть будет построена поверх протокола, который определит, как должна работать система, поэтому все различные части системы и все участники сети должны будут следовать базовым правилам протокола.
Чтобы дополнительно это проиллюстрировать, рассмотрим, что Bitcoin протокол определяет: как должны взаимодействовать узлы, как данные должны передаваться между ними, и каковы требования к успешной проверке (валидации) блока. С другой стороны, алгоритм консенсуса отвечает за проверку балансов и подписей, подтверждение транзакций и фактическое выполнение проверки блоков, и все это зависит от консенсуса сети.
Другие типы алгоритмов консенсуса
Существует несколько типов алгоритмов консенсуса. Наиболее распространенными являются PoW и PoS. У каждого есть свои преимущества и недостатки, при попытке сбалансирования безопасности, с функциональностью и масштабируемостью.
Proof of Work (PoW)
Майнинг PoW включает в себя многочисленные попытки хеширования, поэтому чем больше вычислительная мощность, тем больше попыток в секунду. Другими словами, майнер с высоким хешрейтом имеет больше шансов найти правильное решение для следующего блока (aka. хеш блока). Алгоритм консенсуса PoW гарантирует, что майнеры смогут только подтверждать новый блок транзакций и добавлять его в блокчейн, если распределенные узлы сети достигают консенсуса и соглашаются с тем, что хеш блока, предоставленный майнером, является подтвержденным proof of work (валидированным доказательством работы).
Proof of Stake (PoS)
В 2011 году в качестве альтернативы PoW был разработан алгоритм консенсуса PoS. Хотя PoS и PoW имеют похожие цели, но представляют некоторые фундаментальные различия и особенности. Особенно во время валидации новых блоков.
Блокчейн Ethereum в настоящее время основан на алгоритме PoW, но в конечном итоге протокол Casper будет выпущен для переключения сети с PoW на PoS в попытке увеличить масштабируемость сети.
Почему алгоритмы консенсуса имеют значения для криптовалют?
Как упоминалось ранее, алгоритмы консенсуса имеют решающее значение для поддержания целостности и безопасности криптовалютной сети. Они обеспечивают состояние распределенных узлов, достигающих консенсуса, относительно того, какая версия блокчейна является действительной. Согласие на текущее состояние блокчейна, имеет важное значение для правильной работы цифровой экономической системы.
«Алгоритмы консенсуса»: Подтверждение доли и доказательство работы
Блокчейн — это распределенная система, в которой могут находиться тысячи участников. В отличие от обычных распределенных баз данных, в блокчейне почти всегда отсутствует центральный администратор, который конфигурирует узлы сети, поэтому получается, что архитектура блокчейна не просто распределена, но децентрализована. В связи с этим для блокчейна является актуальной задача распределенного консенсуса:
«Как узлам сети достичь одинаковой точки зрения на журнал транзакций блокчейна в распределенной сети при условии, что произвольные узлы могут «падать» или зависать, руководствуясь лишь общими правилами обработки сообщений в сети?»
О том, как достигается консенсус в блокчейнах, мы поговорим в нашем сегодняшнем материале.
Структура и узлы блокчейн-сетей
В любой блокчейн-сети передаются два основных типа сообщений — транзакции и блоки (которые, в свою очередь, являются списками транзакций). Транзакции формируются участниками системы и их алгоритм консенсуса не касается: для того чтобы инициировать, скажем, отправку биткойнов, никакого соглашения не надо, достаточно знать правильный ключ. Блоки — совсем другое дело. Они являются основным продуктом алгоритма консенсуса и определяют, в каком порядке транзакции будут включены в журнал транзакций.
Зачем нужны эти сложности? Оказывается, без согласования между узлами сети возможна повторная трата средств (double spending). Предположим, у Евы есть 1 биткойн. Она может сформировать две транзакции, согласно которым этот биткойн переходит Алисе и Бобу. Если Алиса и Боб никак не согласовывают свою историю транзакций, они оба примут платеж Евы, поскольку транзакции будут подписаны электронной подписью Евы, а до выполнения транзакции у Евы действительно был этот биткойн! Поэтому участникам сети нужно согласовывать журналы транзакций. Тогда успешно выполнится только одна из транзакций Евы, а вторая станет некорректной — средства Евы будут уже потрачены.
Можно ли обойтись без блоков, включая транзакции в журнал по отдельности? Теоретически да, но на практике блоки экономят объем трафика и вычислительные ресурсы узлов сети. Кроме того, у них есть и другие преимущества в контексте конкретных алгоритмов консенсуса — оказывается, что со слишком частыми блоками работа блокчейна становится нестабильной.
Блоки создаются особой категорией узлов сети блокчейна — так называемыми узлами консенсуса. В случае биткойна и других криптовалют эти узлы называют майнерами, поскольку они вознаграждаются за свою работу (майнинг) генерацией новых порций криптовалюты. Майнеры активно участвуют в формировании блокчейна, постоянно группируя входящие транзакции в блоки и распространяя их по сети.
