De verschillende soorten consensusalgoritmen – CoinCentral

Een consensusalgoritme is een in de informatica gebruikte procedure waarbij deelnemers een gedistribueerde netwerk het eens worden over de status van het netwerk of de status van een enkele gegevenswaarde en vertrouwen vestigen onder onbekende peers in het netwerk. 

Consensusalgoritmen zijn zo ontworpen dat leden van een blockchain tot overeenstemming komen om een ​​transactie op het netwerk te valideren, netwerkparameters te wijzigen, te beslissen welke knooppunten betrouwbaar zijn om nieuwe blokken te verwerken en andere belangrijke functies.

Laat je niet afschrikken door de technische aard van dit artikel - het vinden van "consensus" is overal om ons heen - het is een heel menselijk begrip, maar alleen toegepast op iets dat kan worden geautomatiseerd. 

Om te beginnen worden in gecentraliseerde systemen consensustaken uitgevoerd door een centrale autoriteit. 

In gedecentraliseerde systemen zoals Bitcoin hebben we een netwerk dat bestaat uit honderden, duizenden en zelfs honderdduizenden mijnwerkers of knooppunten die samenwerken om een ​​of meerdere taken uit te voeren en een betrouwbaar en efficiënt ecosysteem te bieden.

Als je nadenkt over de gedecentraliseerde consensus met dit voorbeeld, stel je voor dat je in een groep van vier vrienden zit, en een van de leden, Alex, introduceert een vijfde persoon, Bob. Wanneer Bob vertrekt, zal de groep hoogstwaarschijnlijk over Bob beginnen te praten (dit is het protocol) om te zien of ze hem leuk vonden (het resultaat zal de "consensus" zijn) 

José: “Bob lijkt me een toffe vent.”

Kevin: “Ja, coole kerel. Hoe heb je hem ontmoet?'

Alex: “Hij zat in een van mijn financiële lessen op de universiteit; we zouden crypto-handelstips delen, en hij werd uiteindelijk een behoorlijk grappige kerel.

Kevin: “Leuk, maar zijn memes waren gewoon super raar.”

John: "Je krijgt gewoon geen meme-cultuur."

José: "Ja, je besteedt niet veel tijd aan het scrollen door TikTok - ik vond ze best grappig."

In dit voorbeeld werd er een "consensus" bereikt over de vraag of Bob goed integreert in de vriendengroep. Er is vaak een noodzakelijke consensus van mening, zelfs als er geen specifieke toezeggingen of contracten zijn gedaan. Een deelnemer, Kevin, aarzelt om Bob in de groep toe te laten, maar José, Alex en John zijn cool met Bob.

In dit geval, als we het bovenstaande voorbeeld zouden codificeren in een consensusalgoritme: dan is het 3 "hij is cool" en 1 "hij is cool, maar ik ben niet zeker over XYZ", wat nog steeds resulteert in een "hij is cool". De meerderheid wint, dus Bob zal ondanks Kevins mening met de coole kinderen kunnen omgaan. 

Bitcoin is bijvoorbeeld gebouwd om consensus te vinden over de vraag of nieuwe transacties geldig ("cool") zijn of niet. 

Hier zullen we de meest populaire - en minder populaire - soorten blockchain-consensusalgoritmen over openbare en particuliere netwerken bekijken.

Wat is een bewijs van werk?

Proof of Work (PoW) is het meest populaire en oudste consensusalgoritme dat in 2009 door Satoshi Nakamoto werd gecreëerd met Bitcoin. Een PoW-systeem bestaat uit een wereldwijd netwerk van mijnwerkers — netwerkknooppunten genoemd — die strijden om het oplossen van wiskundige puzzels. De mijnwerker die de puzzel met succes oplost, wint het recht om een ​​nieuw blok aan de blockchain toe te voegen en ontvangt een beloning in nieuw gecreëerde cryptocurrency. 

Bewijs van werk is in feite de manier van een mijnwerker om bewijs te tonen dat ze rekenkracht hebben geleverd om netwerkconsensus te bereiken en de authenticiteit van elk blok te valideren. Verder is elk blok (transactie) in sequentiële volgorde gerangschikt, waardoor het risico van dubbele uitgaven wordt geëlimineerd.

Tot nu toe was PoW het veiligste consensusmechanisme voor cryptocurrency-blockchains. Om het netwerk te wijzigen, moet een aanvaller alle bestaande blokken in de keten opnieuw ontginnen. Hoe meer de blockchain groeit, hoe moeilijker het is om de rekenkracht van het netwerk te monopoliseren, aangezien dit een enorm energieverbruik en dure apparatuur zou vergen.

