De forskjellige typene konsensusalgoritmer – CoinCentral

En konsensusalgoritme er en prosedyre som brukes i informatikk der deltakere i en distribuert nettverket blir enige om tilstanden til nettverket eller tilstanden til en enkelt dataverdi og etablerer tillit blant ukjente jevnaldrende i nettverket. 

Konsensusalgoritmer er utformet slik at medlemmer av en blokkjede kommer til enighet om å validere en transaksjon på nettverket, endre nettverksparametere, bestemme hvilke noder som er pålitelige til å behandle nye blokker og andre viktige funksjoner.

Ikke la den tekniske karakteren til denne artikkelen avskrekke deg - å finne "konsensus" er rundt oss overalt - det er en veldig menneskelig forestilling, men bare brukt på noe som kan automatiseres. 

For det første, i sentraliserte systemer, utføres konsensusoppgaver av en sentral myndighet. 

I desentraliserte systemer som Bitcoin har vi et nettverk som består av hundrevis, tusenvis og til og med hundretusenvis av gruvearbeidere eller noder som går sammen for å utføre en eller flere oppgaver og gir et pålitelig og effektivt økosystem.

Tenker på den desentraliserte konsensus med dette eksemplet, anta at du er i en gruppe på fire venner, og et av medlemmene, Alex, introduserer en femte person, Bob. Når Bob drar, vil gruppen mest sannsynlig begynne å snakke om Bob (dette er protokollen) for å se om de likte ham (resultatet vil være "konsensus") 

José: "Bob virker som en kul fyr."

Kevin: "Ja, kul fyr. Hvordan møtte du ham?"

Alex: «Han gikk på en av mine finanstimer på college; vi ville dele kryptohandelstips, og han endte opp som en ganske morsom fyr.»

Kevin: "Hyggelig, men memene hans var bare veldig rare."

John: "Du får bare ikke memekultur."

José: "Ja, du bruker ikke mye tid på å bla gjennom TikTok - jeg syntes de var ganske morsomme."

I dette eksemplet ble det oppnådd en "enighet" om hvorvidt Bob integreres godt i vennegruppen. Det er ofte en nødvendig meningskonsensus selv fravær av spesifikke forpliktelser eller kontrakter som er inngått. En deltaker, Kevin, er motvillig til å slippe Bob inn i gruppen, men José, Alex og John er kule med Bob.

I dette tilfellet, hvis vi skulle kodifisere eksemplet ovenfor til en konsensusalgoritme: Da vil det være 3 "han er kul" og 1 "han er kul, men jeg er usikker på XYZ" resulterer fortsatt i en "han er kul." Flertallet vinner, så Bob vil få henge med de kule barna til tross for Kevins mening. 

Bitcoin, for eksempel, er bygget for å finne konsensus om nye transaksjoner er gyldige ("kule") eller ikke. 

Her vil vi se på de mest populære – og ikke så populære – typene av blokkjede-konsensusalgoritmer på tvers av offentlige og private nettverk.

Hva er bevis på arbeid?

Proof of Work (PoW) er den mest populære og eldste konsensusalgoritmen som kom med etableringen av Bitcoin i 2009 av Satoshi Nakamoto. Et PoW-system består av et globalt nettverk av gruvearbeidere — kalt nettverksnoder — som konkurrerer om å løse matematiske gåter. Gruvearbeideren som lykkes med å løse gåten vinner retten til å legge til en ny blokk i blokkjeden og mottar en belønning utbetalt i nyopprettet kryptovaluta. 

Bevis på arbeid er i utgangspunktet en gruvearbeiders måte å vise bevis på at de har gitt beregningskraft for å oppnå nettverkskonsensus og validere ektheten til hver blokk. Videre er hver blokk (transaksjon) ordnet i sekvensiell rekkefølge, noe som eliminerer risikoen for dobbeltforbruk.

Så langt har PoW vært den sikreste konsensusmekanismen for kryptovalutablokkkjeder. Å endre nettverket vil kreve at en angriper miner alle eksisterende blokker i kjeden på nytt. Jo mer blokkjeden vokser, jo vanskeligere er det å monopolisere nettverkets datakraft siden det vil kreve enormt energiforbruk og dyrt utstyr.

