De forskellige typer konsensusalgoritmer – CoinCentral

En konsensusalgoritme er en procedure, der bruges i datalogi, hvor deltagere i en distribueret netværk blive enige om netværkets tilstand eller tilstanden af ​​en enkelt dataværdi og etablere tillid blandt ukendte peers i netværket. 

Konsensusalgoritmer er designet således, at medlemmer af en blockchain bliver enige om at validere en transaktion på netværket, ændre netværksparametre, beslutte, hvilke noder der er pålidelige til at behandle nye blokke og andre vigtige funktioner.

Lad ikke den tekniske karakter af denne artikel afskrække dig - at finde "konsensus" er omkring os overalt - det er en meget menneskelig forestilling, men bare anvendt på noget, der kan automatiseres. 

For det første udføres konsensusopgaver i centraliserede systemer af en central myndighed. 

I decentraliserede systemer som Bitcoin har vi et netværk bestående af hundreder, tusinder og endda hundredtusinder af minearbejdere eller knudepunkter, der slutter sig til at udføre en eller flere opgaver og giver et pålideligt og effektivt økosystem.

Når du tænker på den decentraliserede konsensus med dette eksempel, antag, at du er i en gruppe på fire venner, og et af medlemmerne, Alex, introducerer en femte person, Bob. Når Bob forlader, vil gruppen højst sandsynligt begynde at tale om Bob (dette er protokollen) for at se, om de kunne lide ham (resultatet vil være "konsensus") 

José: "Bob virker som en sej fyr."

Kevin: "Ja, sej fyr. Hvordan mødte du ham?"

Alex: "Han var i en af ​​mine finansklasser tilbage på college; vi ville dele kryptohandelstips, og han endte med at blive en ret sjov fyr."

Kevin: "Dejligt, men hans memes var bare super mærkelige."

John: "Du får bare ikke meme-kultur."

José: "Ja, du bruger ikke meget tid på at scrolle gennem TikTok - jeg syntes, de var ret sjove."

I dette eksempel blev der opnået en "konsensus" om, hvorvidt Bob integreres godt i vennegruppen. Der er ofte en nødvendig konsensus, selv uden specifikke tilsagn eller indgåede kontrakter. En deltager, Kevin, er tilbageholdende med at lukke Bob ind i gruppen, men José, Alex og John er seje med Bob.

I dette tilfælde, hvis vi skulle kodificere ovenstående eksempel til en konsensusalgoritme: Så vil det være 3 "han er sej" og 1 "han er sej, men jeg er usikker på XYZ" resulterer stadig i et "han er sej." Flertallet vinder, så Bob vil komme til at hænge ud med de seje børn på trods af Kevins mening. 

Bitcoin er for eksempel bygget til at finde konsensus om, hvorvidt nye transaktioner er gyldige ("cool") eller ej. 

Her vil vi gennemgå de mest populære - og ikke så populære - typer af blockchain-konsensusalgoritmer på tværs af offentlige og private netværk.

Hvad er bevis på arbejde?

Proof of Work (PoW) er den mest populære og ældste konsensusalgoritme, der fulgte med skabelsen af ​​Bitcoin i 2009 af Satoshi Nakamoto. Et PoW-system består af et globalt netværk af minearbejdere - kaldet netværksknuder - der konkurrerer om at løse matematiske gåder. Den minearbejder, der med succes løser gåden, vinder retten til at tilføje en ny blok til blockchain og modtager en belønning udbetalt i nyoprettet kryptovaluta. 

Bevis på arbejde er dybest set en minearbejders måde at vise bevis for, at de har leveret beregningskraft for at opnå netværkskonsensus og validere ægtheden af ​​hver blok. Yderligere er hver blok (transaktion) arrangeret i sekventiel rækkefølge, hvilket eliminerer risikoen for dobbeltforbrug.

