De olika typerna av konsensusalgoritmer – CoinCentral

En konsensusalgoritm är en procedur som används inom datavetenskap där deltagare i en distribuerad nätverk överens om tillståndet för nätverket eller tillståndet för ett enda datavärde och etablera förtroende bland okända kamrater i nätverket. 

Konsensusalgoritmer är utformade så att medlemmar i en blockkedja kommer överens om att validera en transaktion på nätverket, ändra nätverksparametrar, bestämma vilka noder som är pålitliga att bearbeta nya block och andra viktiga funktioner.

Låt inte den tekniska karaktären i den här artikeln avskräcka dig - att hitta "konsensus" finns runt oss överallt - det är en mycket mänsklig uppfattning, men bara tillämpad på något som kan automatiseras. 

Till att börja med, i centraliserade system, utförs konsensusuppgifter av en central myndighet. 

I decentraliserade system som Bitcoin har vi ett nätverk som består av hundratals, tusentals och till och med hundratusentals gruvarbetare eller noder som går med för att utföra en eller flera uppgifter och tillhandahåller ett tillförlitligt och effektivt ekosystem.

Om du tänker på det decentraliserade samförståndet med det här exemplet, anta att du är i en grupp på fyra vänner, och en av medlemmarna, Alex, introducerar en femte person, Bob. När Bob går, kommer gruppen troligen att börja prata om Bob (detta är protokollet) för att se om de gillade honom (resultatet blir "konsensus") 

José: "Bob verkar vara en cool kille."

Kevin: "Ja, cool kille. Hur träffade du honom?"

Alex: ”Han gick en av mina ekonomiklasser på college; vi skulle dela med oss ​​av kryptohandelstips, och det slutade med att han var en ganska rolig kille.”

Kevin: "Skönt, men hans memes var bara superkonstiga."

John: "Du får helt enkelt inte memkultur."

José: "Ja, du spenderar inte mycket tid på att scrolla igenom TikTok - jag tyckte de var ganska roliga."

I det här exemplet nåddes en "konsensus" om huruvida Bob integreras väl i vängruppen. Det finns ofta en nödvändiga åsiktskonsensus även i avsaknad av specifika åtaganden eller avtal. En deltagare, Kevin, är ovillig att släppa in Bob i gruppen, men José, Alex och John är coola med Bob.

I det här fallet, om vi skulle kodifiera ovanstående exempel till en konsensusalgoritm: Då blir det 3 "han är cool" och 1 "han är cool men jag är osäker på XYZ" resulterar fortfarande i ett "han är cool." Majoriteten vinner, så Bob kommer att få umgås med de coola barnen trots Kevins åsikt. 

Bitcoin, till exempel, är byggd för att hitta konsensus om huruvida nya transaktioner är giltiga (”cool”) eller inte. 

Här kommer vi att granska de mest populära – och inte så populära – typerna av blockchain-konsensusalgoritmer över offentliga och privata nätverk.

Vad är arbetsbevis?

Proof of Work (PoW) är den mest populära och äldsta konsensusalgoritmen som kom med skapandet av Bitcoin 2009 av Satoshi Nakamoto. Ett PoW-system består av ett globalt nätverk av gruvarbetare — så kallade nätverksnoder — som tävlar om att lösa matematiska pussel. Gruvarbetaren som framgångsrikt löser pusslet vinner rätten att lägga till ett nytt block i blockkedjan och får en belöning som betalas i nyskapad kryptovaluta. 

Bevis på arbete är i grunden en gruvarbetares sätt att visa bevis på att de har tillhandahållit beräkningskraft för att uppnå nätverkskonsensus och validera äktheten av varje block. Vidare arrangeras varje block (transaktion) i sekventiell ordning, vilket eliminerar risken för dubbla utgifter.

