Гайд по PoW, PoS, PoA: как устроены алгоритмы консенсуса в блокчейнах
Алгоритм консенсуса — это правила, по которым происходит генерация блоков в блокчейне. В зависимости от используемого алгоритма в одних блокчейнах работает механизм майнинга для добычи новых монет, а в других — стейкинг, одни сети работают быстрее, но подвержены централизации, другие — медленнее, но их сложно взять под контроль недобросовестным участникам сети. Поэтому важно разбираться в отличиях между PoW, PoS, PoA и другими алгоритмами консенсуса, чтобы правильно оценить перспективы блокчейн-проекта. Сделали подробный гайд по наиболее востребованным консенсусным алгоритмам, представленным в передовых блокчейн-проектах.
Что такое алгоритм консенсуса в блокчейне
Начнем с азов. Блокчейн — это децентрализованная сеть из блоков, содержащих различные данные. В криптовалютах эти блоки хранят информацию обо всех операциях внутри сети. Все блоки записываются в сеть последовательно один за другим и связаны в цепочку. При этом каждый блок содержит информацию обо всех предыдущих блоках. Из такой сети нельзя ничего удалить, отредактировать или изменить задним числом — ведь пришлось бы переписывать всю цепочку с самого начала.
В блокчейне проверкой операций и подтверждением того, что они записаны верно, занимается специальный встроенный механизм под названием алгоритм консенсуса.
Алгоритм консенсуса блокчейна — это способ, благодаря которому децентрализованные ноды сети достигают согласия (или консенсуса) о текущем состоянии данных во всех блоках. Нода — это любой компьютер, подключенный к блокчейну, который проверяет и подтверждает транзакции, и хранит копию блокчейна.
Алгоритм консенсуса гарантирует соблюдение правил протокола и достоверность всех транзакций. Другими словами, он отвечает за то, чтобы все ноды сети были согласны с добавлением в нее нового блока. Таким образом консенсусный алгоритм поддерживает целостность и безопасность сети.
При этом важно понимать разницу между алгоритмом консенсуса и протоколом:
- Протокол — это правила работы блокчейна, по которым происходит взаимодействие нод сети, передаются данные о транзакциях и подтверждается добыча блока.
- Алгоритм консенсуса — это механизм проверки выполнения правил: верны ли балансы и подписи, все ли транзакции корректны.
Так, например, Bitcoin и Ethereum — это протоколы, а Proof-of-Work и Proof-of-Stake — это консенсусные алгоритмы.
Есть много вариантов алгоритмов консенсуса. Рассмотрим подробнее наиболее востребованные среди лучших блокчейн-проектов.
Proof-of-Work (PoW)
Proof-of-Work (доказательство выполнения работы, PoW) — алгоритм консенсуса, который впервые был представлен в сети первой криптовалюты Bitcoin.
Немного истории. Впервые концепцию представили в 1993 году, а в 1997 году Адам Бэк, один из претендентов на роль Сатоши Накамото, разработал на ее основе алгоритм Hashcash, который должен был защищать электронную почту от спама. В 2004 году Хэл Финни, еще один кандидат на роль Сатоши, предложил использовать PoW для электронных валют. А в 2008-м этот алгоритм использовал сам Сатоши Накамото в своей криптовалюте биткоин. Позже Proof-of-Work (PoW) использовался также в блокчейне других ранних криптовалют: Litecoin, Ethereum (до запуска обновления, запустившего многолетний переход на PoS), Bitcoin Cash, Bitcoin Gold, Dash, Dogecoin, Monero и Zcash.
Суть PoW заключается в следующем: ноды сети (майнеры), чтобы подтвердить транзакции и не позволить другим участникам расходовать одни и те же монеты дважды, должны решать сложные математические задачи (хэш-функции). Нода, которая первой нашла решение, получает вознаграждение — новые монеты сети. При этом сложность майнинга защищает сеть от возможных угроз в виде DDoS-атак, атаки 51% (когда злоумышленники получают контроль над подтверждением транзакций и созданием блоков) и других видов атак. Если бы задачи были слишком легкими, злоумышленники могли бы легко взломать сеть.
PoW стал прорывом для своего времени и позволил запустить первые криптовалюты. Он делает сеть децентрализованной и устойчивой ко взломам.Так, Bitcoin практически невозможно взломать — понадобился бы квантовый компьютер и гигантские ресурсы для получения контроля над сетью.
Но по мере популяризации криптовалют и их массового внедрения недостатки этого алгоритма начали становиться все заметнее. Более того, сейчас эти уязвимости мешают и ограничивают развитие ранних проектов криптовалют.