Hidtil har PoW været den mest sikre konsensusmekanisme for cryptocurrency blockchains. Ændring af netværket ville kræve, at en angriber genminer alle eksisterende blokke i kæden. Jo mere blockchainen vokser, jo sværere er det at monopolisere netværkets computerkraft, da det ville kræve et enormt energiforbrug og dyrt udstyr.

Når en minearbejder har løst et puslespil, finder han en nuntius (forkortelse for tal brugt én gang), der producerer en hash med en værdi, der er lavere end eller lig med den, der er angivet af netværkssværhedsgraden. 

Nonce er en central del af PoW-systemer, da det vil gøre det muligt for minearbejderen at oprette en blokoverskrift, der er hashed med SHA-256-hash-funktionen, hvilket betyder, at man sætter et referencenummer for en blok i en kæde. Blokhovedet indeholder også et tidsstempel og hash for den forrige blok.

Ulemper ved PoW

Minearbejdere skal levere betydelig regnekraft for at løse gåderne. Men da beregningerne er komplekse, er mængden af ​​energi, som en enkelt S9 Antminer forbruger, normalt mellem 1400 – 1500 watt i timen for en hashrate på 14.5 TH/s. S19, en mere kraftfuld version, forbruger 3250 watt i timen ved en hashrate på 110 TH/s. 

Med noget matematik kan vi beregne mængden af ​​energi, som datacentre eller mineselskaber bruger med hundreder eller tusinder af minerigge på et enkelt sted dagligt. Højt energiforbrug og miljøskader er den største kritik af bevis for arbejde. 

For at sætte dette i perspektiv, før Ethereum skiftede til Proof of Stake, forbrugte Ethereum-minearbejdere over hele verden omkring 10 TWh/år, det samme som Tjekkiet.

Den høje støj skader også menneskers høreniveau - over 80 dBa. Det er grunden til, at minerigge normalt holdes i kældre eller mineanlæg for at undgå at forstyrre hverdagens aktiviteter.

Hvad er bevis for indsats?

Proof of Stake (PoS) er den næstmest populære konsensusalgoritme. I stedet for minearbejdere har PoS blockchains netværksvalidatorer, der bruger deres mønter/tokens som bevis på deres engagement i netværket i stedet for computerkraft. 

Staking betyder at "låse" kryptoaktiver i en periode i en blockchain-platform, som til gengæld belønner brugere med mere kryptovaluta. 

PoW vs. PoS: Hovedforskelle

I PoS kan brugere satse en del af deres aktiver med det ene formål at generere passiv indkomst. Den anden mulighed er at blive en validator. I modsætning til PoW-systemer konkurrerer validatorer ikke om at skabe nye blokke, da de er tilfældigt udvalgt af en algoritme. Jo flere mønter/tokens en bruger satser, jo større er deres chancer for at blive validator og skabe nye blokke i blockchain. 

I PoW-systemer bestemmes tiden for generering af nye blokke af minedriftsvanskeligheden; jo flere deltagere tilslutter sig netværket, jo større hashpower, dvs. den regnekraft, der kræves for at mine nye blokke. I modsætning hertil har PoS blockchains en fast blokgenereringstid opdelt i slots - den tid det tager at skabe en blok - og epoker, som er tidsenheder bestående af slots. 

For at forklare dette bedre, består et slot i Ethereum af 12 sekunder, hvilket er den tid, det tager netværket at oprette en blok, og 32 slots skaber en epoke. Derfor er én epoke 6.4 minutter. Hvert slot i en PoS-blockchain har et forudbestemt antal validatorer, der stemmer om gyldigheden af ​​den foreslåede blok. Hvis blokken er gyldig, føjes den til kæden, og blokforslagsstilleren og attestorerne modtager belønninger i ETH.

PoS blockchains straffer ondsindede aktører for at angribe netværket med 51% stilangreb, hvilket kaldes slashing, hvor ærlige validatorer skubber den ondsindede validator ud af netværket og dræner deres balance. Dette afskrækker ondsindede aktører fra at angribe netværket, da det nødvendige antal satsede midler er betydeligt højt. I tilfælde af Ethereum, 32 ETH.