Zodra een mijnwerker een puzzel heeft opgelost, vindt hij een nuntius (afkorting van eenmaal gebruikt nummer) dat een hash produceert met een waarde die lager is dan of gelijk is aan de waarde die is ingesteld door de netwerkmoeilijkheid. 

De nonce is een centraal onderdeel van PoW-systemen, omdat het de mijnwerker in staat stelt een gehashte blokkop te maken met de SHA-256-hashfunctie, wat betekent dat een referentienummer voor een blok in een keten moet worden geplaatst. De blokkop bevat ook een tijdstempel en de hash van het vorige blok.

De nadelen van PoW

Mijnwerkers moeten aanzienlijke rekenkracht leveren om de puzzels op te lossen. Maar aangezien de berekeningen complex zijn, ligt de hoeveelheid energie die een enkele S9 Antminer verbruikt meestal tussen de 1400 – 1500 watt per uur voor een hashrate van 14.5 TH/s. De S19, een krachtigere versie, verbruikt 3250 watt per uur bij een hashrate van 110 TH/s. 

Met wat wiskunde kunnen we de hoeveelheid energie berekenen die datacenters of mijnbouwbedrijven dagelijks verbruiken met honderden of duizenden mijnbouwinstallaties op één locatie. Hoog energieverbruik en milieuschade is de belangrijkste kritiek die uit het bewijs van werk wordt getrokken. 

Om dit in perspectief te plaatsen: Voordat Ethereum overging op Proof of Stake, verbruikten Ethereum-mijnwerkers wereldwijd ongeveer 10 TWh/jaar, hetzelfde als in Tsjechië.

Het harde geluid schaadt ook het menselijk gehoor - meer dan 80 dBa. Dit is de reden waarom mijnbouwinstallaties meestal in kelders of mijnbouwfaciliteiten worden bewaard om verstoring van de dagelijkse activiteiten te voorkomen.

Wat is een bewijs van inzet?

Proof of Stake (PoS) is het op één na populairste consensusalgoritme. In plaats van mijnwerkers hebben PoS-blockchains netwerkvalidators die hun munten/tokens gebruiken als bewijs van hun toewijding aan het netwerk in plaats van rekenkracht. 

Staking betekent het "vergrendelen" van crypto-activa voor een periode in een blockchain-platform, wat in ruil daarvoor gebruikers beloont met meer cryptocurrency. 

PoW versus PoS: belangrijkste verschillen

In PoS kunnen gebruikers een deel van hun vermogen inzetten met als enig doel passief inkomen te genereren. De andere optie is een validator worden. In tegenstelling tot PoW-systemen concurreren validators niet om nieuwe blokken te maken, omdat ze willekeurig worden gekozen door een algoritme. Hoe meer munten/tokens een gebruiker inzet, hoe groter hun kans om een ​​validator te worden en nieuwe blokken in de blockchain te creëren. 

In PoW-systemen wordt de tijd voor het genereren van nieuwe blokken bepaald door de moeilijkheidsgraad van de mijnbouw; hoe meer deelnemers zich bij het netwerk aansluiten, hoe groter de hashkracht, dwz de rekenkracht die nodig is om nieuwe blokken te minen. Daarentegen hebben PoS-blockchains een vaste tijd voor het genereren van blokken, verdeeld in slots - de tijd die nodig is om een ​​blok te maken - en tijdperken, tijdseenheden die uit slots bestaan. 

Om dit beter uit te leggen, bestaat een slot in Ethereum uit 12 seconden, wat de hoeveelheid tijd is die het netwerk nodig heeft om een ​​blok te creëren, en 32 slots creëren een tijdperk. Daarom is één tijdvak 6.4 minuten. Elk slot in een PoS-blockchain heeft een vooraf bepaald aantal validators die stemmen over de geldigheid van het blok dat wordt voorgesteld. Als het blok geldig is, wordt het toegevoegd aan de keten en ontvangen de indiener van het blok en de attestors beloningen in ETH.

PoS-blokketens straffen kwaadwillende actoren voor het aanvallen van het netwerk met 51% stijlaanvallen, wat slashing wordt genoemd, waarbij eerlijke validators de kwaadwillende validator uit het netwerk verwijderen en hun saldo leegmaken. Dit ontmoedigt kwaadwillende actoren om het netwerk aan te vallen, aangezien het vereiste aantal ingezette fondsen aanzienlijk hoog is. In het geval van Ethereum, 32 ETH.

