Erinevat tüüpi konsensusalgoritmid – CoinCentral

Konsensusalgoritm on arvutiteaduses kasutatav protseduur, milles osalejad hajutavad võrk lepib kokku võrgu oleku või üksiku andmeväärtuse oleku ja loob usalduse võrgu tundmatute partnerite vahel. 

Konsensusalgoritmid on loodud nii, et plokiahela liikmed lepivad kokku võrgus tehingu kinnitamises, võrgu parameetrite muutmises, otsustades, millised sõlmed on uute plokkide töötlemiseks usaldusväärsed ja muud olulised funktsioonid.

Ärge laske selle artikli tehnilistel omadustel teid häirida – „konsensuse” leidmine on meie ümber kõikjal – see on väga inimlik arusaam, kuid seda kasutatakse lihtsalt millegi jaoks, mida saab automatiseerida. 

Alustuseks täidab tsentraliseeritud süsteemides konsensusülesandeid keskasutus. 

Detsentraliseeritud süsteemides, nagu Bitcoin, on meil võrgustik, mis koosneb sadadest, tuhandetest ja isegi sadadest tuhandetest kaevandajatest või sõlmedest, mis ühinevad ühe või mitme ülesande täitmiseks ning pakuvad usaldusväärset ja tõhusat ökosüsteemi.

Selle näitega detsentraliseeritud konsensusele mõeldes oletagem, et kuulute neljast sõbrast koosnevasse rühma ja üks liikmetest, Alex, tutvustab viiendat inimest, Bobi. Kui Bob lahkub, hakkab grupp tõenäoliselt Bobist rääkima (see on protokoll), et näha, kas ta neile meeldis (tulemuseks on "konsensus") 

José: "Bob tundub lahe mees olevat."

Kevin: "Jah, lahe mees. Kuidas sa temaga kohtusid?"

Alex: „Ta õppis kolledžis ühes minu finantskursustest; Jagasime krüptokaubanduse näpunäiteid ja lõpuks sai temast päris naljakas mees.

Kevin: "Tore, aga tema meemid olid lihtsalt üliveidrad."

John: "Sa lihtsalt ei mõista meemikultuuri."

José: "Jah, sa ei kuluta TikToki sirvimisele palju aega – ma arvasin, et need olid päris naljakad."

Selles näites saavutati konsensus selles, kas Bob sulandub sõbragruppi hästi. Sageli esineb a vajalik konsensus isegi konkreetsete kohustuste või võetud lepingute puudumisel. Üks osaleja, Kevin, ei taha Bobi gruppi lubada, kuid José, Alex ja John on Bobiga lahedad.

Kui me peaksime ülaltoodud näite kodifitseerima konsensusalgoritmiks: siis on 3 "ta on lahe" ja 1 "ta on lahe, aga ma pole XYZ-i osas kindel", annab tulemuseks ikkagi "ta on lahe". Enamus võidab, nii et Bob saab Kevini arvamusest hoolimata lahedate lastega aega veeta. 

Näiteks Bitcoin on loodud konsensuse leidmiseks selles, kas uued tehingud on kehtivad ("lahedad") või mitte. 

Siin vaatame üle kõige populaarsemad ja mitte nii populaarsed plokiahela konsensusalgoritmide tüübid avalikes ja eravõrkudes.

Mis on töötõend?

Proof of Work (PoW) on kõige populaarsem ja vanim konsensusalgoritm, mis tuli koos Bitcoini loomisega 2009. aastal Satoshi Nakamoto poolt. PoW-süsteem koosneb ülemaailmsest kaevurite võrgustikust, mida nimetatakse võrgusõlmedeks, mis võistlevad matemaatiliste mõistatuste lahendamisel. Pusle edukalt lahendanud kaevandaja võidab õiguse lisada plokiahelasse uus plokk ja saab preemia, mis makstakse vastloodud krüptovaluutas. 

Töö tõendamine on põhimõtteliselt kaevandaja viis tõendada, et nad on andnud arvutusvõimsuse võrgu konsensuse saavutamiseks ja iga ploki autentsuse kinnitamiseks. Lisaks on iga plokk (tehing) järjestatud järjestikuses järjekorras, välistades topeltkulutamise riski.

Seni on PoW olnud krüptoraha plokiahelate jaoks kõige turvalisem konsensusmehhanism. Võrgu muutmine eeldab, et ründaja peab kõik ahela olemasolevad plokid uuesti kaevandama. Mida rohkem plokiahel kasvab, seda raskem on võrgu arvutusvõimsust monopoliseerida, kuna see nõuaks tohutut energiatarbimist ja kalleid seadmeid.

