Минимальные затраты и максимальная эффективность — классификация и сравнение различных видов алгоритмов консенсуса

Алгоритмы консенсуса являются ключевым компонентом блокчейн-платформ, обеспечивающим надежность и безопасность системы. Они позволяют различным участникам достигать согласия относительно состояния распределенного реестра, где хранится информация о транзакциях и контрактах.

Существуют различные виды алгоритмов консенсуса, каждый из которых имеет свои преимущества и особенности. Некоторые из них, такие как Proof of Work (PoW), были созданы для биткоин и обеспечивают высокую степень безопасности, но требуют большого количества вычислительной мощности. Другие, например, Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), предназначены для использования в приватных блокчейнах и обеспечивают быструю обработку транзакций, но имеют более ограниченное количество участников.

Принцип работы алгоритмов консенсуса основан на идее достижения согласованности между участниками системы, несмотря на возможное наличие ошибок или злонамеренных действий. В основе многих алгоритмов лежит принцип голосования, где участники системы предлагают свое мнение и принимают консенсусное решение на основе большинства голосов.

Виды алгоритмов консенсуса

1. Практически все распределенные системы имеют какие-то правила или протоколы, в соответствии с которыми принимаются решения. Однако, несмотря на наличие этих правил, могут возникать ситуации, когда различные участники системы имеют разное представление о текущем состоянии системы. Алгоритмы консенсуса помогают решить эту проблему и достигнуть согласия между участниками, определяя одно и то же состояние системы для всех.

2. Основной принцип работы алгоритмов консенсуса заключается в том, что участники системы должны достичь согласия относительно одного и того же утверждения путем обмена информацией и обсуждения. Это может быть достигнуто, например, путем голосования или децентрализованного механизма согласования.

3. Существуют различные типы алгоритмов консенсуса, которые могут быть использованы в разных контекстах и для разных целей. Некоторые из них включают алгоритмы Proof of Work (PoW), Proof of Stake (PoS), Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) и другие.

4. Каждый тип алгоритма консенсуса имеет свои преимущества и недостатки, и выбор конкретного алгоритма зависит от требований системы и ее характеристик. Некоторые алгоритмы могут быть более надежными и защищенными от атак, но требуют больше вычислительных ресурсов, в то время как другие алгоритмы могут быть более эффективными с точки зрения производительности.

• Proof of Work (PoW) – алгоритм, который требует от участников системы выполнения определенной сложной вычислительной задачи для создания нового блока и подтверждения его корректности. Этот алгоритм используется, например, в криптовалютах Bitcoin и Ethereum.
• Proof of Stake (PoS) – алгоритм, в котором выбор создателя нового блока зависит от количества имеющихся у участников системы монет. Участники, у которых больше всего монет, имеют больше шансов стать создателями блоков и получить вознаграждение. Примеры криптовалют, использующих этот алгоритм, включают Ethereum 2.0 и Cardano.
• Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) – алгоритм, предназначенный для обеспечения согласия в распределенных системах с возможными сбоями и атаками. Он основан на идеи, что большинство участников системы являются честными и надежными, и могут достичь согласия относительно состояния системы, даже если некоторые участники не являются надежными. PBFT используется, например, в системах Hyperledger Fabric и Tendermint.

Виды алгоритмов консенсуса, представленные выше, являются только некоторыми из множества существующих алгоритмов. Каждый алгоритм имеет свои особенности и применим в определенных условиях. Выбор правильного алгоритма консенсуса является важной задачей для разработчиков распределенных систем с целью достижения согласия и надежной работы системы.

Алгоритмы Proof of Work

Принцип работы

Основной принцип работы алгоритмов Proof of Work заключается в том, что участник, желающий добавить новый блок в блокчейн, должен предоставить доказательство выполнения определенной работы. Это доказательство обычно представляет собой решение математической задачи, которая требует больших вычислительных ресурсов для выполнения.