Среди основных недостатков PoW:
- Майнинг слишком энергозатратен. Множество нод в сети конкурируют между собой, постоянно выполняя сложные вычисления. Но фактически большая часть из них работает впустую, так как вознаграждение достается лишь одной ноде. На майнинг биткоина расходуется больше энергии, чем на такие страны, как Швейцария или Греция;
- Пользователям приходится платить майнерам комиссии за проверку транзакций. Чем загруженнее сеть, тем выше в ней комиссии. При небольших транзакциях комиссии могут даже превышать сумму самого перевода;
- Низкая скорость и плохая масштабируемость. PoW-блокчейнам катастрофически не хватает скорости. Например, максимальная пропускная способность сети Bitcoin всего 7–10 транзакций в секунду. Такие низкие показатели не подходят для массового и повседневного использования;
- Централизация майнеров, объединяющихся в пулы. Это снижает безопасность сети, повышает сложность майнинга и способствует росту комиссий.
Proof-of-Stake (PoS)
Proof-of-Stake (доказательство доли владения, PoS) — алгоритм консенсуса, представленный на форуме Bitcointalk в 2011 году в качестве альтернативы PoW. Цель данного алгоритма — стремиться исправить основные недостатки PoW, в частности, низкую скорость и слабую масштабируемость сети.
В 2012-м данный алгоритм был впервые интегрирован в блокчейн криптовалюты PPCoin (в настоящее время PeerCoin). Сегодня на базе PoS работают такие блокчейны, как Cardano, Binance Chain, IOTA, Nano, TRON, TomoChain и Ziliqa. А в декабре 2020 года после нескольких лет разработки сеть Ethereum также начала переход с PoW на PoS в рамках запуска версии Ethereum 2.0.
В PoS нет майнинга. Вместо решения математических задач новые монеты добываются за счет стейкинга — механизма, позволяющего добавлять новые блоки за счет доказательства владения криптовалютой этой сети, что раньше также называлось форджингом. Ноды такой сети называются валидаторами, а их баланс — стейком. Чем больше у ноды монет в кошельке, тем у нее больше шансов подтвердить новый блок и получить вознаграждение.
Таким образом стейкинг можно сравнить с банковским вкладом. Чем больше монет заморожено в сети, тем выше вознаграждение. Для валидаторов это возможность зарабатывать пассивный доход.
Но стейкинг, так же как майнинг, требует расходов и технических знаний. Чтобы стать валидатором, надо обладать минимально необходимым количеством монет. Например, в Ethereum 2.0 это 32 ЕТН (порядка $41 000 по текущему курсу). Эти монеты надо держать заблокированными в кошельке на протяжении как минимум нескольких месяцев. Также понадобится настроить оборудование и держать его постоянно подключенным к сети.
Основные преимущества PoS-алгоритма:
- Низкое энергопотребление в сравнении с PoW-алгоритмами;
- Не нужно специальное оборудование (майнеры);
- Высокая скорость и масштабируемость. Например, скорость сети TRON — 2 000 транзакций в секунду;
- Низкие комиссии;
- Участие в развитии проекта. Валидаторы должны принимать участие в голосованиях по вопросам будущего развития проекта.
Главный недостаток PoS-алгоритма — угроза централизации. Валидаторы с наибольшим количеством монет в конечном итоге будут контролировать большую часть сети. Поэтому в последние годы блокчейн-разработчики представили новые версии PoS-алгоритма, о которых пойдет речь ниже.
Proof-of-Authority (PoA)
Proof-of-Authority (доказательство полномочий, PoA) — это алгоритм консенсуса, учитывающий «заслуги» и рейтинг валидаторов. Он считается эффективным механизмом для частных блокчейнов, впервые был концептуализирован в 2014 году одним из создателей Ethereum Гэвином Вудом и уже несколько лет используется в облачной платформе Microsoft Azure, которая включает более 200 продуктов и служб.
PoA — это своеобразная попытка объединить PoW и PoS. Здесь вообще нет майнинга, а, следовательно, нет гонки вычислительного оборудования, как и огромных расходов энергии. В PoA для генерации блоков валидаторы используют не мощность оборудования или количество монет, а собственную репутацию.
Так, за работоспособность сети отвечает фиксированное число валидаторов, которые были выбраны участниками сети или разработчиками проекта. Такой подход гарантирует высокую скорость обработки транзакций и хорошую масштабируемость. При этом валидаторы заинтересованы в том, чтобы их работа была честной и прозрачной, иначе они потеряют свой статус и репутацию надежного участника сети.
Главный недостаток PoA — возможность излишней централизации и отсутствие мотивации пользователей, которые не получают вознаграждения за майнинг или стейкинг. Более того, в рамках классического PoA обычный пользователь никак не может повлиять на работу блокчейн-сети, поскольку этим занимаются доверенные ноды, как правило, принадлежащие одной компании.
