Введение в блокчейн: консенсус (часть 4)

6 минут

Новичок

Введение в блокчейн

Консенсус блокчейна

Блокчейны предназначены для распределенных децентрализованных сетей. Частью этого является исключение центрального органа, используемого во многих других системах. В традиционной финансовой системе банки централизуют власть, сохраняя контроль над реестром, в котором указано, сколько средств хранится на каждом счете. Если возникает спор по поводу реестра, банк имеет окончательное право решить, какая версия является официальной.

Блокчейн разработан в качестве децентрализованной финансовой альтернативы централизованным банкам. Вместо этого сеть блокчейнов поддерживает общий децентрализованный реестр, при этом каждый узел в сети сохраняет копию и обновляет ее по мере создания каждого нового блока.

Проблема заключается в том, чтобы все узлы вносили одинаковые обновления в свои копии реестра с каждым блоком. Поскольку у сети нет постоянных полномочий для создания официальной версии реестра, она выбирает временные полномочия для создания и совместного использования каждого блока. Механизм для достижения этого называется алгоритмом консенсуса блокчейна.

Основы консенсуса

Задача алгоритма консенсуса состоит в том, чтобы обеспечить децентрализованное управление блокчейном, чтобы ни один пользователь не имел возможности контролировать сеть. Средство, с помощью которого это достигается, заключается в том, чтобы сделать контроль над сетью блокчейнов зависимым от контроля над дефицитным ресурсом.

Независимо от того, какой алгоритм консенсуса вы выберете, он сводится к тому, что контроль над дефицитным ресурсом равен власти в блокчейне. В Proof of Work этим ресурсом является вычислительная мощность. В Proof of Stake это криптовалюта блокчейна.

Логика использования дефицитного ресурса в качестве аналога мощности блокчейна заключается в том, что он позволяет использовать экономические стимулы для защиты блокчейна. Закон спроса и предложения гласит, что если есть повышенный спрос на ресурс при ограниченном предложении, то цена увеличивается.

Когда злоумышленник пытается получить контроль над сетью блокчейна (чтобы выполнить атаку 51% или что-то подобное), для этого ему необходимо получить больше ограниченного ресурса. В результате они увеличивают спрос на ресурс, что увеличивает цену его приобретения. Будем надеяться, что стоимость получения достаточного количества ресурсов для проведения успешной атаки будет выше ресурсов злоумышленника. Если нет, то у нас есть успешные атаки 51% на блокчейны, которые, безусловно, случались с небольшими криптовалютными сетями.

Как общие алгоритмы реализуют консенсус

Когда Сатоши Накамото создал Биткойн, это был единственный существующий блокчейн. В официальном документе Биткойн описан алгоритм консенсуса Proof of Work, используемый в сети Биткойн. С тех пор было разработано множество других алгоритмов консенсуса для различных реализаций блокчейна. Из них большое внимание также уделяется Proof of Stake, отчасти из-за его присутствия в дорожной карте Ethereum.

Proof of Work

Proof-of-Work (PoW – дословно: доказательство работы) - это оригинальный алгоритм консенсуса, и, как следует из названия, он основан на работе вычислений компьютерного оборудовния. В Proof of Work майнеры - это те, кто пытается создать новый блок. Способ выбора создателя блока заключается в соревновании майнеров, где победитель создает блок (и получает соответствующие награды).

Это вычислительное соревнование включает в себя создание действительного блока, где условием достоверности является то, что заголовок блока хэшируется до значения меньше заданного порога. Из-за свойств хеш-функций лучший способ добиться этого - случайное угадывание. В результате майнеры в сети пробуют случайные хэши, пока не наткнутся на одноразовый номер, создающий желаемый хеш-выход. Первый майнер, который найдет действительный блок, затем передает его остальной части сети, чтобы построить следующий блок поверх него.

Основная проблема с PoW заключается в том, что критерием создания блока является возможность создать действительный блок. Нельзя сказать, что два разных майнера не могут найти разные версии блока примерно в одно и то же время. Если это произойдет, может быть создана расходящаяся цепочка блоков, в которой разные части сети строятся поверх разных блоков. Блокчейн решает эту проблему, используя правило самого длинного блока, которое гласит, что в случае конфликта между двумя версиями блокчейна должна быть принята более длинная версия.

PoW также пытается свести к минимуму вероятность расходящихся цепочек блоков, используя концепцию сложности. Пороговое значение, которое должно быть меньше, чем допустимый хэш заголовка блока, может быть обновлено распределенным способом. Сложность обновляется через регулярные промежутки времени, чтобы создание блоков (при текущей вычислительной мощности сети блокчейн) происходило с желаемой скоростью блока.

Proof of Stake

Proof-Of-Stake (PoS – дословно: доказательство доли) использует другой подход к защите блокчейна с использованием ограниченного ресурса. Вместо использования вычислительной мощности (как Proof of Work), Proof of Stake использует криптовалюту блокчейна.

Proof of Stake очень похож на инвестиции в компанию. Отдавая часть своих денег компании, вы имеете право на получение дивидендов инвестора. В PoS вы обещаете не тратить часть своей криптовалюты (или делать ставки) в обмен на возможность стать создателем блока (и заработать соответствующие вознаграждения).

Механизм выбора создателей блоков на основе стейкинга зависит от реализации. В некоторых реализациях вероятность быть выбранным прямо пропорциональна размеру ставки в стейкинг пользователя. В других вводится понятие возраста монеты, когда стейкеры, которые не были выбраны для создания блока в течение некоторого времени, имеют повышенную вероятность быть выбранными. Несмотря на это, контроль над большей долей криптовалюты в PoS приравнивается к усилению контроля над блокчейном.


Атака на консенсус

Механизмы консенсуса являются ключом к управлению блокчейном. В результате многие атаки на блокчейн основаны на получении этого контроля. В случае успеха злоумышленник может выполнить атаку с двойной тратой, которая позволяет ему завершить одну транзакцию, а затем удалить ее из реестра позднее. Некоторые атаки против консенсуса были известны с самого начала (например, атака 51%), в то время как другие (например, атаки дальнего действия) были разработаны позже.

Атака 51%

Атаки 51%, вероятно, являются самым простым способом атаки на блокчейн Proof of Work и происходят, когда экономические стимулы блокчейна не работают. В соответствии с правилом самого длинного блока каждый доброкачественный узел обязан выбрать более длинный вариант, когда ему представлены две противоречащие друг другу версии блокчейна. Если у злоумышленника есть возможность создать более длинную версию по своему желанию, то он контролирует блокчейн.

В PoW это достигается за счет контроля над половиной вычислительной мощности сети блокчейна. Поскольку создание действительных блоков требует случайного поиска в пространстве потенциальных вариантов, тот, кто может быстрее искать в пространстве, может быстрее создавать блоки. Подобные атаки возможны на PoS, но для этого требуется более высокий уровень контроля над дефицитным ресурсом. В PoW вам нужно 50% вычислительной мощности, чтобы иметь 100% шанс найти следующий блок. В PoS вам нужно 100% поставленной криптовалюты, чтобы иметь 100% шанс подделать следующий блок. Поскольку это маловероятно, злоумышленник, пытающийся контролировать блокчейн Proof of Stake, должен смириться с невозможностью реализации этой идеи.

Далее: смарт-контракты

На данный момент мы рассмотрели консенсус. Оставшиеся две статьи этой серии посвящены технологии, построенной на основе оригинального блокчейна: смарт-контрактам и расширениям блокчейна.

Читать часть 5 - Смарт-контракты