В качестве этой задачи может выступать, например, поиск такого хэша блока, который удовлетворяет определенным критериям — например, должен иметь определенное количество нулей в начале. Чтобы решить эту задачу, участнику приходится пробовать различные варианты хэшей, изменяя значения в блоке, пока не будет найдено подходящее решение.

Преимущества и недостатки

Преимущества алгоритмов Proof of Work включают:

• Безопасность: благодаря сложности задачи и нелинейной зависимости отношения мощности участника к мощности всей сети, атакующему будет сложно контролировать большинство мощности в сети.
• Децентрализация: PoW-алгоритмы позволяют распределить контроль над сетью между участниками, так как любой участник, обладающий достаточной мощностью вычислений, может принять участие в процессе консенсуса.

Недостатки алгоритмов Proof of Work включают:

• Энергозатраты: PoW требуют больших вычислительных ресурсов, что приводит к значительным затратам электроэнергии и потенциальным экологическим проблемам.
• Скорость выполнения: из-за необходимости решать сложные задачи, время, необходимое для добавления нового блока, может быть значительно увеличено.

Алгоритм	Примеры криптовалют
SHA-256	Bitcoin
Scrypt	Litecoin
Equihash	Zcash

Алгоритмы Proof of Stake

Основная идея алгоритмов PoS заключается в том, что право создания нового блока и получения вознаграждения зависит от количества монет, которые уже имеет участник блокчейн-сети. Чем больше монет владеет участник, тем выше его вероятность создать новый блок и получить награду.

Существуют различные модификации алгоритмов PoS, каждая из которых имеет свои особенности и правила функционирования. Некоторые алгоритмы, например, используют случайный выбор участников для создания нового блока, при этом вероятность выбора зависит от количества владеемых монет.

Преимущества алгоритмов PoS включают более экономичное использование энергии и вычислительной мощности по сравнению с алгоритмами PoW, а также более быструю обработку транзакций. Кроме того, алгоритмы PoS обеспечивают более равномерное распределение вознаграждений между участниками сети и способствуют укреплению безопасности системы.

Однако, алгоритмы PoS также имеют свои недостатки. Некоторые эксперты считают, что они могут стать менее безопасными в случае сосредоточения большого количества монет в руках небольшого числа участников. Кроме того, алгоритмы PoS требуют более сложной системы для проверки правильности создания блоков, что может повлечь за собой увеличение нагрузки на сеть.

Алгоритмы Proof of Authority

Принцип работы алгоритма PoA заключается в том, что предварительно выбранные участники сети (называемые авторитетными узлами или узлами-служителями) имеют эксклюзивное право на создание блоков и подтверждение транзакций. Эти узлы изначально проверены и доверены всеми участниками сети.

В PoA авторитетные узлы подписывают каждый созданный блок, используя свой приватный ключ, что обеспечивает непререкаемость происхождения блока. Когда узлы формируют блок, они выбирают одного из своих участников в качестве временного лидера, который находится в роли блокчейн-координатора. Затем этот блокчейн-координатор рассылает созданный блок всем остальным участникам сети, которые его проверяют и подтверждают.

По принципу доверия и авторитетности, алгоритмы PoA гарантируют более высокую скорость обработки транзакций, но вместе с тем устраняют децентрализацию. Поскольку отбор авторитетных узлов и их проверка выполняются централизованной организацией или доверенными лицами, сеть вцелом становится менее устойчивой к атакам. Кроме того, PoA ограничивает количество участников, что дает возможность вести более эффективные транзакции.

Основные преимущества алгоритмов PoA:

• Высокая скорость транзакций: благодаря выбору авторитетных узлов и централизованному подходу, PoA способен обрабатывать большое количество транзакций в секунду, что делает его привлекательным для коммерческих систем.
• Низкая стоимость энергии: поскольку PoA не требует вычислительной мощности для доказательства работы, он потребляет гораздо меньше энергии, чем другие алгоритмы, такие как Proof of Work (PoW).
• Высокая надежность: благодаря предварительной проверке и доверенности авторитетных узлов, алгоритм PoA обеспечивает большую надежность сети и защиту от манипуляций.

