Что такое алгоритм консенсуса в блокчейне?

Блокчейн — это одна из самых значительных технологических инноваций последних двух десятилетий. Блокчейн-сеть — это тип распределенного реестра данных, который является неизменяемым, дополняемым только путем присоединения новых записей и защищенным криптографическими механизмами. Блокчейны позволяют сети участников хранить и обновлять записи, не полагаясь на центральный орган, сохраняя при этом целостность данных и устойчивость к несанкционированному вмешательству.

Для обеспечения этих свойств сеть должна непрерывно приходить к согласию относительно единственной действительной версии реестра транзакций. Это общее согласие известно как консенсус, и его поддержание является фундаментальным для надежности и безопасности любой блокчейн-системы.

В этой статье мы обсудим, что такое алгоритм консенсуса, как он функционирует в рамках более широкого процесса работы блокчейна, как децентрализованные сети достигают консенсуса и какие популярные алгоритмы консенсуса в настоящее время используются в индустрии.

Главное:

• Алгоритмы консенсуса критически важны для блокчейн-сетей. Они гарантируют, что все ноды согласуют единое, защищенное от несанкционированного доступа состояние реестра, разрешают конфликты и предотвращают такие проблемы, как двойное расходование (double-spending), тем самым поддерживая доверие и целостность в децентрализованной системе.

• Алгоритм консенсуса — это механизм, который гарантирует, что все ноды в блокчейн-сети согласны с состоянием распределенного реестра.

• К наиболее часто используемым алгоритмам консенсуса относятся Proof of Work (PoW), Proof of Stake (PoS), Delegated Proof of Stake (DPoS), Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) и Proof of Authority (PoA).

Что такое алгоритм консенсуса?

Блокчейн-сеть — это децентрализованная система, в которой множество нод поддерживают общий реестр транзакций. Каждая нода — это компьютер (подключенный к сети), который хранит по меньшей мере частичную копию реестра и участвует в проверке и передаче данных о транзакциях. Транзакции группируются в блоки, и каждый новый блок ссылается на предыдущий, образуя хронологическую цепь. После добавления в цепочку данные в блоке невозможно изменить, не затрагивая каждый последующий блок, что делает реестр устойчивым к несанкционированному вмешательству и неизменяемым.

Для надежной работы этой системы все участвующие ноды должны прийти к соглашению о текущем состоянии реестра. Поскольку ноды работают независимо и могут получить данные в разное время, им требуется механизм для разрешения конфликтов и обеспечения того, чтобы каждая честная нода видела и принимала одну и ту же версию реестра. Именно здесь алгоритм консенсуса становится необходимым.

Алгоритм консенсуса — это процесс, используемый для достижения соглашения между нодами о том, какие транзакции действительны и какой блок должен быть добавлен в реестр далее. Его роль заключается в том, чтобы гарантировать, что все честные участники придут к единой, авторитетной версии блокчейна даже при наличии задержек, сбоев или злонамеренных действий. Без эффективного механизма консенсуса разные части сети могут не сойтись во мнении относительно порядка или содержания транзакций, что приведет к таким проблемам, как двойное расходование (double-spending), несогласованность данных и потеря доверия к целостности системы.

Процесс консенсуса — это не просто правило большинства, он должен учитывать возможность появления нечестных или неисправных нод, что означает, что система должна быть устойчивой к манипуляциям, изменениям и конфликтующим версиям цепочки. Конструкция алгоритма консенсуса напрямую влияет на безопасность, эффективность и уровень децентрализации блокчейна. Это один из самых фундаментальных компонентов архитектуры блокчейна, являющийся предпосылкой для гарантии того, что сеть работает как надежная и единая система.

Как работают алгоритмы консенсуса

Алгоритмы консенсуса блокчейна опираются на два взаимосвязанных процесса, которые гарантируют, что все участники согласны с единственной версией распределенной сети. Первый процесс касается способа сбора транзакций и того, как одна или несколько нод получают право предложить новый блок, содержащий эти транзакции, в то время как второй процесс касается способа распространения предложенного блока по сети и его проверки другими нодами перед тем, как он будет навсегда добавлен в реестр.