Kui kaevur mõistatuse lahendab, leiab ta a nuntsius (lühend ühekordselt kasutatavast numbrist), mis loob räsi, mille väärtus on väiksem või võrdne võrguraskuse määratud väärtusega. 

Nonce on PoW-süsteemide keskne osa, kuna see võimaldab kaevandajal luua SHA-256 räsifunktsiooniga räsistatud plokipäise, mis tähendab ploki viitenumbri panemist ahelasse. Ploki päis sisaldab ka ajatemplit ja eelmise ploki räsi.

PoW miinused

Kaevurid peavad mõistatuste lahendamiseks pakkuma märkimisväärset arvutusvõimsust. Kuid kuna arvutused on keerulised, on ühe S9 Antmineri tarbitav energiahulk tavaliselt 1400–1500 vatti tunnis 14.5 TH/s hashraadiga. S19, võimsam versioon, tarbib 3250 vatti tunnis hasratiga 110 TH/s. 

Mõne matemaatika abil saame arvutada energiahulka, mida andmekeskused või kaevandusettevõtted tarbivad sadade või tuhandete kaevandusplatvormidega ühes kohas päevas. Suur energiatarbimine ja keskkonnakahjud on peamine kriitika, mida töötõenditest lähtutakse. 

Seda perspektiivi silmas pidades, enne kui Ethereum läks üle Proof of Stake'ile, tarbisid Ethereumi kaevurid kogu maailmas umbes 10 TWh aastas, mis on sama palju kui Tšehhi Vabariik.

Valju müra kahjustab ka inimeste kuulmist – üle 80 dBa. Seetõttu hoitakse kaevandusplatvorme tavaliselt keldrites või kaevandusrajatistes, et vältida igapäevategevuste häirimist.

Mis on panuse tõendamine?

Proof of Stake (PoS) on populaarsuselt teine ​​konsensusalgoritm. Kaevurite asemel on PoS-i plokiahelatel võrguvalidaatorid, kes kasutavad oma münte/märke tõendina oma pühendumust võrgule, mitte arvutusvõimsust. 

Panustamine tähendab krüptovarade "lukustamist" perioodiks plokiahela platvormil, mis vastutasuks premeerib kasutajaid rohkema krüptovaluutaga. 

PoW vs PoS: peamised erinevused

PoS-is saavad kasutajad panustada osa oma varast ainult passiivse sissetuleku teenimise eesmärgil. Teine võimalus on saada validaatoriks. Erinevalt PoW-süsteemidest ei konkureeri validaatorid uute plokkide loomisel, kuna need valitakse juhuslikult algoritmi poolt. Mida rohkem münte/märke on kasutajal, seda suurem on võimalus saada validaatoriks ja luua plokiahelas uusi plokke. 

PoW süsteemides määrab uute plokkide genereerimise aja kaevandamise raskus; mida rohkem osalejaid võrguga liitub, seda suurem on räsivõimsus ehk arvutusvõimsus, mis on vajalik uute plokkide kaevandamiseks. Seevastu PoS-i plokiahelatel on fikseeritud plokkide genereerimise aeg, mis on jagatud pesadeks – ploki loomiseks kuluvaks ajaks – ja epohhideks, mis on pesadest koosnevad ajaühikud. 

Selle paremaks selgitamiseks koosneb Ethereumi pesa 12 sekundist, mis on aeg, mis võrgul kulub ploki loomiseks, ja 32 pesa loovad ajastu. Seetõttu on üks epohh 6.4 minutit. Igal PoS-i plokiahela pesal on etteantud arv valideerijaid, kes hääletavad pakutava ploki kehtivuse üle. Kui plokk on kehtiv, lisatakse see ahelasse ning ploki ettepaneku tegija ja atesteerijad saavad preemiaid ETH-s.

PoS-i plokiahelad karistavad pahatahtlikke osalejaid võrgu ründamise eest 51% stiilis rünnakutega, mida nimetatakse kärpimiseks, kus ausad valideerijad viskavad pahatahtliku validaatori võrgust välja ja tühjendavad nende tasakaalu. See heidutab pahatahtlikke osalejaid võrku rünnamast, kuna nõutav panustatud fondide arv on märkimisväärselt suur. Ethereumi puhul 32 ETH.