Алгоритмы Delegated Proof of Stake

Принцип работы алгоритма

Алгоритм Delegated Proof of Stake основан на выборе делегатов, которые занимаются формированием и подписыванием блоков в блокчейне. Делегаты выбираются на основе количества долей, принадлежащих им в системе.

Процесс выбора делегатов происходит следующим образом:

1. Каждый участник блокчейн-системы имеет возможность проголосовать за конкретных делегатов, делегируя им свои доли.
2. Делегаты, набравшие наибольшее количество голосов, занимают места в списке делегатов по убыванию.
3. Топ N делегатов получают право подписывать блоки и проверять транзакции в блокчейне.

Особенности алгоритма

Delegated Proof of Stake предлагает несколько преимуществ:

• Высокая скорость транзакций. Блоки подписываются только топ N делегатами, что ускоряет процесс верификации.
• Низкие комиссии. Благодаря делегированию долей и ограничению числа делегатов, комиссии за транзакции могут быть минимальными.
• Децентрализация. Пользователи могут свободно выбирать делегатов и делегировать им свои доли, обеспечивая децентрализацию системы.

Однако, алгоритм Delegated Proof of Stake имеет и некоторые недостатки:

• Ограничение на количество делегатов может создать централизованную группу, контролирующую систему.
• Доли, делегированные делегатам, могут быть потеряны в случае, если делегат становится ненадежным или злоумышленником.

Примеры блокчейн-систем, использующих dPoS

Название системы	Описание
EOS	EOS — платформа для создания децентрализованных приложений с использованием смарт-контрактов.
TRON	TRON — блокчейн-платформа для разработки и запуска децентрализованных приложений различной сложности.

Алгоритмы Practical Byzantine Fault Tolerance

Алгоритмы Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) представляют собой класс алгоритмов, разработанных для достижения консенсуса в децентрализованной сети узлов. Эти алгоритмы предназначены для обеспечения надежной работы системы, даже при наличии неисправных или враждебных узлов.

PBFT был впервые предложен в 1999 году и с тех пор стал широко применяемым в различных блокчейн-платформах и системах распределенного хранения данных. Основная идея PBFT заключается в использовании реплицированного состояния для достижения консенсуса.

Принцип работы алгоритма PBFT

В PBFT система состоит из множества узлов, которые выполняют роль реплик. Важное отличие PBFT от других алгоритмов консенсуса, таких как Proof of Work (PoW) или Proof of Stake (PoS), заключается в том, что PBFT не требует вычислительных или энергетических ресурсов для выполнения.

Алгоритм PBFT использует трехфазный протокол для достижения консенсуса. В первой фазе, называемой «предложением», выбирается лидер — узел, который будет предлагать новое состояние для реплик. Затем, во второй фазе, называемой «подтверждением», реплики обмениваются информацией и согласовывают новое состояние. Наконец, в третьей фазе, называемой «выполнением», реплики применяют новое состояние к своим копиям данных, чтобы система осталась согласованной.

В PBFT существует механизм для определения состояния реплик и принятия решений. Механизм основан на обмене сообщениями между узлами и проверке достоверности сообщений. Также в PBFT есть возможность обнаружения и исключения неисправных или враждебных узлов из системы.

Преимущества и недостатки алгоритма PBFT

Преимущества PBFT включают:

• Высокая производительность: PBFT обладает высокой скоростью обработки транзакций и способен поддерживать высокую пропускную способность.
• Надежность: PBFT обеспечивает надежность и отказоустойчивость системы даже при наличии неисправных или враждебных узлов.
• Согласованность данных: PBFT гарантирует согласованность данных в системе, позволяя достичь консенсуса между репликами.