В блокчейне пользователи постоянно инициируют транзакции, отправляя их в сеть. Эти транзакции транслируются всем нодам, собираются и временно хранятся в пуле неподтвержденных транзакций. Вместо того чтобы мгновенно добавлять каждую транзакцию в реестр, сеть группирует пакет транзакций в блок. Каждый блок содержит набор транзакций, а также метаданные, такие как ссылка на предыдущий блок, время (timestamps) и другие специфичные для протокола данные. Эта структура формирует непрерывную цепь, поскольку каждый новый блок ссылается на своего предшественника, обеспечивая хронологический порядок и предотвращая несанкционированное вмешательство.

Однако ноды не могут добавлять блок в блокчейн по своему желанию. Сеть должна определить, какая нода или ноды имеют полномочия предложить следующий блок. Это назначение, которое представляет собой первый ключевой процесс в алгоритме консенсуса, различается в разных блокчейнах. Некоторые системы полагаются на соревновательные процессы, в которых ноды наперегонки решают криптографическую головоломку или демонстрируют форму стейка или авторитета, чтобы выиграть право предложить следующий блок. Другие используют механизмы выборов или ротации. Независимо от метода, процесс выбора разработан для контроля предложений блоков, чтобы минимизировать количество конфликтующих блоков и позволить сети продвигаться упорядоченным образом.

Нода или (ноды), которые выигрывают право добавить следующий блок в реестр, транслируют предложенный блок другим нодам для проверки. Это распространение предварительно проверенного блока по всей сети для окончательного подтверждения является вторым ключевым этапом алгоритма консенсуса.

Далее

При получении предложенного блока ноды по всей сети начинают процесс верификации. Этот процесс состоит из нескольких проверок, чтобы убедиться, что блок соответствует правилам протокола блокчейна. Сначала ноды проверяют, правильно ли предложенный блок ссылается на предыдущий блок в цепочке, поддерживая последовательную целостность реестра. Затем они проверяют каждую транзакцию, включенную в блок, подтверждая, что цифровые подписи действительны и что входы транзакций не были потрачены в предыдущих блоках или транзакциях. Это предотвращает двойное расходование (double-spending) и поддерживает согласованность реестра.

Верификация также включает проверку того, что все транзакции соответствуют правилам протокола, таким как лимиты размера транзакции, форматы и требования к комиссиям. Ноды изучают метаданные предложенного блока, включая временные метки, чтобы убедиться, что блок не был сформирован за пределами допустимых временных окон. Кроме того, ноды проверяют любые криптографические доказательства или подписи, которые демонстрируют право или полномочия того, кто предложил блок, на отправку блока (как определено используемым механизмом консенсуса).

Если какой-либо шаг верификации не пройден, ноды отклоняют предложенный блок. Отклонение означает, что блок не добавляется в блокчейн и отбрасывается всеми честными нодами. Этот отказ защищает Сеть от недействительных данных и потенциальных атак. Сеть продолжает полагаться на последний принятый блок, пока повторяется процесс предложения действительного следующего блока.

Если предложенный блок проходит все проверки, консенсус считается достигнутым. Все честные Ноды принимают блок и навсегда добавляют его в свою локальную копию Блокчейна. Это коллективное соглашение гарантирует, что Блокчейн остается единой, согласованной записью на всех Нодах. Как только блок добавлен, Ноды переходят к сбору новых Транзакций и подготовке к следующему циклу предложения блока.

Этот двухэтапный подход — то есть формирование предложенного блока ответственной Нодой и последующая валидация блока более широкой Сетью — представляет собой весь процесс консенсуса в Блокчейне. Хотя конкретные механизмы отбора и верификации различаются в зависимости от алгоритмов консенсуса, эта общая структура гарантирует, что Сеть работает надежно без централизованного управления. Она защищает от Ошибок, злонамеренного поведения и несоответствий, которые могут подорвать доверие к системе Блокчейна.

Модульный сдвиг

В последние годы модульные архитектуры блокчейнов становятся всё более популярными. Модульные блокчейны, в отличие от своих традиционных монолитных аналогов, разделяют свои основные операционные уровни на отдельные компоненты. Зачастую уровень консенсуса обрабатывается в иной среде, отличной от уровней расчёта и доступности данных (DA). Такая модульность помогает достичь более эффективной, быстрой и/или дешёвой общей функциональности. 

