Что такое алгоритм консенсуса в блокчейне?

Блокчейн — одна из самых значительных технологических инноваций последних двух десятилетий. Сеть блокчейн — это тип распределённого реестра данных, который является неизменяемым, допускает только добавление данных и защищён криптографическими механизмами. Блокчейны позволяют сети участников хранить и обновлять записи, не полагаясь на центральный орган, при этом сохраняя целостность данных и уровень сопротивления вмешательству.

Для достижения этих свойств сеть должна непрерывно согласовывать единую, действительную версию реестра транзакций. Это общее соглашение известно как консенсус, и его поддержание имеет основополагающее значение для надежности и безопасности любой системы блокчейн.

В этой статье мы обсуждаем, что такое алгоритм консенсуса, как он функционирует как часть более широкого процесса блокчейн, как децентрализованные сети достигают консенсуса и какие популярные алгоритмы консенсуса в настоящее время применяются в индустрии.

Ключевые выводы:

• Алгоритмы консенсуса критически важны для сетей блокчейн. Они гарантируют, что все ноды согласны с единым, защищенным от вмешательства состоянием реестра, разрешают конфликты и предотвращают такие проблемы, как двойное расходование (double-spending), тем самым поддерживая доверие и целостность в рамках децентрализованной системы.

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

• Среди наиболее часто используемых алгоритмов консенсуса — proof of work, proof of stake, delegated proof of stake, practical Byzantine fault tolerance и proof of authority.

Что такое алгоритм консенсуса?

Сеть Блокчейн — это децентрализованная система, в которой несколько нод поддерживают общий реестр транзакций. Каждая нода — это компьютер (подключенный к сети), который содержит по крайней мере частичную копию реестра и участвует в проверке и ретрансляции данных транзакций. Транзакции группируются в блоки, и каждый новый блок ссылается на предыдущий, образуя хронологическую цепь. После добавления в цепь данные в блоке не могут быть изменены без воздействия на каждый последующий блок, что делает реестр защищенным от подделки и неизменяемым.

Для надежной работы этой системы все участвующие ноды должны прийти к согласию относительно текущего состояния реестра. Поскольку ноды работают независимо и могут получать 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, который используется для достижения согласия 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 сойдутся на единой, достоверной версии блокчейна, даже при наличии задержек, сбоев или злоумышленников. Без эффективного механизма консенсуса различные части сети могли бы разойтись во мнениях относительно порядка или содержания транзакций, что привело бы к таким проблемам, как двойное расходование, несогласованность данных и потеря доверия к целостности системы.

Процесс консенсуса не сводится просто к правилу большинства, и он должен учитывать возможность нечестных или неисправных нод — что означает, что система должна быть устойчивой к манипуляциям, а также к изменениям и конфликтующим версиям цепочки. Архитектура алгоритма консенсуса напрямую влияет на безопасность, эффективность и уровень децентрализации блокчейна. Это один из самых фундаментальных компонентов архитектуры блокчейна и обязательное условие для обеспечения того, чтобы сеть функционировала как надежная и единая система.

Как работают алгоритмы консенсуса

Алгоритмы консенсуса блокчейна опираются на два взаимосвязанных процесса, которые гарантируют, что все участники придут к согласию относительно единой версии распределенной сети. Первый процесс касается способа сбора транзакций, при котором одна или несколько нод получают право предложить новый блок, содержащий эти транзакции, в то время как второй процесс касается того, как предложенный блок распространяется по сети и проверяется другими нодами перед его окончательным добавлением 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 мгновенного добавления каждой транзакции в реестр, сеть группирует пакет транзакций в блок. Каждый блок содержит набор транзакций, а также метаданные, такие как ссылка на блок назад, время и другие специфичные для протокола данные. Эта структура образует непрерывную цепь, поскольку каждый новый блок ссылается на своего предшественника, обеспечивая хронологический порядок и предотвращая вмешательство.