Fordele ved PoS:

• Mindre energikrævende sammenlignet med PoW
• Mere egnet til at arbejde med lag-2 løsninger end PoW
• I stand til at opnå en højere gennemstrømning, da konsensus er etableret før blokke passeres.
• Billigere end PoW-blockchains, da det ikke kræver elite-hardware for at skabe nye blokke.

Ulemper ved PoS

• PoS-systemer er stadig genstand for centralisering, hvis validatorer med et stort antal udsatte tokens kan påvirke netværket. 
• Mindre bevist med hensyn til sikkerhed sammenlignet med PoW blockchains.

Hvad er Bevis for Historie?

Proof of History (PoH) er en konsensusalgoritme præsenteret af Solana blockchain og består i at placere et tidsstempel til alle begivenheder på netværket for at bevise, at de fandt sted på et givet tidspunkt. PoH kan beskrives som et kryptografisk ur, der bekræfter transaktioner i sekventiel rækkefølge. 

Solana kombinerer sin PoH-tilgang med PoS. Derfor skal netværksdeltagere satse SOL for at blive validatorer og behandle nye blokke, og PoH-mekanismen verificerer gyldigheden af ​​de transaktioner, der finder sted i realtid. Med andre ord opretholder PoH sikkerheden, mens PoS bringer et netværk af validatorer, der kan verificere tidsstemplerne og bekræfte transaktionerne.

Solana ofrer dog decentralisering for at levere lynhurtig transaktionsgennemstrømning. Blockchain er afhængig af en semi-centraliseret arkitektur, hvor en enkelt node er valgt som lederen, der har ansvaret for at implementere en enkelt tidskilde, dvs. PoH-uret, og alle andre noder skal følge tidssekvenserne i overensstemmelse hermed. Ledere vælges periodisk via PoS-valg.

Mens Solana er en af ​​de hurtigste blockchains i branchen, lider den jævnligt af nedetider. Siden lanceringen i 2020 har netværket lidt omkring ti nedetider, hvoraf fem fandt sted i 2022. Hovedårsagen til disse udfald er en "fejlkonfigureret node."

Hvad er delegeret bevis for indsats?

Delegeret bevis for indsats (DPoS) er en variation af PoS-konceptet, hvor fællesskabet spiller en central rolle.

I DPoS-blockchains satser fællesskabets medlemmer deres kryptovalutaer for at stemme på de næste vidner eller delegerede til blokproduktion. For at gøre dette skal brugerne samle deres tokens i blockchains indsatspulje og derefter knytte midlerne til en specificeret delegeret. 

DPoS blev udviklet af den tidligere EOS CTO Dan Larimer, som implementerede algoritmen på BitShares i 2015. Larimer og andre DPoS-tilhængere har sagt, at DPoS udvider det demokratiske omfang, da det er fællesskabet, der vælger den næste validator. I dag bruger blockchains som TRON og Cardano DPoS. 

Kritikken for DPoS er dog, at dens metodologi favoriserer velhavende brugere. Dem med et stort antal tokens kan have en større indflydelse på netværket. Vitalik Buterin var en af ​​de første DPoS-modstandere, der hævdede i en blogindlæg at denne konsensusalgoritme tilskynder vidner til at danne karteller og bestikke vælgere for støtte.

Hvad er autoritetsbevis?

Proof of Authority (PoA) er en konsensusalgoritme, hvor kun godkendte medlemmer kan interagere med blockchain, udføre transaktioner, foretage eller foreslå ændringer i netværksparametre, gennemgå transaktionshistorik osv. 

Udtrykket blev opfundet af Gavin Wood, en blockchain-udvikler, der var med til at stifte Ethereum, Polka prik, og Kusama Network.

I en PoA blockchain, alt handler om omdømme - netværksdeltagere sætter deres identitet på spil i stedet for mønter. De giver et højere niveau af skalerbarhed og gennemløb, da det kun er afhængigt af et begrænset antal validatorer. Vi tror måske, at dette er en stærkt centraliseret model, men PoA-blockchains er normalt private og passer bedre til virksomheder og organisationer, der bruger blockchain-teknologi til at forbedre virksomheder og driftssystemer. 

