Що таке алгоритм консенсусу в блокчейні?

Блокчейн — одна з найвагоміших технологічних інновацій останніх двох десятиліть. Мережа блокчейну — це тип розподіленого реєстру даних, який є незмінним, дозволяє лише додавання записів і захищений криптографічними механізмами. Блокчейни дозволяють мережі учасників зберігати та оновлювати записи, не покладаючись на центральний орган влади, при цьому зберігаючи цілісність даних і стійкість до втручань. 

Щоб досягти цих властивостей, мережа повинна постійно узгоджувати єдину дійсну версію реєстру трансакцій. Ця спільна згода відома як консенсус, і її підтримка є фундаментальною для надійності та безпеки будь-якої системи блокчейну.

У цій статті ми обговорюємо, що таке алгоритм консенсусу, як він функціонує як частина ширшого процесу блокчейну, як децентралізовані мережі досягають консенсусу і які популярні алгоритми консенсусу зараз впроваджені в індустрії.

Головне:

• Алгоритми консенсусу є критично важливими для блокчейн-мереж. Вони гарантують, що всі ноди погоджуються щодо єдиного, захищеного від втручання стану реєстру, вирішують конфлікти та запобігають таким проблемам, як подвійне витрачання, тим самим підтримуючи довіру та цілісність у децентралізованій системі.

• Алгоритм консенсусу — це механізм, який гарантує, що всі ноди в блокчейн-мережі досягають згоди щодо стану розподіленого реєстру.

• Серед алгоритмів консенсусу, що найчастіше використовуються, — доказ виконання роботи (proof of work), доказ частки володіння (proof of stake), делегований доказ частки володіння (delegated proof of stake), практична візантійська відмовостійкість (practical Byzantine fault tolerance) і доказ повноважень (proof of authority).

Що таке алгоритм консенсусу?

Блокчейн-мережа — це децентралізована система, у якій кілька нод підтримують спільний реєстр трансакцій. Кожна нода — це комп’ютер (підключений до мережі), який зберігає принаймні часткову копію реєстру та бере участь у перевірці та ретрансляції даних трансакцій. Трансакції групуються в блоки, і кожен новий блок посилається на попередній, утворюючи хронологічний ланцюг. Після додавання до ланцюга дані у блоці не можуть бути змінені без впливу на кожен наступний блок, що робить реєстр захищеним від підробки та незмінним.

Щоб ця система працювала надійно, всі ноди, що беруть участь, повинні погодити поточне становище реєстру. Оскільки ноди працюють незалежно і можуть отримувати дані у різний час, їм потрібен механізм для вирішення конфліктів і забезпечення того, щоб кожна чесна нода бачила і приймала однакову версію реєстру. Саме тут алгоритм консенсусу стає життєво необхідним.

Алгоритм консенсусу — це процес, що використовується для досягнення згоди між нодами щодо того, які трансакції є дійсними, і який блок має бути додано до реєстру далі. Його роль полягає в тому, щоб гарантувати, що всі чесні учасники зійдуться на єдиній авторитетній версії блокчейну, навіть за наявності затримок, збоїв або зловмисників. Без ефективного механізму консенсусу різні частини мережі могли б розійтися в думках щодо порядку або змісту трансакцій, що призвело б до таких проблем, як подвійні витрати, невідповідність даних і втрата довіри до цілісності системи.

Процес консенсусу не є просто правилом більшості, і він повинен враховувати можливість нечесних або несправних нод — що означає, що система повинна бути стійкою до маніпуляцій, стійкою до змін та суперечливих версій ланцюга. Дизайн алгоритму консенсусу безпосередньо впливає на безпеку, ефективність і рівень децентралізації блокчейну. Це один із найфундаментальніших компонентів архітектури блокчейну і є обов'язковою умовою для забезпечення того, щоб Мережа працювала як надійна та єдина система.