Однако ноды не могут добавлять блок в блокчейн по своему желанию. Сеть должна определить, какая нода или ноды имеют право предложить блок далее. Это назначение, которое представляет собой первый ключевой процесс в алгоритме консенсуса, различается в разных блокчейнах. Некоторые системы полагаются на соревновательные процессы, в которых ноды соревнуются в решении криптографической головоломки или демонстрируют форму стейкинга 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 свести к минимуму конфликтующие блоки, и сеть могла развиваться упорядоченным образом.

Нода или (ноды), которые выиграли 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

После получения предложенного блока ноды по всей сети начинают процесс проверки. Этот процесс состоит из множества проверок, чтобы убедиться, что блок соответствует правилам протокола блокчейна. Ноды сначала проверяют, правильно ли предложенный блок ссылается на предыдущий блок в цепочке, сохраняя 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 внесение и поддерживает согласованность реестра.

Верификация также включает проверку того, что все транзакции соответствуют правилам протокола, таким как ограничения размера транзакции, форматы и требования к комиссии. Ноды изучают метаданные предложенного блока, включая время, чтобы убедиться, что блок не был сформирован за пределами допустимых окон времени. Кроме того, ноды проверяют любые криптографические доказательства или подписи, которые демонстрируют право или полномочия предложившего отправить блок (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. Это отклонение защищает сеть от недействительных данных и потенциальных атак. Сеть продолжает полагаться на последний принятый блок, пока процесс предложения действительного блока далее повторяется.

Если предложенный блок проходит все проверки верификации, консенсус достигнут. Все честные ноды принимают блок и навсегда добавляют его в свою локальную использовать 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 дальнейшая валидация блока более широкой сетью — представляет собой весь процесс консенсуса блокчейна. Хотя конкретные механизмы выбора и проверки различаются в алгоритмах консенсуса, эта общая структура гарантирует, что сеть работает надежно без централизованного контроля. Она защищает от ошибок, злонамеренного поведения и несоответствий, которые могут подорвать доверие к системе блокчейна.

Модульный сдвиг

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

Улучшенная Масштабируемость также была достигнута в системах консенсуса через Использовать Доказательство истории (PoH). PoH — это криптографический метод, который Создать проверяемую запись Событие с отметкой Время, чтобы доказать точную последовательность Транзакции без необходимости для Нода обмениваться данными друг с другом.

Недавние улучшения в Особенности Безопасность и конфиденциальности также были достигнуты благодаря Использовать технологии zero knowledge (ZK). Улучшения консенсуса ZK Кредитное плечо протокол валидации, который использует математические доказательства для проверки правильности пакета Транзакции без раскрытия Базовый актив данных или необходимости для Нода обрабатывать их повторно.

Тип алгоритмов консенсуса в Блокчейн

Как описано выше, каждый алгоритм консенсуса выполняет две ключевые функции: во-первых, выбор Нода или группы Нода, ответственных за предложение Далее блока; и во-вторых, валидацию предложенного блока во всей Сеть. 

Вторая часть этого процесса (проверка в масштабах всей Сеть) обычно довольно похожа в большинстве Блокчейн и включает различные проверки, такие как проверка подписей Транзакции, обеспечение правильной связи блоков и проверка на двойное Внести. Однако первая часть может кардинально отличаться в зависимости от Использован алгоритма консенсуса. Эти различия оказывают большое влияние на децентрализацию сети, энергопотребление, эффективность и уязвимость к атакам.

Кроме того, некоторые платформы внедрили улучшения алгоритмов консенсуса, такие как PoH и доказательства с нулевым разглашением (ZK proofs), для достижения превосходной масштабируемости или безопасности. Например, Solana (SOL) имеет механизм обработки PoH в рамках своего основного протокола консенсуса доказательство доли владения (PoS) — дизайн, который позволяет блокчейну достигать одних из самых высоких показателей пропускной способности в индустрии.

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

Доказательство выполнения работы (PoW)

Доказательство выполнения работы (PoW) — один из двух самых популярных алгоритмов консенсуса, представленный вместе с Bitcoin (BTC), самым первым жизнеспособным блокчейном, запущенным в 2009 году. В алгоритме консенсуса PoW майнеры (специализированные ноды) соревнуются в решении сложной математической головоломки. Решение головоломки требует значительных вычислительных усилий, поэтому оно называется «работа». Первый майнер, решивший ее, имеет право предложить следующий блок и получить награду, обычно в виде новых монет и комиссий за транзакции.