Hittills har PoW varit den säkraste konsensusmekanismen för kryptovalutablockkedjor. Att ändra nätverket skulle kräva att en angripare återminer alla befintliga block i kedjan. Ju mer blockkedjan växer, desto svårare är det att monopolisera nätverkets datorkraft eftersom det skulle kräva enorm energiförbrukning och dyr utrustning.

När en gruvarbetare löst ett pussel, hittar han ett nuncio (förkortning för nummer som används en gång) som ger en hash med ett värde som är lägre än eller lika med det som ställs in av nätverkssvårigheten. 

Nonce är en central del av PoW-system eftersom det kommer att tillåta gruvarbetaren att skapa en blockrubrik hashad med SHA-256 hash-funktionen, vilket innebär att sätta ett referensnummer för ett block i en kedja. Blockhuvudet innehåller också en tidsstämpel och hashen för det föregående blocket.

Nackdelarna med PoW

Gruvarbetare måste tillhandahålla avsevärd beräkningskraft för att lösa pusslen. Men eftersom beräkningarna är komplexa, är mängden energi som en enda S9 Antminer förbrukar vanligtvis mellan 1400 – 1500 watt per timme för en hashrate på 14.5 TH/s. S19, en kraftfullare version, förbrukar 3250 watt per timme vid en hashrate på 110 TH/s. 

Med lite matematik kan vi beräkna mängden energi som datacenter eller gruvföretag förbrukar med hundratals eller tusentals gruvriggar på en enda plats dagligen. Hög energiförbrukning och miljöskador är den främsta kritiken från bevis på arbete. 

För att sätta detta i perspektiv, innan Ethereum bytte till Proof of Stake, förbrukade Ethereum-gruvarbetare över hela världen runt 10 TWh/år, samma som Tjeckien.

Det höga ljudet skadar också människors hörselnivåer — över 80 dBa. Det är därför som gruvriggar vanligtvis hålls i källare eller gruvanläggningar för att undvika störande vardagliga aktiviteter.

Vad är bevis på insats?

Proof of Stake (PoS) är den näst mest populära konsensusalgoritmen. Istället för gruvarbetare har PoS-blockkedjor nätverksvaliderare som använder sina mynt/tokens som bevis på sitt engagemang för nätverket snarare än datorkraft. 

Insats innebär att "låsa" kryptotillgångar under en period i en blockchain-plattform, vilket i gengäld belönar användare med mer kryptovaluta. 

PoW vs. PoS: Huvudskillnader

I PoS kan användare satsa en del av sina tillgångar i det enda syftet att generera passiv inkomst. Det andra alternativet är att bli en validator. Till skillnad från PoW-system, tävlar inte validatorer om att skapa nya block eftersom de är slumpmässigt valda av en algoritm. Ju fler mynt/tokens en användare satsar på, desto större är deras chanser att bli en validator och skapa nya block i blockkedjan. 

I PoW-system bestäms tiden för generering av nya block av gruvsvårigheten; ju fler deltagare som ansluter sig till nätverket, desto större hashpower, dvs den beräkningskraft som krävs för att bryta nya block. Däremot har PoS-blockkedjor en fast blockgenereringstid uppdelad i slots – den tid det tar att skapa ett block – och epoker, som är tidsenheter som består av slots. 

För att förklara detta bättre består en slot i Ethereum av 12 sekunder, vilket är den tid det tar för nätverket att skapa ett block, och 32 slots skapar en epok. Därför är en epok 6.4 minuter. Varje slot i en PoS-blockkedja har ett förutbestämt antal validatorer som röstar om giltigheten av blocket som föreslås. Om blocket är giltigt läggs det till i kedjan, och blockförslagsställaren och attestorerna får belöningar i ETH.

PoS-blockkedjor straffar illvilliga aktörer för att attackera nätverket med 51%-stilsattacker, vilket kallas slashing, där ärliga validatorer kastar ut den skadliga valideraren från nätverket och tömmer deras balans. Detta avskräcker illvilliga aktörer från att attackera nätverket eftersom det erforderliga antalet insatta medel är avsevärt högt. När det gäller Ethereum, 32 ETH.