Voordelen van PoS:

• Minder energie-intensief in vergelijking met PoW
• Meer geschikt om met layer-2 oplossingen te werken dan PoW
• In staat om een ​​hogere verwerkingscapaciteit te bereiken, aangezien consensus tot stand is gebracht voordat blokken worden gepasseerd.
• Minder duur dan PoW-blockchains omdat er geen elite-hardware voor nodig is om nieuwe blokken te maken.

Nadelen van PoS

• PoS-systemen zijn nog steeds onderhevig aan centralisatie als validators met een groot aantal gestakede tokens het netwerk kunnen beïnvloeden. 
• Minder bewezen op het gebied van beveiliging in vergelijking met PoW-blockchains.

Wat is bewijs van geschiedenis?

Proof of History (PoH) is een consensusalgoritme dat wordt gepresenteerd door de Solana-blockchain en bestaat uit het plaatsen van een tijdstempel op alle gebeurtenissen op het netwerk om te bewijzen dat ze op een bepaald tijdstip plaatsvonden. PoH kan worden omschreven als een cryptografische klok die transacties in sequentiële volgorde bevestigt. 

Solana combineert haar PoH-aanpak met PoS. Daarom moeten netwerkdeelnemers SOL inzetten om validators te worden en nieuwe blokken te verwerken, en het PoH-mechanisme verifieert de geldigheid van die transacties die in realtime plaatsvinden. Met andere woorden, PoH handhaaft de beveiliging, terwijl PoS een netwerk van validators biedt die de tijdstempels kunnen verifiëren en de transacties kunnen bevestigen.

Solana offert echter decentralisatie op om razendsnelle transactiedoorvoer te bieden. De blockchain is gebaseerd op een semi-gecentraliseerde architectuur waarin een enkel knooppunt wordt gekozen als de leider die verantwoordelijk is voor het implementeren van een enkele tijdbron, dwz de PoH-klok, en alle andere knooppunten moeten de tijdreeksen dienovereenkomstig volgen. Leiders worden periodiek gekozen via PoS-verkiezingen.

Hoewel Solana een van de snelste blockchains in de branche is, heeft het regelmatig last van downtime. Sinds de lancering in 2020 heeft het netwerk ongeveer tien keer te maken gehad met downtime, waarvan vijf in 2022. De belangrijkste reden voor deze uitval is een 'verkeerd geconfigureerde node'.

Wat is gedelegeerd bewijs van inzet?

Gedelegeerd bewijs van inzet (DPoS) is een variatie op het PoS-concept waarin de gemeenschap een centrale rol speelt.

In DPoS-blockchains zetten de gemeenschapsleden hun cryptocurrencies in om te stemmen voor de volgende getuigen of afgevaardigden voor blokproductie. Om dit te doen, moeten gebruikers hun tokens poolen in de staking pool van de blockchain en vervolgens het geld koppelen aan een gespecificeerde afgevaardigde. 

DPoS is ontwikkeld door voormalig EOS CTO Dan Larimer, die het algoritme in 2015 op BitShares implementeerde. Larimer en andere DPoS-voorstanders hebben gezegd dat DPoS de democratische reikwijdte verbreedt, aangezien het de gemeenschap is die de volgende validator kiest. Tegenwoordig gebruiken blockchains zoals TRON en Cardano DPoS. 

De kritiek op DPoS is echter dat de methodologie in het voordeel is van rijke gebruikers. Degenen met een groot aantal tokens kunnen een grotere invloed hebben in het netwerk. Vitalik Buterin was een van de eerste tegenstanders van DPoS en beweerde in een blogpost dat dit consensusalgoritme getuigen stimuleert om kartels te vormen en kiezers om te kopen voor steun.

Wat is een bewijs van bevoegdheid?

Proof of Authority (PoA) is een consensusalgoritme waarin alleen geautoriseerde leden kunnen communiceren met de blockchain, transacties kunnen uitvoeren, netwerkparameterwijzigingen kunnen aanbrengen of voorstellen, transactiegeschiedenis kunnen bekijken, enz. 

De term is bedacht door Gavin Wood, een blockchain-ontwikkelaar die mede-oprichter was Ethereum, polkadot, en Kusama-netwerk.