Når en gruvearbeider har løst et puslespill, finner han en nuncio (forkortelse for tall brukt én gang) som produserer en hash med en verdi lavere enn eller lik den som er satt av nettverksvanskeligheten. 

Nonce er en sentral del av PoW-systemer siden den vil tillate gruvearbeideren å lage en blokkoverskrift hash med SHA-256-hash-funksjonen, som betyr å sette et referansenummer for en blokk i en kjede. Blokkoverskriften inneholder også et tidsstempel og hashen til forrige blokk.

Ulemper med PoW

Gruvearbeidere må gi betydelig beregningskraft for å løse gåtene. Men siden beregningene er komplekse, er mengden energi som en enkelt S9 Antminer forbruker vanligvis mellom 1400 – 1500 watt i timen for en hashrate på 14.5 TH/s. S19, en kraftigere versjon, bruker 3250 watt i timen med en hashrate på 110 TH/s. 

Med litt matematikk kan vi beregne mengden energi som datasentre eller gruveselskaper bruker med hundrevis eller tusenvis av gruverigger på ett sted daglig. Høyt energiforbruk og miljøskader er hovedkritikken fra bevis på arbeid. 

For å sette dette i perspektiv, før Ethereum byttet til Proof of Stake, konsumerte Ethereum-gruvearbeidere over hele verden rundt 10 TWh/år, det samme som Tsjekkia.

Den høye støyen skader også menneskers hørselsnivåer — over 80 dBa. Dette er grunnen til at gruverigger vanligvis holdes i kjellere eller gruveanlegg for å unngå forstyrrende hverdagsaktiviteter.

Hva er bevis på innsats?

Proof of Stake (PoS) er den nest mest populære konsensusalgoritmen. I stedet for gruvearbeidere har PoS-blokkjeder nettverksvalidatorer som bruker myntene/tokenene deres som bevis på deres forpliktelse til nettverket i stedet for datakraft. 

Staking betyr å "låse" kryptoaktiva i en periode i en blokkjedeplattform, som til gjengjeld belønner brukere med mer kryptovaluta. 

PoW vs. PoS: Hovedforskjeller

I PoS kan brukere satse en del av eiendelene sine med det eneste formålet å generere passiv inntekt. Det andre alternativet er å bli en validator. I motsetning til PoW-systemer, konkurrerer ikke validatorer om å lage nye blokker siden de er tilfeldig valgt av en algoritme. Jo flere mynter/tokens en bruker satser, jo større er sjansene deres for å bli en validator og lage nye blokker i blokkjeden. 

I PoW-systemer bestemmes tiden for generering av nye blokker av gruvevanskeligheten; jo flere deltakere blir med i nettverket, desto større hashkraft, dvs. beregningskraften som kreves for å utvinne nye blokker. Derimot har PoS-blokkkjeder en fast blokkgenereringstid delt inn i spor - tiden det tar å lage en blokk - og epoker, som er tidsenheter som består av spor. 

For å forklare dette bedre, består et spor i Ethereum av 12 sekunder, som er hvor lang tid det tar nettverket å lage en blokk, og 32 spor skaper en epoke. Derfor er en epoke 6.4 minutter. Hvert spor i en PoS-blokkjede har et forhåndsbestemt antall validatorer som stemmer på gyldigheten til blokken som foreslås. Hvis blokken er gyldig, legges den til i kjeden, og blokkforslagsstilleren og attestorene mottar belønninger i ETH.

PoS-blokkjeder straffer ondsinnede aktører for å angripe nettverket med 51 %-stilangrep, som kalles slashing, der ærlige validatorer kaster ut den ondsinnede validatoren fra nettverket og tapper balansen deres. Dette fraråder ondsinnede aktører fra å angripe nettverket siden det nødvendige antallet satsede midler er betydelig høyt. Når det gjelder Ethereum, 32 ETH.