Fördelar med PoS:

• Mindre energikrävande jämfört med PoW
• Mer lämplig att arbeta med lager-2-lösningar än PoW
• Kan uppnå en högre genomströmning eftersom konsensus upprättas innan blocken passeras.
• Billigare än PoW-blockkedjor eftersom det inte kräver elithårdvara för att skapa nya block.

Nackdelar med PoS

• PoS-system är fortfarande föremål för centralisering om validatorer med ett stort antal insatta tokens kan påverka nätverket. 
• Mindre beprövad när det gäller säkerhet jämfört med PoW-blockkedjor.

Vad är bevis på historien?

Proof of History (PoH) är en konsensusalgoritm som presenteras av Solana blockchain och består av att placera en tidsstämpel till alla händelser på nätverket för att bevisa att de ägde rum vid en given tidpunkt. PoH kan beskrivas som en kryptografisk klocka som bekräftar transaktioner i sekventiell ordning. 

Solana kombinerar sin PoH-metod med PoS. Därför måste nätverksdeltagare satsa SOL för att bli validerare och bearbeta nya block, och PoH-mekanismen verifierar giltigheten av de transaktioner som sker i realtid. Med andra ord upprätthåller PoH säkerheten, medan PoS tar med sig ett nätverk av validatorer som kan verifiera tidsstämplarna och bekräfta transaktionerna.

Solana offrar dock decentralisering för att ge blixtsnabb transaktionsgenomströmning. Blockkedjan förlitar sig på en semi-centraliserad arkitektur där en enda nod väljs som ledaren som är ansvarig för att implementera en enda tidskälla, dvs PoH-klockan, och alla andra noder måste följa tidssekvenserna i enlighet med detta. Ledare väljs periodiskt via PoS-val.

Även om Solana är en av de snabbaste blockkedjorna i branschen, lider den regelbundet av driftstopp. Sedan lanseringen 2020 har nätverket drabbats av ungefär tio driftstopp, varav fem inträffade 2022. Den främsta orsaken till dessa avbrott är en "felkonfigurerad nod".

Vad är delegerat bevis på insats?

Delegerat bevis på insats (DPoS) är en variant av PoS-konceptet där samhället spelar en central roll.

I DPoS-blockkedjor satsar communitymedlemmarna sina kryptovalutor för att rösta fram nästa vittnen eller delegater för blockproduktion. För att göra detta måste användare slå ihop sina tokens i blockkedjans insatspool och sedan länka pengarna till en angiven delegat. 

DPoS utvecklades av tidigare EOS CTO Dan Larimer, som implementerade algoritmen på BitShares 2015. Larimer och andra DPoS-förespråkare har sagt att DPoS breddar den demokratiska räckvidden eftersom det är samhället som väljer nästa validator. Idag använder blockkedjor som TRON och Cardano DPoS. 

Men kritiken för DPoS är att dess metodik gynnar rika användare. De med ett stort antal tokens kan ha ett större inflytande i nätverket. Vitalik Buterin var en av de första DPoS-belackarna, som hävdade i en blogginlägg att denna konsensusalgoritm uppmuntrar vittnen att bilda karteller och muta väljare för stöd.

Vad är auktoritetsbevis?

Bevis för auktoritet (PoA) är en konsensusalgoritm där endast behöriga medlemmar kan interagera med blockkedjan, utföra transaktioner, göra eller föreslå ändringar i nätverksparametrar, granska transaktionshistorik, etc. 

Termen myntades av Gavin Wood, en blockchain-utvecklare som var med och grundade Ethereum, Polkadot, och Kusama Network.

I en PoA-blockkedja, allt handlar om rykte — nätverksdeltagare satsar sin identitet istället för mynt. De ger en högre nivå av skalbarhet och genomströmning eftersom den bara är beroende av ett begränsat antal validatorer. Vi kanske tror att detta är en kraftigt centraliserad modell, men PoA-blockkedjor är vanligtvis privata och passar bättre med företag och organisationer som använder blockkedjeteknik för att förbättra företag och operativa system. 