Улучшенная масштабируемость также была достигнута в системах консенсуса благодаря использованию доказательства истории (PoH). PoH — это криптографический метод, который создает поддающуюся проверке запись событий с отметкой времени, чтобы доказать точную последовательность транзакций, не требуя от нод общения друг с другом.

Недавние улучшения функций безопасности и конфиденциальности также были достигнуты за счёт использования технологии нулевого разглашения (ZK). Улучшения консенсуса ZK используют протокол валидации, который применяет математические доказательства для подтверждения корректности пакета транзакций без раскрытия базовых данных или необходимости их повторной обработки нодами.

Типы алгоритмов консенсуса в блокчейне

Как описано выше, каждый алгоритм консенсуса выполняет две ключевые функции: во-первых, выбор ноды или группы нод, ответственных за предложение следующего блока; и во-вторых, валидация предложенного блока во всей более широкой сети. 

Вторая часть этого процесса (валидация во всей сети) обычно довольно похожа в большинстве блокчейнов и включает различные проверки, такие как верификация подписей транзакций, обеспечение правильной связности блоков и проверка на двойное расходование (double-spending). Однако первая часть может кардинально отличаться в зависимости от используемого алгоритма консенсуса. Эти различия оказывают большое влияние на децентрализацию сети, энергопотребление, эффективность и уязвимость к атакам.

Кроме того, улучшения алгоритмов консенсуса, такие как PoH и ZK proofs (доказательства с нулевым разглашением), были внедрены некоторыми платформами для достижения превосходной масштабируемости или безопасности. Например, Solana (SOL) использует механизм обработки PoH в рамках своего основного протокола консенсуса доказательства доли владения (PoS), что позволяет этому блокчейну достигать одной из самых высоких пропускных способностей в индустрии.

Ниже приведены пять наиболее распространенных алгоритмов консенсуса, используемых сегодня в блокчейн-сетях. Хотя существует множество других используемых алгоритмов консенсуса, эти пять применяются подавляющим большинством самых популярных сетей в блокчейн-индустрии.

Доказательство выполнения работы (PoW)

Доказательство выполнения работы (PoW) — это один из двух самых популярных алгоритмов консенсуса, представленный вместе с Биткоином (BTC), самым первым жизнеспособным блокчейном, запущенным в 2009 году. В алгоритме консенсуса PoW майнеры (специализированные ноды) соревнуются в решении сложной математической задачи. Решение этой задачи требует значительных вычислительных усилий, поэтому процесс называется «работой». Первый майнер, решивший ее, получает право предложить следующий блок и заработать вознаграждение, обычно в виде новых монет и комиссий за транзакции.

PoW широко считается высокобезопасным, поскольку злоумышленнику потребуется контролировать большую часть вычислительной мощности сети, чтобы манипулировать цепочкой. К началу 2026 года общие вычислительные затраты Биткоина, известные как хешрейт, достигли рекордных максимумов, составив в среднем более 1 зеттахеша в секунду (1 ZH/s). Это значительно увеличило экономическую стоимость организации атаки на сеть.

Однако эта безопасность достигается ценой высокого потребления энергии, связанного с процессом PoW, что противоречит усиленному глобальному вниманию к стандартам устойчивого развития — основная причина, по которой многие новые блокчейн-проекты больше не используют PoW. Помимо биткоина, PoW также используется Litecoin (LTC) и Dogecoin (DOGE), среди прочих.

Доказательство доли владения (PoS)

Доказательство доли владения (PoS) — это другой широко используемый метод консенсуса наряду с PoW. Вместо использования вычислительной мощности для борьбы за право предложения блоков, PoS выбирает валидаторов блоков на основе того, сколько токенов они «вносят в стейкинг» или блокируют в сети. Чем больше токенов внесено в стейкинг, тем выше шансы быть выбранным для предложения следующего блока.

В отличие от PoW, PoS гораздо более энергоэффективен и часто обеспечивает более высокую скорость обработки транзакций. PoS получил широкую известность с запуском таких сетей, как Cardano (ADA) и Polkadot (DOT), и приобрел ещё большую популярность, когда Ethereum (ETH) перешел с PoW на PoS в 2022 году. У каждой сети обычно есть свой вариант PoS с небольшими изменениями в критериях отбора.