Як працюють алгоритми консенсусу

Алгоритми консенсусу блокчейну (Блокчейн) спираються на два взаємопов'язані процеси, які гарантують, що Усього учасників (Всі Учасники) погоджуються на єдину версію розподіленої мережі. Перший процес стосується способу, у який збираються Трансакції, і одна або декілька нод (Нода) отримують право запропонувати новий блок, що містить ці транзакції, тоді як другий процес стосується способу, у який запропонований блок розповсюджується по мережі та перевіряється іншими нодами перед тим, як його буде остаточно додано до реєстру.

У блокчейні Користувач постійно ініціюють транзакції, відправляючи (Надіслати) їх у мережу. Ці транзакції транслюються на всі (Всі) ноди (Нода), збираються та тимчасово зберігаються в пулі (Мемпул) непідтверджених транзакцій. Замість того, щоб Негайно додавати кожну транзакцію до реєстру, Мережа групує партію транзакцій у блок. Кожен блок містить набір транзакцій (Трансакції), а також метадані, такі як посилання на Назад (попередній) блок, Позначка часу та інші дані, специфічні для протоколу. Ця структура утворює безперервний ланцюг, оскільки кожен новий блок посилається на свого попередника, гарантуючи хронологічний порядок і запобігаючи підробці.

Однак ноди не можуть додавати блок до блокчейну за власним бажанням. Мережа повинна визначити, яка нода чи ноди мають повноваження пропонувати наступний блок. Це призначення, яке є першим ключовим процесом в алгоритмі консенсусу, відрізняється в різних блокчейнах. Деякі системи покладаються на конкурентні процеси, коли ноди змагаються у вирішенні криптографічної головоломки або демонструють певну форму стейкінгу чи повноважень, щоб виграти право запропонувати наступний блок. Інші використовують механізми виборів або ротації. Незалежно від методу, процес відбору призначений для контролю пропозицій блоків, щоб мінімізувати конфліктні блоки, і мережа могла розвиватися впорядковано.

Нода або (ноди), які виграють право додати наступний блок до реєстру, транслюють запропонований блок іншим нодам для перевірки. Це поширення попередньо перевіреного блоку на всю мережу для остаточного підтвердження є другим ключовим етапом алгоритму консенсусу.

Далі

Після отримання запропонованого блоку ноди по всій мережі починають процес перевірки. Цей процес складається з кількох перевірок, щоб гарантувати, що блок дотримується правил протоколу блокчейну. Ноди спочатку перевіряють, що запропонований блок правильно посилається на блок назад у ланцюжку, зберігаючи послідовну цілісність реєстру. Потім вони перевіряють кожну трансакцію, включену в блок, підтверджуючи, що цифрові підписи є дійсними, і що введення трансакції не були витрачені в попередніх блоках або трансакціях. Це запобігає подвійному витрачанню та підтримує узгодженість реєстру.

Перевірка також включає перевірку того, що всі трансакції відповідають правилам протоколу, таким як обмеження розміру трансакції, формати та вимоги до комісії. Ноди вивчають метадані запропонованого блоку, включаючи позначки часу, щоб переконатися, що блок не був сформований поза дозволеними вікнами часу. Крім того, ноди перевіряють будь-які криптографічні докази або підписи, які демонструють право або повноваження пропонента подати блок (як визначено механізмом консенсусу, що використовується).

Якщо будь-який крок перевірки не вдається, ноди відхиляють запропонований блок. Відхилення означає, що блок не додається до блокчейну і відкидається всіма чесними нодами. Це відхилення захищає мережу від недійсних даних та потенційних атак. Мережа продовжує спиратися на останній прийнятий блок, поки повторюється процес пропозиції дійсного наступного блоку.

Якщо запропонований блок проходить усі перевірки, досягається консенсус. Всі чесні ноди приймають блок і додають його назавжди до своєї локальної копії блокчейну. Ця колективна угода гарантує, що блокчейн залишається єдиним, послідовним записом на всіх нодах. Після додавання блоку ноди переходять до збору нових трансакцій і підготовки до наступного циклу пропозиції блоку.