PoS-i plussid:

• Vähem energiamahukas võrreldes PoW-ga
• Sobivam kiht-2 lahendustega töötamiseks kui PoW
• Võimalik saavutada suurem läbilaskevõime, kuna konsensus saavutatakse enne plokkide läbimist.
• Odavam kui PoW plokiahelad, kuna see ei nõua uute plokkide loomiseks eliitriistvara.

PoS-i miinused

• PoS-süsteemid kuuluvad endiselt tsentraliseerimisele, kui suure hulga panustatud žetoonidega validaatorid saavad võrku mõjutada. 
• Turvalisuse osas vähem tõestatud võrreldes PoW plokiahelatega.

Mis on ajaloo tõestus?

Ajaloo tõestus (PoH) on Solana plokiahela esitatud konsensusalgoritm, mis seisneb ajatempli asetamises kõigile võrgus olevatele sündmustele, et tõestada, et need toimusid teatud ajahetkel. PoH-d võib kirjeldada kui krüptograafilist kella, mis kinnitab tehinguid järjestikuses järjekorras. 

Solana ühendab oma PoH lähenemisviisi PoS-iga. Seetõttu peavad võrguosalised panustama SOL-i, et saada valideerijateks ja töödelda uusi plokke ning PoH-mehhanism kontrollib nende tehingute kehtivust reaalajas. Teisisõnu, PoH säilitab turvalisuse, samas kui PoS toob validaatorite võrgu, mis suudab kontrollida ajatempleid ja kinnitada tehinguid.

Solana ohverdab aga detsentraliseerimise, et tagada välkkiire tehingute läbilaskvus. Plokiahel tugineb pooltsentraliseeritud arhitektuurile, milles üks sõlm valitakse juhiks, kes vastutab ühe ajaallika, st PoH-kella rakendamise eest, ja kõik teised sõlmed peavad järgima vastavalt ajajadasid. Juhid valitakse perioodiliselt PoS-i valimiste kaudu.

Kuigi Solana on üks kiiremaid plokiahelaid selles valdkonnas, kannatab see regulaarselt seisakute all. Alates selle käivitamisest 2020. aastal on võrgul olnud ligikaudu kümme seisakut, millest viis toimusid 2022. aastal. Nende katkestuste peamine põhjus on "valesti konfigureeritud sõlm".

Mis on panuse delegeeritud tõend?

Volitatud osaluse tõend (DPoS) on PoS-i kontseptsiooni variatsioon, milles kogukond mängib keskset rolli.

DPoS-i plokiahelates panustavad kogukonna liikmed oma krüptovaluutadesse, et hääletada järgmiste tunnistajate või ploki tootmise delegaatide poolt. Selleks peavad kasutajad koondama oma märgid plokiahela panusfondi ja seejärel siduma raha määratud delegaadiga. 

DPoS-i töötas välja endine EOS-i tehnoloogiadirektor Dan Larimer, kes rakendas algoritmi BitSharesis 2015. aastal. Larimer ja teised DPoS-i pooldajad on öelnud, et DPoS laiendab demokraatlikku ulatust, kuna järgmise valideerija valib kogukond. Tänapäeval kasutavad plokiahelad nagu TRON ja Cardano DPoS-i. 

DPoS-i kriitika seisneb aga selles, et selle metoodika soosib jõukaid kasutajaid. Neil, kellel on palju märke, võib olla võrgus suurem mõju. Vitalik Buterin oli üks esimesi DPoS-i taunijaid, kes väitis a blogi postitus et see konsensusalgoritm innustab tunnistajaid moodustama kartelle ja andma valijatele toetuse saamiseks altkäemaksu.

Mis on volituste tõendamine?

Proof of Authority (PoA) on konsensusalgoritm, milles ainult loaga liikmed saavad plokiahelaga suhelda, tehinguid teha, võrguparameetrite muudatusi teha või soovitada, tehingute ajalugu vaadata jne. 

Selle termini lõi Gavin Wood, plokiahela arendaja, kes oli kaasasutaja Ethereum, Polkadotja Kusama Network.

PoA plokiahelas kõik sõltub mainest – võrgustikus osalejad panevad müntide asemel mängu oma identiteedi. Need pakuvad suuremat skaleeritavust ja läbilaskevõimet, kuna see tugineb ainult piiratud arvule validaatoritele. Võime arvata, et see on tugevalt tsentraliseeritud mudel, kuid PoA plokiahelad on tavaliselt privaatsed ja sobivad paremini ettevõtete ja organisatsioonidega, mis kasutavad plokiahela tehnoloogiat ettevõtete ja operatsioonisüsteemide täiustamiseks. 