Несмотря на энергоэффективность и более высокую производительность по сравнению с PoW, у PoS есть своя уязвимость: этот механизм консенсуса потенциально может привести к узурпации сети небольшим количеством нод-валидаторов со значительным объемом токенов в стейкинге. Эта проблема может быть не так очевидна в высокодецентрализованных сетях, таких как Ethereum, но она может стать реальным риском, когда децентрализация (измеряемая количеством активных валидаторов в сети) ограничена.

В последние годы протоколы рестейкинга, такие как EigenLayer (EIGEN), стали важной инновацией в мире PoS-экосистем. Рестейкинг позволяет повторно использовать стейки, заблокированные в одной сети (обычно крупной и богатой ресурсами сети, такой как Ethereum), для одновременного обеспечения безопасности механизмов консенсуса в других сетях или блокчейн-сервисах, таких как мосты и оракулы.

Делегированное доказательство доли владения (Delegated Proof of Stake, DPoS)

Delegated proof of stake (DPoS) — это более демократичный представительский вариант стандартного PoS. В DPoS держатели токенов, включая обычных пользователей, делегируют свои стейки группе доверенных нод-валидаторов. Валидаторы, привлекающие больше делегированных им стейков, имеют более высокие шансы получить право предложить следующий блок. По сути, эта небольшая группа нод-валидаторов по очереди предлагает и проверяет блоки транзакций от имени более широкого сообщества.

Эта модель обеспечивает более быстрый консенсус и большую масштабируемость, поскольку в любой момент времени в предложении блоков участвует меньшее количество нод. Это также способствует вовлечению пользователей, так как даже мелкие держатели токенов могут влиять на результаты консенсуса посредством делегирования. Однако критики утверждают, что это может снизить децентрализацию, поскольку власть концентрируется в руках горстки делегатов. Примерами сетей, использующих DPoS, являются EOS (EOS) и TRON (TRX).

Практическая византийская отказоустойчивость (PBFT)

Практическая византийская отказоустойчивость (PBFT) была изначально разработана для систем распределенных вычислений в 1990-х годах и позднее адаптирована для использования в технологии блокчейн. Она разработана для эффективной работы в децентрализованных компьютерных сетях с ограниченным числом известных валидаторов (как правило, в закрытых блокчейнах). В PBFT ноды достигают консенсуса через серию периодов (раундов), которые включают предложение блока, голосование по нему и достижение окончательного соглашения, при условии согласия ⅔ нод.

PBFT обеспечивает быструю финализацию транзакций и высокую пропускную способность, что делает ее привлекательной для корпоративного использования. Однако она плохо масштабируется до тысяч нод, что ограничивает ее использование в открытых децентрализованных сетях. Модели, вдохновленные PBFT, используются в таких блокчейнах, как Hyperledger Fabric и Tendermint, причем последний лежит в основе экосистемы Cosmos (ATOM).

Доказательство полномочий (PoA)

Доказательство полномочий (PoA) — это алгоритм консенсуса, в котором создатели блоков являются заранее утвержденными и идентифицированными организациями, часто компаниями или частными лицами с сильной репутацией. Вместо того чтобы конкурировать за счет вычислительной мощности или внесенных в стейкинг токенов, валидаторы выбираются на основе их личности и благонадежности.

PoA обычно используется в разрешенных блокчейнах, где скорость, эффективность и доверие, основанное на личности, важнее децентрализации. Он обеспечивает быструю финализацию и высокую пропускную способность транзакций, но часто критикуется за чрезмерную централизованность. Сети, такие как VeChain (VET) и многочисленные разрешенные корпоративные сети, внедрили консенсус PoA.

Трилемма блокчейна

С момента своего рождения блокчейн-индустрия борется с так называемой трилеммой блокчейна. Этот термин относится к тому факту, что из трех важнейших показателей — децентрализации, безопасности и масштабируемости — блокчейны могут улучшить только один или два, часто за счет третьего. Ни один традиционный алгоритм консенсуса пока не способен улучшить все три одновременно.

