Czym jest konsensus w blockchain

Zanim przejdę do porównania konsensusów PoS oraz PoW, warto dowiedzieć się czym w ogóle jest mechanizm konsensusu i jak on działa. Nie będę opisywał technicznej strony, tylko wytłumaczę jak działa, a łatwy do zrozumienia sposób. W swojej ogólnej postaci, konsensus w blockchain jest formą porozumienia oraz zatwierdzania transakcji w sieci. Można to łatwo porównać do zatwierdzania i przyjmowania nowej ustawy, rozporządzenia czy aktu przez polityków w rządzie. Pomysł jest przedstawiany, a czy będzie on zatwierdzony i wprowadzony, jest zależne od wyniku głosowania partii.

Teraz zastanów się jak działa blockchain. Przecież jest to rozproszona, publiczna księga transakcji, która też musi być weryfikowana pod kątem autentyczności. Każdy blok składa się odpowiedniej ilości transakcji, każda z tych transakcji musi być zatwierdzona przez odpowiednią ilość węzłów. Następnie każdy blok również musi zostać zatwierdzony, aby mógł powstać następny blok. W blockchainie również występuje czynnik ludzki do zatwierdzania transakcji, bo to przecież ludzie utrzymują urządzenia elektryczne, zwane węzłami, które są odpowiedzialne za utrzymanie konsensusu.

Centralizacja a decentralizacja

W każdym scentralizowanym systemie, takim jak baza danych zawierająca kluczowe informacje na temat użytkowników istnieje centralny administrator, który aktualizuje tę bazę, wprowadzając nowe dane, usuwając dane nieaktualne itd. W przypadku awarii tego jednego podmiotu cała sieć stanie w miejscu, a nawet może całkowicie zniknąć. Dodatkowo często dane te, są trzymane w jednym miejscu, co bardziej naraża je na ataki hakerskie i kradzież. Blockchain jest dużo bezpieczniejszą formą, jego sieć funkcjonuje jako zdecentralizowany, samoregulujący się system i działa w skali globalnej, bez żadnego pojedynczego organu. Obejmuje on wkład setek tysięcy uczestników, którzy pracują nad weryfikacją i uwierzytelnianiem transakcji zachodzących w blockchain i jego węzłach. Sieć blockchain nie może zniknąć, nie ma możliwości jej wymazania - to co zostało zapisane/stworzone na blockchainie już na nim zostanie, a ewentualnie ludzie mogą przestać z niego korzystać, ale dalej będzie istniał. Poprzez rozproszoną księgę i zdecentralizowany system jest on dużo bardziej odporny na ataki hakerskie i w dalszym ciągu powstają nowe, jeszcze bezpieczniejsze sieci blockchain.

Rodzaje konsensusu

Na przestrzeni lat powstało kilka rodzajów konsensusu i każdy jest inny, choć spełniają one te same funkcje. Można tu wyróżnić trzy podstawowe rodzaje konsensusu: PoW (Proof-of-Work), PoS (Proof-of-Stake) oraz DPoS (Delegated Proof-of-Stake). Te trzy formy konsensusu blockchain są obecnie najbardziej popularne oraz rozwijane i zaraz do nich wrócę.

Nowe formy konsensusu blockchain są udoskonalane w celu poprawy bezpieczeństwa, zmniejszenia zużycia energii lub dywersyfikacji zadania weryfikacyjnego, którego brakuje niektórym z powyższych metod. Obejmują one PoA (Proof-of-Authority), który zwiększa bezpieczeństwo poprzez scentralizowanie procesu weryfikacji transakcji, poprzez przydzielanie zadań administratorom sieci. Inną metodą jest PoI (Proof-of-Importance), który działa podobnie do PoS, ponieważ uwzględnia zasoby aktywów, ale bierze również pod uwagę historię transferów przy określaniu, na kogo spadnie zadanie weryfikacji transakcji. Istnieją również mniej znane mechanizmy konsensusu takie jak dBFT (Delegated Byzantine Fault Tolerant), który ma rozwiązać „problem bizantyjskich generałów ”, ale to jest temat na osobny artykuł.

Przykłady zastosowania konsensusów:

PoW - Bitcoin, Etherum, Bitcoin Cash, Monero
PoS - Stellar, Dash, Ontology, Nano
DPoS - Eos, Tron, Lisk, Steem
PoA - VeChain, Poa,
PoI - Nem, Sense
dBFT - Neo, Cosmos

Konsensus PoW Proof-of-Work

Chociaż pomysł istniał przed wynalezieniem blockchain, Satoshi Nakamoto spopularyzował konsensus PoW. Blockchain Bitcoin był pierwszą dużą implementacją protokołu konsensusowego PoW.