PoW считается высоко безопасным, потому что злоумышленнику потребовалось бы контролировать большую часть вычислительной мощности сети, чтобы манипулировать цепочкой. К началу 2026 года общие вычислительные затраты Биткоина, известные как хешрейт, достигли рекордных максимумов, в среднем более 1 зетахеша в секунду (1 ZH/s). Это значительно увеличило экономические затраты на проведение атаки на сеть. 

Однако эта Безопасность достигается за счет высокого энергопотребления, вовлеченного в процесс PoW, которое вступает в противоречие с возросшим глобальным вниманием к стандартам устойчивого развития — ключевая причина, почему многие новые блокчейн-проекты больше не принимают PoW. Помимо биткоина, PoW также используется Litecoin (LTC) и Dogecoin (DOGE), среди прочих.

Доказательство доли владения (PoS)

Доказательство доли владения (PoS) — это еще один широко используемый метод консенсуса наряду с PoW. Вместо того чтобы использовать вычислительную мощность для конкуренции за право предложения блока, 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 позволяет быстрее выполнять обработку транзакций. PoS стал широко популярен с запуском таких блокчейнов, как Cardano (ADA) и Polkadot (DOT), и приобрел еще большую известность, когда Ethereum (ETH) перешел от PoW к PoS в 2022 году. У каждой сети обычно есть свой собственный вариант PoS, с незначительными изменениями критериев выбора.

Несмотря на свою энергоэффективность и лучшую эффективность по сравнению с PoW, у PoS есть своя уязвимость: этот механизм консенсуса может потенциально привести к узурпации сети небольшим числом нод-валидаторов со значительными стейками токенов. Эта проблема может быть не так очевидна в высоко децентрализованных 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), появились как значительная инновация в мире экосистем PoS. Рестейкинг позволяет использовать стейки, заблокированные в одной сети — обычно крупной сети с большими ресурсами, такой как Ethereum, — одновременно для обеспечения механизмов консенсуса в других сетях или блокчейн-сервисах, таких как мосты и оракулы.

Делегированное доказательство доли (DPoS)

Делегированное доказательство доли (DPoS) — это более демократичный репрезентативный вариант стандартного PoS. В DPoS держатели токенов, включая обычных пользователей, делегируют свои стейки группе доверенных нод-валидаторов. Валидаторы, которые привлекают больше делегированных им стейков, имеют больше шансов 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 более высокую масштабируемость, поскольку в предложении блоков в любое заданное время участвует меньшее количество нод. Это также способствует вовлеченности пользователей, поскольку даже мелкие держатели токена могут влиять на результаты консенсуса через делегирование. Однако критики утверждают, что это может снизить децентрализацию, поскольку концентрирует власть в руках небольшой группы делегатов. Примерами сетей, использующих DPoS, являются EOS (EOS) и TRON (TRX).

Практическая византийская отказоустойчивость (PBFT)

Практическая византийская отказоустойчивость (PBFT) была изначально разработана для распределенных вычислительных систем в 1990-х годах, а затем адаптирована для использования в технологии блокчейн. Она разработана для эффективной работы в децентрализованных компьютерных сетях с ограниченным числом известных валидаторов (обычно это закрытые блокчейны). В PBFT ноды достигают консенсуса через серию периодов, которые включают предложение блока, голосование по нему и достижение окончательного соглашения, при условии, что ⅔ нод согласны.

PBFT предлагает быструю финализацию транзакций и высокую пропускную способность, что делает его привлекательным для корпоративного использования. Однако он плохо масштабируется до тысяч нод, что ограничивает его использование в открытых децентрализованных сетях. Модели, вдохновленные PBFT, используются в таких блокчейнах, как Hyperledger Fabric и Tendermint, последний из которых обеспечивает работу экосистемы Cosmos (ATOM).

Доказательство полномочий (PoA)

Доказательство полномочий (PoA) — это алгоритм консенсуса, в котором предлагающие блоки являются предварительно одобренными и идентифицированными субъектами, часто компаниями или частными лицами с хорошей репутацией. Вместо того чтобы конкурировать за счет вычислительной мощности или внесенных в стейкинг токенов, валидаторы выбираются на основе их личности и надежности.