Fordeler med PoS:

• Mindre energikrevende sammenlignet med PoW
• Mer egnet til å jobbe med lag-2 løsninger enn PoW
• I stand til å oppnå en høyere gjennomstrømning siden konsensus er etablert før blokker passeres.
• Billigere enn PoW-blokkjeder siden det ikke krever elitemaskinvare for å lage nye blokker.

Ulemper med PoS

• PoS-systemer er fortsatt gjenstand for sentralisering hvis validatorer med et stort antall stakede tokens kan påvirke nettverket. 
• Mindre bevist når det gjelder sikkerhet sammenlignet med PoW-blokkjeder.

Hva er bevis på historie?

Proof of History (PoH) er en konsensusalgoritme presentert av Solana-blokkjeden og består av å sette et tidsstempel til alle hendelser på nettverket for å bevise at de fant sted på et gitt tidspunkt. PoH kan beskrives som en kryptografisk klokke som bekrefter transaksjoner i sekvensiell rekkefølge. 

Solana kombinerer sin PoH-tilnærming med PoS. Derfor må nettverksdeltakere satse SOL for å bli validatorer og behandle nye blokker, og PoH-mekanismen verifiserer gyldigheten av disse transaksjonene som finner sted i sanntid. Med andre ord opprettholder PoH sikkerheten, mens PoS bringer et nettverk av validatorer som kan verifisere tidsstemplene og bekrefte transaksjonene.

Solana ofrer imidlertid desentralisering for å gi lynrask transaksjonsgjennomstrømning. Blokkjeden er avhengig av en semisentralisert arkitektur der en enkelt node velges som lederen som har ansvaret for å implementere en enkelt tidskilde, dvs. PoH-klokken, og alle andre noder må følge tidssekvensene tilsvarende. Ledere velges med jevne mellomrom via PoS-valg.

Mens Solana er en av de raskeste blokkjedene i bransjen, lider den regelmessig av nedetider. Siden lanseringen i 2020 har nettverket hatt omtrent ti nedetider, hvorav fem skjedde i 2022. Hovedårsaken til disse utbruddene er en «feilkonfigurert node».

Hva er delegert bevis på innsats?

Delegert bevis på innsats (DPoS) er en variant av PoS-konseptet der fellesskapet spiller en sentral rolle.

I DPoS-blokkjeder satser fellesskapsmedlemmene sine kryptovalutaer for å stemme på de neste vitnene eller delegatene for blokkproduksjon. For å gjøre dette, må brukere samle sine tokens i blokkjedens innsatspool og deretter koble midlene til en spesifisert delegat. 

DPoS ble utviklet av tidligere EOS CTO Dan Larimer, som implementerte algoritmen på BitShares i 2015. Larimer og andre DPoS-tilhengere har sagt at DPoS utvider det demokratiske omfanget siden det er fellesskapet som velger neste validator. I dag bruker blokkjeder som TRON og Cardano DPoS. 

Imidlertid er kritikken for DPoS at metoden favoriserer velstående brukere. De med et stort antall tokens kan ha større innflytelse i nettverket. Vitalik Buterin var en av de første DPoS-motstanderne, og hevdet i en blogginnlegg at denne konsensusalgoritmen motiverer vitner til å danne karteller og bestikke velgere for støtte.

Hva er autoritetsbevis?

Proof of Authority (PoA) er en konsensusalgoritme der kun tillatte medlemmer kan samhandle med blokkjeden, utføre transaksjoner, foreta eller foreslå endringer i nettverksparametere, gjennomgå transaksjonshistorikk osv. 

Begrepet ble laget av Gavin Wood, en blokkjedeutvikler som var med å grunnlegge Ethereum, Polkadot, og Kusama Network.

I en PoA-blokkkjede, alt handler om omdømme – nettverksdeltakere satser identiteten sin i stedet for mynter. De gir et høyere nivå av skalerbarhet og gjennomstrømning siden den bare er avhengig av et begrenset antall validatorer. Vi tror kanskje dette er en sterkt sentralisert modell, men PoA-blokkjeder er vanligvis private og passer bedre med bedrifter og organisasjoner som bruker blokkjedeteknologi for å forbedre virksomheter og driftssystemer. 