Цей двоетапний підхід — тобто формування запропонованого блоку відповідальною нодою та подальша перевірка блоку ширшою мережею — представляє весь процес консенсусу блокчейну. Хоча конкретні механізми вибору та перевірки відрізняються серед алгоритмів консенсусу, ця загальна структура гарантує, що мережа працює надійно без централізованого контролю. Вона захищає від помилок, зловмисної поведінки та невідповідностей, які можуть підірвати довіру до системи блокчейну.

Модульний зсув

Останніми роками модульні архітектури блокчейнів стають дедалі популярнішими. Модульні блокчейни, на відміну від своїх традиційних монолітних аналогів, розділяють свої основні операційні рівні на окремі компоненти. Часто рівень консенсусу обробляється в іншому середовищі, ніж рівні розрахунків та доступності даних (DA). Така модульність допомагає досягти більш ефективної, швидшої та/або дешевшої загальної функціональності. 

Покращена масштабованість також була досягнута в системах консенсусу завдяки використанню доказу історії (PoH). PoH — це криптографічний метод, який створює перевірений запис подій із позначкою часу, щоб довести точну послідовність трансакцій без необхідності взаємодії нод між собою.

Останні покращення щодо безпеки та можливостей конфіденційності також були досягнуті завдяки використанню технології нульового розголошення (ZK). Удосконалення консенсусу ZK використовують протокол перевірки, який використовує математичні докази для підтвердження правильності пакета трансакцій без розкриття даних базового активу або вимоги до нод повторно їх обробляти.

Типи алгоритмів консенсусу в блокчейні

Як описано вище, кожен алгоритм консенсусу виконує дві ключові функції: по-перше, вибір ноди або групи нод, відповідальних за пропозицію наступного блоку (далі); і по-друге, валідація запропонованого блоку у ширшій мережі. 

Друга частина цього процесу (валідація у всій мережі) зазвичай досить схожа у більшості блокчейнів і включає різні перевірки, такі як перевірка підписів трансакцій, забезпечення правильного зв'язку блоків і перевірка на подвійні витрати. Однак перша частина може кардинально відрізнятися залежно від використовуваного алгоритму консенсусу. Ці відмінності мають великий вплив на децентралізацію мережі, використання енергії, ефективність та вразливість до атак.

Крім того, деякі платформи запровадили вдосконалення алгоритмів консенсусу, такі як PoH та ZK-докази, для досягнення вищої масштабованості або безпеки. Наприклад, Solana (SOL) має механізм опрацювання PoH у своєму основному протоколі консенсусу доказу частки володіння (PoS), дизайн, який дозволяє блокчейну досягати однієї з найвищих пропускних здатностей у галузі.

Нижче наведено п'ять найпоширеніших алгоритмів консенсусу, які сьогодні використовуються в блокчейн-мережах. Хоча існує багато інших алгоритмів консенсусу, ці п'ять використовуються переважною більшістю найпопулярніших мереж у блокчейн-індустрії.

Доказ виканання роботи (PoW)

Доказ виканання роботи (PoW) є одним із двох найпопулярніших алгоритмів консенсусу, представленим з Bitcoin (BTC), першим життєздатним блокчейном, запущеним у 2009 році. В алгоритмі консенсусу PoW майнери (спеціалізовані ноди) змагаються за вирішення складної математичної головоломки. Вирішення головоломки вимагає значних обчислювальних зусиль, тому це називається «роботою». Перший майнер, який її вирішить, має право запропонувати наступний блок і отримати винагороду, зазвичай у вигляді нових монет та комісій за транзакції.

PoW широко вважається дуже безпечним, оскільки зловмиснику потрібно було б контролювати більшість обчислювальної потужності мережі, щоб маніпулювати ланцюгом. На початку 2026 року загальні обчислювальні витрати Bitcoin, відомі як хешрейт, досягли рекордних значень, в середньому понад 1 зеттахеш на секунду (1 ZH/s). Це значно підвищило економічну вартість здійснення атаки на Мережу.