In een PoA-blockchain, alles draait om reputatie - netwerkdeelnemers zetten hun identiteit in plaats van munten. Ze bieden een hoger niveau van schaalbaarheid en doorvoer omdat het slechts afhankelijk is van een beperkt aantal validators. We denken misschien dat dit een sterk gecentraliseerd model is, maar PoA-blockchains zijn meestal privé en passen beter bij ondernemingen en organisaties die blockchain-technologie gebruiken om bedrijven en operationele systemen te verbeteren. 

Wat is een bewijs van verstreken tijd?

Proof of Elapsed Time (PoET) is een ander consensusalgoritme dat het beste werkt met private blockchains.

Het PoET-algoritme werd voor het eerst gepresenteerd door softwareontwikkelaars van Intel en geïmplementeerd in Hyperledger zaagtand, gericht op particuliere blockchains en instellingen.

Het algoritme is mogelijk niet zo populair als andere blockchains, omdat het niet voldoende is gedefinieerd. Maar het idee was om een ​​kant-en-klare engine in Nakamoto-stijl te presenteren waarmee private blockchains de volgende blockproducent konden kiezen. En waarin verschillen ze? Welnu, het algoritme genereert een "willekeurige wachttijd" voor elk netwerkknooppunt, en gedurende die tijd moet het knooppunt "slaap.” Het knooppunt met de kortste wachttijd wordt als eerste wakker en wint het recht om een ​​blok in de keten te produceren. 

Het belangrijkste verschil is dus dat miners in PoET niet 24/7 draaien en minder energie verbruiken. Verder strijden miners in een PoW-netwerk om de volgende block-header te hashen, terwijl het in PoET meer een willekeurig selectiesysteem is.

Veelgestelde vragen over consensusalgoritmen: 

Zal Ethereum sneller worden nu het is overgestapt op PoS?

Een veel voorkomende misvatting is dat Ethereum automatisch zal schalen nu het een op PoS gebaseerde blockchain is. Deze overgang is echter gemaakt om Ethereum te verbeteren door:

• Energieverbruik verlagen
• Toegangsdrempels verlagen door hardwarevereisten te elimineren
• Economische sancties toestaan ​​voor wangedrag van nodes
• Introductie van een nieuw model voor symbolische emissies 
• En een betere infrastructuur om met Ethereum Layer-2-oplossingen te werken.

Wat zijn toestemmingloze en toegestane blockchains?: 

Een toestemmingsloze blockchain verwijst naar een openbare blockchain waarin iedereen transacties kan doen, de transactiegeschiedenis kan bekijken, munten kan inzetten, een validator kan worden, enz. Aan de andere kant hebben in toegestane (private) blockchains alleen leden met toestemming toegang tot het netwerk om geld te verdienen. transacties, interactie met netwerkknooppunten, track on-chain activiteit, etc.

Is PoW het veiligste consensusalgoritme? PoW heeft behoorlijk wat nadelen, maar tot nu toe is het de meest beproefde en vertrouwde manier geweest om de consensus en veiligheid van een netwerk in een blockchain te behouden.

Laatste gedachten: consensusalgoritme uitgelegd

Blockchain is een technologie die veel uitdagingen en pijnpunten binnen verschillende sectoren kan oplossen, niet alleen in de bank- en financiële sector. Het kent echter ook zijn eigen tegenslagen. Daarom hebben ontwikkelaars meerdere soorten en versies van consensusalgoritmen gemaakt om veelvoorkomende problemen aan te pakken, zoals centralisatie, gebrek aan schaalbaarheid en lage doorvoer. 

Maar praten over de toekomst van blockchain-algoritmen is moeilijk vanwege één uitdaging: het Blockchain Trilemma. Het werd voor het eerst geschetst door Vitalik Buterin en vermeldt het onvermogen van blockchain-netwerken om twee van de drie voordelen te bieden: decentralisatie, veiligheid en schaalbaarheid. Er zijn verschillende blockchain-platforms, zoals Fantom en solarium, die hun eigen hybride versies van consensusalgoritmen hebben geïmplementeerd in een poging het blockchain-trilemma op te lossen, maar geen enkele is tot nu toe echt succesvol geweest. 

Er zijn andere technische benaderingen gemaakt om de eigenschappen van de blockchain te verbeteren, en een van de meest populaire is layer-2s, dit zijn kettingen die zijn verbonden met een layer-1, bijvoorbeeld Arbitrum met Ethereum, en sharding, die de hele blockchain verdeelt in veel kleinere netwerken. Buterin meent sharding als de beste benadering om de drie eigenschappen van een perfecte blockchain te bieden.