Mis on kulunud aja tõend?

Kulunud aja tõend (PoET) on veel üks konsensusalgoritm, mis töötab kõige paremini privaatsete plokiahelatega.

PoET-algoritmi esitlesid esmakordselt Inteli tarkvaraarendajad ja rakendasid Hyperledger Saothoth, mis on suunatud erasektori plokiahelatele ja institutsioonidele.

Algoritm ei pruugi olla nii populaarne kui teised plokiahelad, kuna see ei olnud piisavalt määratletud. Kuid idee oli esitleda valmis, Nakamoto stiilis mootorit, mis võimaldas privaatsetel plokiahelatel valida järgmise plokitootja. Ja kuidas need erinevad? Algoritm genereerib iga võrgusõlme jaoks "juhusliku ooteaja" ja selle aja jooksul peab sõlm "uni.” Kõige lühema ooteajaga sõlm ärkab esimesena ja saab õiguse toota ahelas plokk. 

Peamine erinevus seisneb selles, et PoET-i kaevurid ei tööta ööpäevaringselt ja tarbivad vähem energiat. Lisaks võistlevad PoW võrgus kaevurid järgmise ploki päise räsimisel, samas kui PoET-is on see pigem juhusliku valiku süsteem.

Konsensusalgoritmide KKK: 

Kas Ethereum muutub kiiremaks nüüd, kui see on PoS-ile üle läinud?

Levinud eksiarvamus on see, et Ethereum skaleerub automaatselt nüüd, kui see on PoS-põhine plokiahel. Kuid see üleminek tehti Ethereumi täiustamiseks:

• Energiatarbimise vähendamine
• Sissepääsutõkete vähendamine riistvaranõuete kaotamise kaudu
• Majanduslike karistuste lubamine sõlme väärkäitumise eest
• Tutvustame uut sümboolsete heitmete mudelit 
• Ja parem infrastruktuur Ethereum Layer-2 lahendustega töötamiseks.

Mis on lubadeta ja lubatud plokiahelad?: 

Lubadeta plokiahel viitab avalikule plokiahelale, milles igaüks saab teha tehinguid, vaadata tehingute ajalugu, panustada münte, saada validaatoriks jne. Teisest küljest saavad loaga (privaatsetes) plokiahelates võrgule juurde pääseda ainult liikmed, kellel on selleks luba. tehinguid, suhelda võrgusõlmedega, jälgida ahelasisest tegevust jne.

Kas PoW on kõige turvalisem konsensusalgoritm? PoW-l on omajagu puudusi, kuid seni on see olnud kõige tõestatud ja usaldusväärseim viis võrgu konsensuse ja turvalisuse säilitamiseks plokiahelas.

Lõplikud mõtted: konsensusalgoritmi selgitamine

Blockchain on tehnoloogia, mis suudab lahendada palju väljakutseid ja valupunkte erinevates tööstusharudes, mitte ainult panganduses ja rahanduses. Siiski on sellel omajagu tagasilööke. Seetõttu on arendajad loonud mitut tüüpi ja versioone konsensusalgoritme, et lahendada levinud probleeme, nagu tsentraliseerimine, mastaapsuse puudumine ja madal läbilaskevõime. 

Kuid plokiahela algoritmide tulevikust rääkimine on keeruline ühe väljakutse tõttu: Blockchain Trilemma. Esmakordselt kirjeldas Vitalik Buterin, selles öeldakse, et plokiahelavõrgud ei suuda pakkuda kahte kolmest eelisest: detsentraliseerimine, turvalisus ja mastaapsus. Plokiahela platvorme on mitu, näiteks Fantom ja Solana, mis on plokiahela trilemma lahendamiseks rakendanud oma konsensusalgoritmide hübriidversioone, kuid ükski pole siiani olnud tõeliselt edukas. 

Plokiahela omaduste parandamiseks on tehtud ka teisi tehnilisi lähenemisviise ja üks populaarsemaid on kiht-2, mis on kihiga 1 ühendatud ketid, nt Arbitrum Ethereumiga, ja sharding, mis jagab kogu plokiahela palju väiksemaid võrke. Buteriin peab killustamine kui parim viis täiusliku plokiahela kolme omaduse pakkumiseks.