Второй тип — узлы аудита. Они не участвуют в процессе консенсуса, однако имеют у себя полную копию блокчейна. «Аудиторы» регулярно проверяют работу майнеров и занимаются распределением нагрузки по сети, выполняя функцию своеобразной сети доставки контента (CDN) для данных блокчейна.
Третий тип узлов — это легкие клиенты. Легкими они называются потому, что не имеют полной версии блокчейна и содержат лишь те данные, которые важны для узла. По этой причине они являются хорошим вариантом для организации криптовалютного кошелька — всей картины сети такой клиент не даст, но позволит эффективно отслеживать баланс пользователя. Легкие клиенты требуют меньше вычислительных ресурсов и объемов памяти, поэтому могут работать на мобильных платформах.
/ Роли узлов в блокчейн-сети. Узлы консенсуса и конечные клиенты могут быть «отгорожены» друг от друга
Биткойн-блокчейн является одним из крупнейших блокчейнов. По данным сайта bitnodes, 8 апреля 2017 года в биткойн-сети наблюдалось 7025 узлов с полной копией блокчейна. Большая часть из них — это узлы аудита; продуктивных майнеров в сети не так уж много — несколько десятков. Отметим, что количество узлов в несколько раз меньше числа участников сети биткойн (которых более 13 миллионов). Так получается потому, что пользователи не обязаны хранить локальную копию блокчейна для отправки транзакций — достаточно хранить закрытые ключи, при помощи которых транзакции подписываются.
Консенсус
Задача распределенного консенсуса не специфична для блокчейнов и имеет хорошо проверенные решения для многих других распределенных систем (например, баз данных NoSQL). Даже задача консенсуса, в котором узлы могут вести себя «по-плохому», — задача византийского консенсуса — впервые была сформулирована в 80-х годах прошлого века, а методы её решения появились в конце 90-х.
Но биткойн и другие блокчейны от предыдущих наработок отличаются условиями работы сети. В обычных алгоритмах византийского консенсуса у узлов сети есть «личности», выражаемые через цифровые подписи или сходные криптопримитивы, а сам список узлов известен заранее или меняется редко, но предсказуемо. В биткойн-блокчейне все наоборот.
Участники сети не только заранее неизвестны, но и могут свободно подключаться или отключаться от сети. При этом блокчейн, являясь децентрализованной системой, имеет определенные свойства: устойчивость к цензуре (никто не может запретить майнить криптовалюту) и объективность (для определения текущей версии журнала транзакций не нужно доверие неким авторитетным источникам — корень доверия находится в самом блокчейне).
Из-за этого обычные алгоритмы византийского консенсуса для блокчейна не подходят. Поэтому было предложено множество различных алгоритмов, среди которых выделяются две основные категории: алгоритмы на основе доказательства работы (proof-of-work) и алгоритмы на основе подтверждения доли (proof-of-stake).
Доказательство работы — PoW
Доказательство работы было «изобретено» задолго до биткойна еще в начале 90-х и применялось в ином контексте: для защиты от спама. Например, один вариант доказательства работы (Hashcash) был предложен английским криптографом Адамом Бэком (Adam Back), который сейчас является генеральным директором одного из крупнейших блокчейн-стартапов.
В случае доказательства работы хеш сообщения, объединенного со специальным полем (nonce), должен быть меньше определенного значения (или начинаться с определенного числа нулевых битов). Nonce не несет смысла для самого сообщения — это поле перебирается автором доказательства, пока не будет найдено подходящее значение. Название «доказательство работы» отражает тот факт, что для нахождения nonce надо совершить вычислительную работу, ожидаемое количество которой измеримо. Например, если нужно, чтобы первые 16 бит хеша равнялись нулю, то в среднем нужно перебрать 65536 значений nonce.
Проиллюстрировать это можно с помощью программы на Python:
Уточнение насчет ожидаемого количества работы является важным. Теоретически, при сильном везении, подходящий nonce можно найти очень быстро. Если программу выше запустить с сообщением «Bl0Ckchain», то получится, что значение nonce равняется 6571, а это в десять раз меньше ожидаемого. Поэтому, глядя на доказательство работы, можно лишь оценить затраченные на него ресурсы, однако для высокой сложности доказательства (то есть ожидаемого количества выполненной работы) эта оценка будет достаточно точна.
Доказательство работы похоже на цифровые подписи — оно обеспечивает целостность сообщения, так как вероятность того, что один и тот же nonce подойдет для различных сообщений, очень мала. Доказательства также легко проверяются — достаточно провести лишь одну операцию хеширования. В отличие от подписей, создание доказательства работы не требует знания секретов, но «потребляет» больше вычислительных ресурсов. Например, в приведенной выше программе на создание доказательства работы для сообщения «blockchain» сложностью 32 бита требуется несколько часов вычислений на обычном персональном компьютере, однако проверяется это доказательство практически мгновенно.