PoA обычно используется в приватных блокчейнах, в которых скорость, эффективность и доверие на основе личности более важны, чем децентрализация. Он обеспечивает быструю завершенность и высокую пропускную способность транзакций, но его часто критикуют за то, что он слишком централизованный. Сети, такие как VeChain (VET) и многочисленные разрешенные корпоративные сети, внедрили консенсус PoA.

Трилемма блокчейна

С момента своего зарождения индустрия блокчейна борется с так называемой трилеммой блокчейна. Этот термин означает, что из трех ключевых 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 пространстве блокчейна для разработки решений, которые максимально эффективно решают три компонента трилеммы. В стремлении решить эту трилемму были внедрены различные устойчивые альтернативы, нишевые технологии и улучшения консенсуса.

Экологичные 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 определенный объем неиспользуемой емкости жесткого диска — а не чистую вычислительную мощность — сети для обработки транзакций. Хотя PoSpace требует значительного объема хранилища, он не требует больших вычислительных затрат — по крайней мере, по сравнению с PoW. 

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

Две инновационные сети были активны в внедрении решений на основе PoSpace и PoST. Активная Chia (XCH) первой применила этот подход с целью добиться экспоненциального увеличения своей децентрализации, сохраняя при этом затраты на электроэнергию на низком уровне. Тем временем Filecoin (FIL) использовал его для защиты функционального децентрализованного маркетплейса для хранения данных. Однако, несмотря на теоретическую перспективность этих платформ, их массовое внедрение остается ограниченным.

Современные улучшения консенсуса

Как отмечалось в предыдущих разделах, доказательства PoH и ZK были одними из самых популярных технологий, внедренных за последние годы для решения ограничений традиционных алгоритмов консенсуса. Например, внедрив PoH в свою преимущественно основанную на PoS модель консенсуса, Solana достигла максимальной пропускной способности в 65 000 транзакций в секунду (TPS). Хотя за последние несколько лет появились хорошо масштабируемые сети Уровня 2 с аналогичными или даже более высокими показателями TPS, эти платформы переносу часть обработки в офчейн-среды, что в определенной степени снижает безопасность. Если рассматривать строго сети Уровня 1, то Solana по-прежнему выделяется как наиболее масштабируемая сеть, по крайней мере, среди популярных альтернатив.

В то время как PoH в основном обеспечивает прирост масштабируемости, доказательства ZK превосходны в плане повышения безопасности, особенно для сетей Уровня 2. Выше мы отмечали, что эти сети в определенной степени жертвуют компонентом безопасности трилеммы блокчейна, перенося некоторые элементы обработки транзакций офчейн. В то же время сети уровня 2 активно внедряют доказательства ZK, 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 Оптимизм, эти сети уровня 2 еще больше укрепили свои профили безопасности.

Выбор правильного механизма консенсуса

В таблице ниже сравниваются основные алгоритмы консенсуса, их ключевые сильные стороны и варианты использования.

Заключение

Алгоритмы консенсуса являются основой сетей блокчейн. Они имеют решающее значение для обеспечения того, чтобы все участники согласились с единой, защищенной от несанкционированного доступа версией реестра. Хотя общий процесс включает в себя как выбор предлагающего блок, так и проверку блока через сеть, именно конкретный метод выбора предлагающего действительно отличает эти алгоритмы.

Со временем стало очевидно, что базовые алгоритмы консенсуса не могут полностью решить трилемму блокчейна. Для решения этой проблемы в последние годы были внедрены улучшения в базовые модели консенсуса, такие как доказательства PoH и ZK.

Сегодня оценка дизайна алгоритма консенсуса выходит за рамки сравнения безопасности, скорости или децентрализации. Функциональная совместимость становится все более важным фактором. Вот почему многие современные платформы блокчейн, особенно на Уровне 2, создаются для обеспечения бесперебойной связи с другими сетями с помощью инновационных решений, таких как AggLayer и суперсеть Оптимизм.

#LearnWithBybit