Однак ця Безпека забезпечується за рахунок Високого енергоспоживання в процесі PoW, що суперечить Зростанню глобальної уваги до стандартів сталого розвитку — ключова причина, чому багато нових Блокчейн Проєктів більше не використовують PoW. Окрім Bitcoin, PoW також Використовується Litecoin (LTC) та Dogecoin (DOGE), серед іншого.

Доказ частки володіння (PoS)

Доказ частки володіння (PoS) — це ще один широко Використовуваний метод консенсусу поряд із PoW. Замість того, щоб Використовувати обчислювальну потужність для конкуренції за права пропозиції блоків, PoS вибирає валідаторів блоків на основі того, скільки Токенів вони Вносять у стейкінг або блокують у Мережі. Чим Більше Токенів Внесено в стейкінг, тим Вищі шанси бути обраним для пропозиції Наступного блоку.

На відміну від PoW, PoS значно енергоефективніший і часто забезпечує швидше опрацювання транзакцій. PoS набув широкої популярності із запуском таких мереж, як Cardano (ADA) і Polkadot (DOT), і здобув подальше визнання, коли Ethereum (ETH) перейшов з PoW на PoS у 2022 році. Кожна мережа, як правило, має власний варіант PoS з незначними змінами критеріїв відбору.

Попри свою енергоефективність та кращу ефективність порівняно з PoW, PoS має власну вразливість: цей механізм консенсусу потенційно може призвести до узурпації мережі невеликою кількістю нод валідаторів зі значним стейкінгом токенів. Ця проблема може бути не такою очевидною у високо децентралізованих мережах, таких як Ethereum, але вона може стати реальним ризиком, коли децентралізація — що вимірюється кількістю активних валідаторів у мережі — обмежена.

В останні роки протоколи рестейкінгу, такі як EigenLayer (EIGEN), з'явилися як значна інновація у світі екосистем PoS. Рестейкінг дозволяє одночасно використовувати стейкінг, заблокований в одній мережі — як правило, великій, ресурсній мережі, такій як Ethereum — для забезпечення механізмів консенсусу в інших мережах або блокчейн-сервісах, таких як мости та оракули.

Делегований доказ частки володіння (DPoS)

Delegated proof of stake (DPoS) — це більш демократичний представницький варіант стандартного PoS. У DPoS держателі токенів, включаючи звичайних користувачів, делегують свої частки групі довірених нод-валідаторів. Валідатори, які залучають більше делегованих їм часток, мають більш високий шанс отримати право запропонувати наступний блок. По суті, ця менша група нод-валідаторів по черзі пропонує та перевіряє блоки транзакцій від імені ширшої спільноти.

Ця модель забезпечує швидший консенсус і більшу масштабованість, оскільки в пропонуванні блоків у будь-який момент часу бере участь менша кількість нод. Вона також сприяє залученню користувачів, оскільки навіть дрібні держателі токенів можуть впливати на результати консенсусу через делегування. Проте критики стверджують, що це може знизити рівень децентралізації, оскільки зосереджує владу в руках кількох делегатів. Прикладами мереж, що використовують DPoS, є EOS (EOS) та TRON (TRX).

Практична візантійська відмовостійкість (PBFT)

Практична візантійська відмовостійкість (PBFT) була спочатку розроблена для розподілених обчислювальних систем у 1990-х роках і пізніше адаптована для використання в технології блокчейн. Вона розроблена для ефективної роботи в децентралізованих комп'ютерних мережах з обмеженою кількістю відомих валідаторів (зазвичай закриті блокчейни). В PBFT ноди досягають консенсусу через серію раундів, які включають пропозицію блоку, голосування за нього та досягнення остаточної згоди, за умови, що ⅔ нод згодні.

PBFT пропонує швидку остаточність транзакцій і високу пропускну здатність, що робить його привабливим для корпоративного використання. Однак він не масштабується добре до тисяч нод, що обмежує його використання у відкритих децентралізованих мережах. Моделі, натхненні PBFT, використовуються в блокчейнах, таких як Hyperledger Fabric та Tendermint, останній забезпечує роботу екосистеми Cosmos (ATOM).