W PoW występują „górnicy” (minner). Są to ludzie, którzy dysponują wyspecjalizowanym sprzętem i udostępniają moc obliczeniową tych „kopalni” (minning pool). Na początku Bitcoina można było kopać (minning) za pomocą zwykłego, domowego komputera, później zaś potężnymi kartami graficznymi, a na dzień dzisiejszy specjalnie dedykowanymi układami ASIC. Z biegiem czasu trudność jego wydobycia tak urosła, że teraz są to ogromne farmy sprzętowe, najczęściej postawione w miejscach, gdzie opłaty za prąd są niskie. Górnicy za pomocą tego sprzętu rozwiązują zagadkę kryptograficzną, aby transakcja była potwierdzona. Wyobraź sobie wyścig, w którym górnicy ścigają się, aby jako pierwszy rozwiązać zagadkę. Odpowiedź na tę zagadkę jest znana jako skrót. Zagadki kryptograficzne są niezwykle złożone i trudne do rozwiązania, dlatego potrzebują ogromnej mocy obliczeniowej. Złożoność układanki PoW zależy od liczby węzłów w tej sieci, co oznacza, że im dłuższy jest blockchain, tym złożoność jest większa, a co za tym idzie, potrzeba mocy obliczeniowej wzrasta z każdym nowym blokiem. Im więcej potrzeba mocy obliczeniowej tym kopanie jest droższe a jego opłacalność spada.

Co górnicy z tego mają? Za każdą zatwierdzoną transakcję górnicy są wynagradzani kryptowalutą danego blockchaina oraz opłatą transakcyjną. Dlatego też przy PoW powstają nowe kryptowaluty, aż do czasu, gdy maksymalna ilość monet będzie już w obiegu.

Istnieją dwie główne wady systemów Proof of Work:

Zużycie energii elektrycznej. Ponieważ komputery wykonują pracę obliczeniową, zużywana jest energia elektryczna. Według najnowszych danych z University of Cambridge sieć Bitcoina zużywa rocznie tyle energii, co cała Belgia czy Finlandia.
Bezpieczeństwo. Konsensus PoW zapewnia odpowiednie bezpieczeństwo tylko wtedy, gdy istnieje duża sieć górników walczących o nagrody. Jeśli sieć jest niewielka, istnieje możliwość, że haker może uzyskać większość mocy obliczeniowej sieci i przeprowadzić atak, który jest znany jako atak 51%

Konsensus PoS Proof-of-Stake

Z uwagi na problemy związane z konsensusem PoW społeczność blockchain szukała nowego, bardziej korzystnego sposobu na osiągnięcie konsensusu. Pomysł konsensusu PoS został przedstawiony przez Scott Nadal i Sunny King w 2012 roku.

PoS jest wirtualny, wyklucza potężne farmy kopania kryptowalut, przez co nie pobiera energii elektrycznej. Z uwagi na swoje zalety nawet Etherum planuje przejść z PoW na PoS. W konsensusie PoS moc obliczeniowa zostaje zastąpiona mocą walutową. Siła węzła, utrzymującego sieć jest zależna od ilości tokenów/monet które posiadasz. Często są one nazywane „udziałami” w sieci i to ile masz tych udziałów określa twoją zdolność do sprawdzania poprawności transakcji. W systemie PoS nie ma górników, zamiast nich są walidatorzy lub falsyfikatorzy. Dlaczego? Ponieważ nie ma żadnych nagród za blok, tylko opłata transakcyjna. Co więcej, nowe monety nie są wydobywane. Zamiast tego są one tworzone przez twórców w momencie uruchomienia sieci. Często cześć kryptowalut/tokenów jest blokowana przez twórców i zostaje uwalniana we wcześniej określonych ramach czasowych, ale nie powstają nowe monety. Ta liczba nigdy się nie zmienia.

PoS wynagradza stakerów (od Staking) proporcjonalnie do trzymanych zasobów. Tu nie ma wyścigu po zatwierdzenie transakcji, w zamian za to, PoS losowo wybiera walidatorów sieci względem ich udziałów. Załóżmy, że posiadasz 5% wartości stakowanych (zablokowanych) żetonów, możesz zatwierdzić jedynie 5% bloku oraz otrzymasz proporcjonalną nagrodę za walidację - płaconą z opłat transakcyjnych.

PoS skutecznie eliminuje ogromny pobór energii elektrycznej oraz potrzebę wyspecjalizowanego sprzętu do utrzymania sieci. Ryzyko centralizacji jest zmniejszone, ponieważ nagroda jest proporcjonalna do kwoty aktywów przechowywanych w każdym depozycie. Atak 51% jest dużo mniej prawdopodobny. Oznaczałoby to, że musiałbyś wykupić 51% a nawet więcej tokenów z rynku, co sukcesywnie podniosłoby jego cenę nawet kilkukrotnie. Ponadto musisz znaleźć osoby, które sprzedażą aż tak dużą ilość monet. Ale nie jest on wolny od podatności na ataki, najpopularniejszym jest „Fake Stake”.

PoW vs PoW - what is consensus?