PoW и консенсус
Использование PoW для консенсуса — пожалуй, самая большая инновация оригинальной статьи о биткойне. Соответствующий алгоритм консенсуса получил вполне академическое название — консенсус Накамото. Сатоши (автор или авторы статьи) предложил «подписывать» каждый создаваемый блок доказательством работы, сложность которого зависит от общей вычислительной сложности сети биткойна. Такой подход дает несколько преимуществ:
Консенсус Накамото обеспечивает два ключевых требования к блокчейну, которые мы выделили ранее. Из-за того, что доказательство работы не привязывается к личностям майнеров (в отличие от цифровых подписей/сертификатов), обеспечивается устойчивость к цензуре. А за счет того, что доказательства работы быстро проверяются и не требуют для проверки ничего, кроме блокчейна, достигается объективность протокола.
Консенсус Накамото устойчив к атакам на сеть блокчейна, причем его безопасность достаточно хорошо исследована теоретически (в отличие от более новых предложений для блокчейнов). В оригинальной статье отмечено, что сеть биткойна продолжит адекватно функционировать, даже если половина майнеров начнет злонамеренную активность. Если же среди майнеров появится злонамеренное большинство (так называемая атака 51%), они смогут игнорировать блоки от всех остальных майнеров, чтобы забрать себе всю награду в сети, или, например, мошенничать, производя повторную трату средств за счет намеренных форков блокчейна. Однако при этом отметим, даже если все майнеры в сети сговорятся, они не смогут обойти базовые механизмы безопасности биткойна — например, не смогут похитить биткойны пользователей.
Биткойн — самая мощная сеть, использующая доказательство работы. За одну секунду майнеры биткойна вычисляют более трех квинтиллионов (3∙1018) хешей. 32-битное доказательство (которое вычисляется на компьютере несколько часов) — это минимальная сложность в биткойне, которую можно было наблюдать лишь в самом начале работы сети. Это связано с тем, что сложность доказательства автоматически регулируется так, чтобы биткойн-сеть находила в среднем один блок в 10 минут. При увеличении хешрейта сети растет и сложность — сейчас сложность одного доказательства составляет около 70 бит. Соответственно, hex-запись хеша блока должна начинаться с 17 нулей.
/ Мощность биткойн-сети растет по экспоненте. Это обеспечивает высокую стоимость атаки на сеть
Альтернативы для PoW
У консенсуса Накамото есть свойство, которое многими воспринимается как большой недостаток, — для обеспечения безопасности нужно «работать», то есть производить доказательства работы. Вычисления, которые выполняются в рамках PoW, не служат никакой полезной цели, и это архитектурная особенность. Оказывается, очень сложно придумать доказательство работы, которое бы выполняло общественно полезную роль. Поэтому может показаться, что ресурсы (прежде всего, электричество) на майнинг тратятся впустую (если не считать, что они тратятся на обеспечение безопасности).
Помимо этого, майнинг все же подвержен проблеме централизации. Более 70% хешрейта биткойна на данный момент находится в одной стране — Китае. Многие криптовалюты пытаются децентрализовать майнинг за счет использования доказательств работы, которые экономически невыгодно вычислять на специализированном оборудовании, однако с таким подходом возникает другая проблема — если сделать выгодным майнинг биткойнов с помощью домашних компьютеров, то арендовать оборудование для атаки (или создать для нее ботнет) станет существенно дешевле и проще.
Пытаясь решить эти проблемы, сообщество предлагает множество алгоритмов консенсуса, которые не требуют «работы». Самая популярная категория таких алгоритмов основана на доказательствах доли (proof-of-stake, PoS). Доказательство доли похоже на доказательство работы, только вместо совершения определенной работы автор показывает, что у него есть доля в системе (например, в виде ненулевого баланса криптовалюты). Получается, что для майнинга с PoS достаточно «запастись» криптовалютой, после чего просто получать с нее «проценты».
Однако у доказательства доли есть неприятный недостаток в сравнении с PoW: поскольку доказательства доли базируются не на реальном мире (вычислительная мощность), а на чём-то внутри самого блокчейна (баланс криптовалюты), задача построения надежного PoS-алгоритма оказывается нетривиальной.
В простейших вариантах PoS-консенсуса возникают проблемы с базовыми свойствами. Оказывается, что в них самым экономически выгодным поведением является размножение форков блокчейна для повторной траты средств. Были созданы более сложные варианты доказательства доли, без явных дыр в безопасности; такие алгоритмы возвращают в консенсус фактор экономической ответственности за счет обязательного залога, который конфискуется в случае некорректного поведения участника.
У криптографического сообщества все еще остаются сомнения насчет возможности надежных алгоритмов с доказательством доли. Возможно, планируемый переход на доказательство доли блокчейна Ethereum — второго по объему рынка публичного блокчейна — расставит все точки над i.
Кроме доказательства доли, блокчейн-энтузиасты экспериментируют и с другими алгоритмами «proof-of-*». Например, Брэм Коэн (Bram Cohen), создатель протокола BitTorrent, недавно предложил использовать для консенсуса в блокчейнах доказательство локального хранения файлов (proof-of-space), то есть заменить вычислительную мощность в PoW на дисковое пространство. Однако по степени зрелости подобные инициативы еще сильнее отстают от алгоритмов доказательства работы, чем proof-of-stake.