Hvad er bevis for forløbet tid?

Proof of Elapsed Time (PoET) er en anden konsensusalgoritme, der fungerer bedst med private blockchains.

PoET-algoritmen blev først præsenteret af Intel-softwareudviklere og implementeret til Hyperledger savtand, målrettet private blockchains og institutioner.

Algoritmen er måske ikke så populær som andre blockchains, da den ikke var tilstrækkeligt defineret. Men tanken var at præsentere en færdiglavet motor i Nakamoto-stil, der gjorde det muligt for private blockchains at vælge den næste blokproducent. Og hvordan adskiller de sig? Nå, algoritmen genererer en "tilfældig ventetid" for hver netværksknude, og i løbet af den tid skal noden "søvn." Noden med den korteste venteperiode vågner først og vinder retten til at producere en blok i kæden. 

Så den største forskel er, at minearbejdere i PoET ikke kører 24/7 og bruger mindre energi. Yderligere, i et PoW-netværk, konkurrerer minearbejdere om at hash den næste blokoverskrift, hvorimod det i PoET mere er et tilfældigt udvælgelsessystem.

Ofte stillede spørgsmål om konsensusalgoritmer: 

Bliver Ethereum hurtigere nu, hvor det er overgået til PoS?

En almindelig misforståelse er, at Ethereum automatisk vil skalere nu, hvor det er en PoS-baseret blockchain. Denne overgang blev imidlertid lavet for at forbedre Ethereum ved at:

• Reduktion af energiforbrug
• Sænke adgangsbarrierer ved at eliminere hardwarekrav
• Tillader økonomiske sanktioner for node forkert opførsel
• Introduktion af en ny model for token-emissioner 
• Og en bedre infrastruktur til at arbejde med Ethereum Layer-2-løsninger.

Hvad er tilladelsesløse og tilladte blockchains?: 

En tilladelsesfri blockchain refererer til en offentlig blockchain, hvor alle kan foretage transaktioner, gennemgå transaktionshistorik, satse mønter, blive validator osv. På den anden side, i tilladte (private) blockchains, er det kun medlemmer med tilladelse, der kan få adgang til netværket for at lave transaktioner, interagere med netværksknuder, spor on-chain aktivitet osv.

Er PoW den mest sikre konsensusalgoritme? PoW har sin rimelige andel af ulemper, men indtil videre har det været den mest gennemprøvede og pålidelige måde at opretholde et netværks konsensus og sikkerhed i en blockchain.

Endelige tanker: konsensusalgoritme forklaret

Blockchain er en teknologi, der er i stand til at løse mange udfordringer og smertepunkter inden for forskellige brancher, ikke kun bank og finans. Det har dog sin egen andel af tilbageslag. Derfor har udviklere skabt flere typer og versioner af konsensusalgoritmer for at tackle almindelige problemer, såsom centralisering, manglende skalerbarhed og lav gennemstrømning. 

Men at tale om fremtiden for blockchain-algoritmer er svært på grund af en udfordring: Blockchain-trilemmaet. Først skitseret af Vitalik Buterin, angiver det blockchain-netværks manglende evne til at give to af tre fordele: decentralisering, sikkerhed og skalerbarhed. Der er flere blockchain-platforme, f.eks Fantom , Solana, der har implementeret deres egne hybridversioner af konsensusalgoritmer i et forsøg på at løse blockchain-trilemmaet, men ingen har været rigtig succesfulde indtil videre. 

Der er lavet andre tekniske tilgange for at forbedre blockchainens egenskaber, og en af ​​de mest populære er layer-2s, som er kæder forbundet med et lag-1, fx Arbitrum med Ethereum, og sharding, som deler hele blockchain op i mange mindre netværk. Buterin folkeretten konstaterer sharding som den bedste tilgang til at give de tre egenskaber af en perfekt blockchain.