Hva er bevis på medgått tid?

Proof of Elapsed Time (PoET) er en annen konsensusalgoritme som fungerer best med private blokkjeder.

PoET-algoritmen ble først presentert av Intel-programvareutviklere og implementert til Hyperledger sagtann, rettet mot private blokkjeder og institusjoner.

Algoritmen er kanskje ikke like populær som andre blokkjeder siden den ikke var tilstrekkelig definert. Men tanken var å presentere en ferdiglaget motor i Nakamoto-stil som tillot private blokkjeder å velge neste blokkprodusent. Og hvordan skiller de seg? Vel, algoritmen genererer en "tilfeldig ventetid" for hver nettverksnode, og i løpet av den tiden må noden "sove." Noden med kortest ventetid våkner først og vinner retten til å produsere en blokk i kjeden. 

Så hovedforskjellen er at gruvearbeidere i PoET ikke kjører 24/7 og bruker mindre energi. Videre, i et PoW-nettverk, konkurrerer gruvearbeidere om å hash den neste blokkoverskriften, mens det i PoET er mer et tilfeldig utvalgssystem.

Vanlige spørsmål om konsensusalgoritmer: 

Vil Ethereum bli raskere nå som det har gått over til PoS?

En vanlig misforståelse er at Ethereum automatisk skaleres nå som det er en PoS-basert blokkjede. Imidlertid ble denne overgangen gjort for å forbedre Ethereum ved å:

• Senke energiforbruket
• Senke adgangsbarrierer ved å eliminere maskinvarekrav
• Tillater økonomiske straffer for nodemisoppførsel
• Introduserer en ny modell for token-utslipp 
• Og en bedre infrastruktur for å jobbe med Ethereum Layer-2-løsninger.

Hva er tillatelsesløse og tillatte blokkjeder?: 

En tillatelsesfri blokkjede refererer til en offentlig blokkjede der hvem som helst kan foreta transaksjoner, gjennomgå transaksjonshistorikk, satse mynter, bli en validator, etc. På den annen side, i tillatte (private) blokkjeder, er det kun medlemmer med tillatelse som kan få tilgang til nettverket for å lage transaksjoner, samhandle med nettverksnoder, spor aktivitet i kjeden, etc.

Er PoW den sikreste konsensusalgoritmen? PoW har sin rimelige del av ulemper, men så langt har det vært den mest velprøvde og pålitelige måten å opprettholde et nettverks konsensus og sikkerhet i en blokkjede.

Siste tanker: konsensusalgoritme forklart

Blockchain er en teknologi som er i stand til å løse mange utfordringer og smertepunkter innenfor ulike bransjer, ikke bare bank og finans. Den har imidlertid sin egen andel av tilbakeslag. Derfor har utviklere laget flere typer og versjoner av konsensusalgoritmer for å takle vanlige problemer, som sentralisering, mangel på skalerbarhet og lav gjennomstrømning. 

Men å snakke om fremtiden til blokkjedealgoritmer er vanskelig på grunn av én utfordring: Blockchain-trilemmaet. Først skissert av Vitalik Buterin, uttaler det blokkjedenettverks manglende evne til å gi to av tre fordeler: desentralisering, sikkerhet og skalerbarhet. Det er flere blockchain-plattformer, som Fantom og Solana, som har implementert sine egne hybridversjoner av konsensusalgoritmer i et forsøk på å løse blokkjede-trilemmaet, men ingen har vært virkelig vellykket så langt. 

Andre tekniske tilnærminger har blitt gjort for å forbedre egenskapene til blokkjeden, og en av de mest populære er lag-2-er, som er kjeder koblet til et lag-1, f.eks. Arbitrum med Ethereum, og sharding, som deler opp hele blokkjeden i mange mindre nettverk. Buterin vurderer sharding som den beste tilnærmingen for å gi de tre egenskapene til en perfekt blokkjede.