Криптопроекты, использующие PoA, прекрасно понимают недостатки консенсуса и пытаются обойти их разными способами. Например, разработчики криптовалюты UMI в попытках избавиться от ограничений PoA создали свою вариацию этого алгоритма. Основные отличия механизма PoA в UMI от классического PoA — децентрализация и стейкинг.
Децентрализация достигается разделением нод на две ключевые группы:
- Мастер-ноды — создают блоки и подтверждают транзакции. Это команда UMI и главные партнеры проекта;
- Ноды-валидаторы — обеспечивают работоспособность сети, проверяют корректность блоков и контролируют работу мастер-нод. Такую ноду может запустить кто угодно
.
Вознаграждение за поддержание сети UMI доступно благодаря стейкингу. Но так как в классическом PoA стейкинга нет, в UMI механизм реализован с помощью смарт-контракта. Смарт-контракт — специальная программа на блокчейне, которая автоматически выполняет заданные действия при достижении заранее прописанных условий. Смарт-контракт в UMI обеспечивает выполнение всех условий, корректную работу стейкинга и начисляет вознаграждения в режиме 24/7.
Вот другие особенности стейкинга в UMI, которых удалось достичь благодаря смарт-контракту:
- В ходе стейкинга замораживать монеты не надо. Их можно вывести в любой момент без потери процентов;
- Монеты начисляются сразу в кошелек пользователей, которые имеют полный контроль над своими активами
; - Нет требований к минимальному стейку — пользователь с любым балансом может приступить к стейкингу и генерировать новые монеты;
- Безопасность и доступность для каждого. Пользователю не надо запускать ноду, настраивать оборудование и параметры сети, разбираться в технических нюансах. Достаточно просто в пару кликов подключиться к одному из существующих стейкинг-пулов (сегодня их два: РОЙ Клуб и ISP Club) или создать свой. При этом у создателей пулов нет доступа к активам пользователей, он есть только у самих пользователей;
- Стейкинг обеспечен ликвидностью в биткоине. В стакане на криптобирже SIGEN.pro для поддержки курса UMI уже собрано более $12 млн. Эти средства поддерживают курс монеты и не позволяют ему опуститься ниже $0.95, при этом ничто не мешает курсу UMI расти.
Благодаря этому экосистема UMI стала уникальной для крипторынка децентрализованной средой, позволяющей любому участнику бесплатно переводить монеты внутри сети и приумножать их при помощи стейкинга, приносящего до 40% новых монет в месяц.
В конце 2020 года тестовая версия обновленной сети UMI заняла 4-е место по скорости среди остальных блокчейнов, а среднее время генерации нового блока в последней версии составляет всего 1 секунду. Скоро эти изменения будут интегрированы в основную сеть. Все это делает UMI оптимальной блокчейн-средой, доступной для по-настоящему массового применения. Так, уже сейчас скорость блокчейна UMI составляет 4 369 операций в секунду, после грядущих обновлений она должна увеличиться до 65 535, а потенциально может дойти до 1 млн tps и выше.
Delegated Proof-of-Stake (DPoS)
Delegated Proof-of-Stake (делегированное доказательство доли владения, DPoS) — разновидность PoS-алгоритма, созданная разработчиком Дэном Ларимером в 2014 году. DPoS задумывался как альтернатива PoW и PoS. Его цель — лишить валидаторов возможности централизации. Среди известных блокчейнов на DPoS: EOS, Steemit и Tezos.
DPoS — это более демократическая версия Proof-of-Stake. Главное отличие двух алгоритмов в том, что в DPoS держатели монет (свидетели) передают свое право одобрять операции и получать награду, то есть делегируют свой голос заранее выбранному валидатору (делегату).
Делегатом может стать любой пользователь сети. Но в любой момент свидетели могут отозвать свой голос — это способ позволяет избежать излишней централизации и захвата сети недобросовестными участниками.
Делегаты объединяются в особый пул, который имеет право вносить изменения в ряд параметров сети: время добычи новых блоков, их размер и так далее. Но отменять транзакции или проводить ложные операции делегаты не могут. Поэтому у свидетелей остается власть над сетью.
Основные преимущества DPoS-алгоритма — высокая скорость и большее масштабирование. В сети работает значительно меньше нод, чем в PoW или PoS, что позволяет достаточно быстро создавать новые блоки.
Среди недостатков: при низкой активности участников сети сохраняется угроза централизации, а также возможно проведение DDoS-атак и недобросовестное поведения делегатов, которые могут вызвать сбои в сети.
Leased Proof-of-Stake (LPoS)
Leased Proof-of-Stake (арендованное доказательство доли владения, LPoS) — еще один вариант PoS-алгоритма, разработанный специально для блокчейна Waves.
LPoS призван решить проблему «имущественного ценза» в классическом PoS, в рамках которого пользователи с недостаточным балансом не могут участвовать в стейкинге и зарабатывать новые монеты. Это оборачивается централизацией.