Vad är bevis på förfluten tid?

Proof of Elapsed Time (PoET) är en annan konsensusalgoritm som fungerar bäst med privata blockkedjor.

PoET-algoritmen presenterades först av Intels mjukvaruutvecklare och implementerades till Hyperledger sågtand, riktad mot privata blockkedjor och institutioner.

Algoritmen kanske inte är lika populär som andra blockkedjor eftersom den inte var tillräckligt definierad. Men tanken var att presentera en färdig motor i Nakamoto-stil som gjorde att privata blockkedjor kunde välja nästa blockproducent. Och hur skiljer de sig åt? Tja, algoritmen genererar en "slumpmässig väntetid" för varje nätverksnod, och under den tiden måste noden "sova.” Noden med den kortaste väntetiden vaknar först och vinner rätten att producera ett block i kedjan. 

Så den största skillnaden är att gruvarbetare i PoET inte kör 24/7 och förbrukar mindre energi. Vidare, i ett PoW-nätverk, tävlar gruvarbetare om att hasha nästa blockhuvud, medan det i PoET mer är ett slumpmässigt urvalssystem.

Vanliga frågor om konsensusalgoritmer: 

Kommer Ethereum att bli snabbare nu när det har övergått till PoS?

En vanlig missuppfattning är att Ethereum automatiskt skalas nu när det är en PoS-baserad blockkedja. Denna övergång gjordes dock för att förbättra Ethereum genom att:

• Minska energiförbrukningen
• Sänka inträdesbarriärer genom att eliminera hårdvarukrav
• Tillåter ekonomiska straff för nodfel
• Introducerar en ny modell för token-emissioner 
• Och en bättre infrastruktur för att fungera med Ethereum Layer-2-lösningar.

Vad är tillståndslösa och tillåtna blockkedjor?: 

En tillståndslös blockkedja avser en offentlig blockkedja där vem som helst kan göra transaktioner, granska transaktionshistorik, satsa mynt, bli en validator, etc. Å andra sidan, i tillåtna (privata) blockkedjor kan endast medlemmar med behörighet komma åt nätverket för att göra transaktioner, interagera med nätverksnoder, spåra aktivitet i kedjan, etc.

Är PoW den säkraste konsensusalgoritmen? PoW har sin beskärda del av nackdelarna, men hittills har det varit det mest beprövade och pålitliga sättet att upprätthålla ett nätverks konsensus och säkerhet i en blockchain.

Slutliga tankar: konsensusalgoritm förklaras

Blockchain är en teknik som kan lösa många utmaningar och smärtpunkter inom olika branscher, inte bara bank och finans. Den har dock sin egen andel av motgångar. Därför har utvecklare skapat flera typer och versioner av konsensusalgoritmer för att hantera vanliga problem, såsom centralisering, brist på skalbarhet och låg genomströmning. 

Men att prata om framtiden för blockchain-algoritmer är svårt på grund av en utmaning: Blockchain Trilemma. Först skisserades av Vitalik Buterin, det anger blockkedjenätverkens oförmåga att tillhandahålla två av tre fördelar: decentralisering, säkerhet och skalbarhet. Det finns flera blockchain-plattformar, som Fantom och Solana, som har implementerat sina egna hybridversioner av konsensusalgoritmer i ett försök att lösa blockkedjetrilemmat, men ingen har varit riktigt framgångsrik hittills. 

Andra tekniska tillvägagångssätt har gjorts för att förbättra egenskaperna hos blockkedjan, och en av de mest populära är layer-2s, som är kedjor kopplade till ett lager-1, t.ex. Arbitrum med Ethereum, och sharding, som delar upp hela blockkedjan i många mindre nätverk. Buterin bedömer vara den sharding som det bästa sättet att tillhandahålla de tre egenskaperna hos en perfekt blockchain.