Недостатки PBFT включают:

• Централизованность: PBFT требует выбора лидера, что может привести к централизации в системе.
• Ресурсоемкость: PBFT требует обмена большим количеством сообщений между узлами, что может привести к увеличению нагрузки на сеть.
• Сложность реализации: PBFT требует сложной логики и алгоритмов для достижения консенсуса, что может затруднить его реализацию.

В целом, алгоритмы Practical Byzantine Fault Tolerance представляют собой эффективный инструмент для достижения консенсуса в децентрализованных системах. Они обеспечивают надежную работу системы даже при наличии неисправных или враждебных узлов, что делает их полезными для различных приложений.

Алгоритмы Byzantine Fault Tolerance

Цель алгоритмов BFT заключается в том, чтобы достичь единого мнения среди участников системы, несмотря на наличие до t ошибочно действующих участников. В общем случае, для достижения консенсуса среди n участников при наличии до t ошибочных участников требуется условие n > 3t.

Алгоритмы BFT обычно предусматривают 3 этапа: предварительная подготовка, решение проблемы и окончательное мнение. На предварительной подготовке участники системы обмениваются информацией о своем мнении. Решение проблемы представляет собой процесс обсуждения и выбора наиболее подходящего варианта. Окончательное мнение формируется путем подтверждения выбранного варианта и исключения ошибочных участников из процесса принятия решения.

Алгоритмы BFT обладают высокой надежностью и стойкостью к ошибкам, что делает их привлекательным выбором для систем с требованиями к консенсусу и отказоустойчивости. Однако, они также требуют большего объема вычислений и коммуникаций в сравнении с другими алгоритмами консенсуса, что может оказывать влияние на производительность системы.

Алгоритмы Ripple Consensus Protocol

Принцип работы

Протокол RCP основан на идее консенсуса по большинству, где участники сети формируют согласованные решения с помощью голосования. В протоколе используется набор правил и протоколов, которые регулируют процесс голосования и определения конечного решения. Узлы сети выбирают представителей, которые формируют совет для принятия решений и обеспечивают их распространение по всей сети.

Протокол RCP включает в себя несколько стадий, таких как выбор представителей, формирование совета, голосование и определение конечного решения. Каждая стадия выполняется в определенном порядке и использует различные протоколы и правила для обеспечения согласованности.

Таблица

Стадия	Описание
Выбор представителей	Узлы сети выбирают представителей для формирования совета
Формирование совета	Представители формируют совет для принятия решений
Голосование	Участники сети голосуют за предлагаемые решения
Определение конечного решения	На основе голосования определяется конечное решение

Протокол RCP обладает высокой масштабируемостью и устойчивостью к атакам, так как требует согласия большинства участников. Он также обеспечивает надежную доставку сообщений и контролирует целостность данных в распределенной системе.

Алгоритмы Directed Acyclic Graph

Одним из примеров алгоритмов консенсуса, основанных на DAG, является алгоритм GHOST (Greedy Heaviest Observed SubTree). Он был предложен для применения в блокчейн-системах и позволяет обеспечить высокую пропускную способность сети и адаптироваться к изменениям в топологии сети.

Алгоритм GHOST использует следующий принцип функционирования:

1. Каждый узел сети поддерживает локальную копию графа, состоящую из блоков.
2. Узлы передают информацию о новых блоках друг другу.
3. При получении нового блока, узел добавляет его в свой граф.
4. Узел затем выбирает подмножество блоков из графа, которые образуют самый тяжелый наблюдаемый подграф (Heaviest Observed SubTree).
5. Время жизни блоков в графе ограничено, и узлы автоматически отбрасывают старые блоки.
6. Блоки, которые не попали в самый тяжелый наблюдаемый подграф, также могут быть отброшены.

Алгоритм GHOST позволяет достичь консенсуса на основе веса каждого блока в графе. Участники сети могут согласовываться около самых тяжелых ветвей графа, что позволяет обеспечить надежную работу системы.