В рамках LPoS-алгоритма любой участник сети может передавать свои монеты валидаторам, получая в обмен долю от прибыли. При этом монеты остаются в кошельке пользователя, но их нельзя использовать, передавать или обменивать. Аренду можно отменить в любое время. Валидаторам выгодно арендовать монеты, так как это увеличивает их стейк, а, следовательно, и шанс на награду.
Такой подход позволяет зарабатывать монеты даже с небольшим стейком, но делает сеть подверженной централизации: валидаторы могут арендовать так много монет, что смогут контролировать сеть.
Proof-of-Importance (PoI)
Proof-of-Importance (доказательство значимости, PoI) — еще одна вариация PoS-алгоритма, разработанная для блокчейна NEM в 2015 году.
В отличие от классического стейкинга, в PoI важно не только количество заблокированных в стейке монет, но и активность пользователя (количество транзакций), и время его пребывания в сети. Чем активнее пользователь и чем выше его репутация в сообществе, тем больше его доход от стейкинга. Это поощряет участников не хранить монеты в кошельках, а активно использовать их.
В NEM механизм поощрения стейкера (выплата монет) называется харвестинг. Это алгоритм учета активности пользователя и его баланса. Начисленные монеты сначала переводятся на пассивный кошелек пользователя, а после накопления «заслуг» переводятся на его активный счет. Одно из условий запуска харвестинга — минимальный стейк в 10 000 XEM (≈ $2400).
Proof-of-Space (PoSpace)
Proof-of-Space (доказательство пространства, PoSpace; также встречается название Proof-of-Capacity, доказательство работоспособности, PoC) — алгоритм, использующий для подтверждения блока место на жестком диске, а не вычислительную мощность компьютера. Это необычная концепция, обещающая высокую скорость и демократизм, но она не получила масштабного распространения среди криптопроектов. На этом алгоритме, например, работают такие малоизвестные проекты, как Burstcoin и SpaceMint.
Майнер резервирует для подтверждения блоков определенное место на жестком диске. Сначала в жестком диске генерируются наборы возможных решений математических задач, потом происходит сам майнинг. Майнеру не нужно искать решение майнинговой задачи — оно уже есть в памяти одного из жестких дисков. Чем больше память диска, тем больше решений может там храниться и тем больше шансов, что решение найдет именно этот майнер.
Преимущества PoC — это низкая энергозатратность и возможность майнить с любого устройства, даже со смартфона.
Proof-of-Burn (PoB)
Proof-of-Burn (доказательство сжигания, PoB) — алгоритм, альтернативный классическим PoW и PoS.
Майнер отправляет монеты на специальный адрес, к которому невозможно подобрать приватные ключи. Это значит, что монеты с этого кошелька потратить тоже нельзя — они сжигаются. В награду за это майнер создает новый блок и получает за него вознаграждение в виде новых монет сети. Чем больше монет сжечь, тем выше шансы получить награду за блок.
Преимущества алгоритма: низкое энергопотребление и экономичность, ведь не надо тратиться на дорогостоящее оборудование для майнинга. Кроме того, при сохраняющемся или растущем спросе алгоритм может способствовать росту стоимости остающихся монет — ведь их количество постоянно уменьшается.
Главный недостаток PoB — он подходит только для зрелых проектов, в которых основная эмиссия монет уже завершена, и им есть что сжигать. Поэтому алгоритм не популярен, но все же иногда используется, например, в блокчейне Counterparty (XCP).
Proof-of-Elapsed-Time (PoET)
Proof-of-Elapsed-Time (доказательство истекшего времени, PoET) — алгоритм консенсуса от компании Intel. Считается одним из самых сбалансированных и совершенных консенсусных алгоритмов и используется в основном корпоративными блокчейнами, например, Hyperledger.
Принцип работы PoET напоминает лотерею. В каждой ноде сети генерируется случайное время ожидания для конкретного блока — каждый раз оно разное. После этого нода «замораживается» (переходит в период ожидания). Блок добывает та нода, у которой время ожидания блока окажется наименьшим. Специальная система SGX следит за тем, чтобы все это происходило действительно случайным образом.
Главный недостаток PoET — он требует обязательного использования процессора Intel Software Guard Extension, поддерживающего SGX.
В заключение
По мере взросления крипторынка и развития блокчейн-технологий будут появляться все новые, более совершенные консенсусные алгоритмы и будут совершенствоваться текущие. Они будут предлагать самые оптимальные решения для устранения уязвимостей и недостатков существующих блокчейн-сетей.
Вполне вероятно, что в будущем начнет появляться все больше таких блокчейн-проектов, как UMI, где успешно совмещаются элементы разных механизмов по достижению консенсуса и получению вознаграждения. Такой подход позволит брать только лучшее из представленных на рынке механизмов, минимизируя уязвимости и повышая эффективность работы сети.