Это привело к значительным исследованиям и инновациям в сфере блокчейна с целью разработки решений, которые решают проблему трех компонентов трилеммы максимально эффективно. В стремлении преодолеть эту трилемму были представлены различные устойчивые альтернативы, нишевые технологии и улучшения консенсуса.

Устойчивые альтернативы и нишевые подходы

Proof of space (PoSpace) и Proof of spacetime (PoSt) были разработаны как «зеленые» и эгалитарные альтернативы ресурсоемкому подходу PoW.

В PoSpace валидатор сети доказывает, что он выделил определенное количество неиспользуемого объема жесткого диска — а не чистую вычислительную мощность — сети для обработки транзакций. Хотя PoSpace требует значительного объема памяти, он не так требователен к вычислительным затратам — по крайней мере, по сравнению с PoW. 

PoSt идет еще дальше, требуя доказательств того, что пространство, выделенное претендующим валидатором, оставалось выделенным для выполнения задания и неизменным в течение непрерывного периода времени. Этот подход направлен на продвижение высокой децентрализации, поскольку жесткие диски более доступны и широко распространены, чем специализированные майнинговые чипы.

Две инновационные сети принимали активное участие во внедрении решений на основе PoSpace и PoST. Chia (XCH) стала пионером этого подхода, чтобы экспоненциально увеличить свою децентрализацию, сохраняя при этом низкие затраты на электроэнергию. Тем временем Filecoin (FIL) использовал его для обеспечения безопасности функционального децентрализованного маркетплейса хранения данных. Однако, несмотря на теоретические перспективы этих платформ, их массовое принятие остается ограниченным.

Современные улучшения консенсуса

Как отмечалось в предыдущих разделах, PoH и доказательства ZK были одними из самых популярных технологий, внедренных в последние годы для устранения ограничений традиционных алгоритмов консенсуса. Например, внедрив PoH в свою модель консенсуса, основанную преимущественно на PoS, Solana достигла максимальной пропускной способности в 65 000 транзакций в секунду (TPS). Хотя за последние несколько лет появились высокомасштабируемые сети Уровня 2 с аналогичной или даже более высокой пропускной способностью (TPS), эти платформы переносят часть работы по обработке в офчейн-среду, в определенной степени ставя под угрозу безопасность. Если рассматривать строго сети Уровня 1, Solana по-прежнему выделяется как самая масштабируемая сеть, по крайней мере, среди популярных альтернатив.

В то время как PoH в основном направлен на повышение масштабируемости, ZK-доказательства преуспевают в усилении безопасности, особенно для сетей Уровня 2. Выше мы отметили, что эти сети в определенной степени ставят под угрозу компонент безопасности трилеммы блокчейна, перенося некоторые элементы обработки транзакций в офчейн. В то же время сети Уровня 2 активно внедряют ZK-доказательства, включая высокозащищенные модели, такие как ZK-SNARK и ZK-STARK, для снижения рисков безопасности. А с появлением сред унификации для сетей Уровня 2, таких как AggLayer и Superchain от Optimism, эти сети Уровня 2 еще больше укрепили свои профили безопасности.

Выбор правильного механизма консенсуса 

В таблице ниже сравниваются основные алгоритмы консенсуса, их ключевые преимущества и сценарии использования.

Заключение

Алгоритмы консенсуса являются основой блокчейн-сетей. Они имеют решающее значение для обеспечения того, чтобы все участники были согласны с единой, защищенной от несанкционированного доступа версией реестра. Хотя общий процесс включает в себя как выбор предлагающего блок (block proposer), так и валидацию блока по всей сети, именно конкретный метод выбора предлагающего действительно отличает эти алгоритмы друг от друга.

Со временем стало очевидно, что фундаментальные алгоритмы консенсуса не могут полностью разрешить трилемму блокчейна. Для решения этой проблемы в последние годы были внедрены улучшения основных моделей консенсуса — такие как PoH и доказательства ZK.

Сегодня оценка дизайна алгоритма консенсуса выходит за рамки сравнения безопасности, скорости или децентрализации. Интероперабельность становится все более важным аспектом. Именно поэтому многие современные платформы, особенно на Уровне 2, создаются для обеспечения бесперебойного взаимодействия с другими сетями с помощью инновационных решений, таких как AggLayer и Суперчейн Оптимизма.

#LearnWithBybit