Доказ повноважень (PoA)

Доказ повноважень (PoA) — це алгоритм консенсусу, у якому особи, що пропонують блоки, є заздалегідь схваленими та ідентифікованими суб'єктами, часто компаніями або приватними особами з високою репутацією. Замість того, щоб конкурувати за допомогою обчислювальної потужності або внесених у стейкінг токенів, валідатори вибираються на основі їхньої особистості та надійності.

Доказ повноважень (PoA) зазвичай використовується в дозволених блокчейнах, у яких швидкість, ефективність і довіра, заснована на ідентифікації, важливіші за децентралізацію. Він забезпечує швидку завершеність і високу пропускну здатність транзакцій, але часто піддається критиці за те, що він занадто централізований. Мережі, такі як VeChain (VET) та численні дозволені корпоративні ланцюги, впровадили консенсус PoA.

Трилема блокчейну

З моменту свого зародження індустрія блокчейну стикається з так званою трилемою блокчейну. Цей термін стосується того факту, що з трьох ключових показників — децентралізації, безпеки та масштабованості — блокчейни можуть покращити лише один або два, часто за рахунок третього. Жоден традиційний алгоритм консенсусу ще не був здатний покращити всі три одночасно. 

Це призвело до значних досліджень та інновацій у просторі блокчейну для розробки рішень, які вирішують три компоненти трилеми якомога ефективніше. У прагненні вирішити трилему було запроваджено різні стійкі альтернативи, нішеві технології та вдосконалення консенсусу. 

Стійкі альтернативи та нішеві підходи

Доказ простору (PoSpace) та Доказ простору-часу (PoSt) були розроблені як "зелені" та егалітарні альтернативи підходу PoW, що виснажує ресурси.

У PoSpace валідатор мережі доводить, що він виділив певний обсяг невикористаної ємності жорсткого диска — замість сирої обчислювальної потужності — мережі для обробки трансакцій. Хоча PoSpace вимагає значної ємності для зберігання, він є легким щодо обчислювальних витрат — принаймні порівняно з PoW. 

PoSt йде на крок далі, вимагаючи доказів того, що простір, виділений кандидатом у валідатори, залишався присвяченим завданню та незмінним протягом безперервного періоду. Цей підхід спрямований на сприяння високій децентралізації, оскільки жорсткі диски є більш доступними та широко поширеними, ніж спеціалізовані чіпи для майнінгу.

Дві інноваційні мережі були активні у впровадженні рішень на основі PoSpace та PoST. Chia (XCH) стала піонером цього підходу для експоненціального зростання своєї децентралізації, зберігаючи при цьому низькі витрати на електроенергію. Тим часом Filecoin (FIL) було використано для забезпечення функціонального децентралізованого маркетплейсу зберігання даних. Однак, незважаючи на теоретичну перспективність цих платформ, їхнє масове впровадження залишається обмеженим.

Сучасні вдосконалення консенсусу

Як зазначалося в попередніх розділах, PoH та ZK-докази стали одними з найбільш популярних технологій, запроваджених останніми роками для подолання обмежень традиційних алгоритмів консенсусу. Наприклад, впровадивши PoH у свою консенсусну модель, що в основному базується на PoS, Solana досягла максимальної пропускної здатності в 65 000 трансакцій в секунду (TPS). Хоча за останні кілька років з'явилися добре масштабовані мережі Рівень 2 з подібною або навіть вищою пропускною здатністю TPS, ці платформи переносять частину роботи з опрацювання в офчейн середовища, певною мірою ставлячи під загрозу безпеку. Дивлячись суто на ланцюги Рівень 1, Solana досі виділяється як мережа з найвищою масштабованістю, принаймні серед популярних альтернатив.

Тоді як PoH здебільшого стосується переваг щодо масштабованості, докази ZK виділяються в посиленні безпеки, особливо для ланцюгів рівня 2. Вище ми зазначали, що ці ланцюги певною мірою йдуть на компроміс із безпековим компонентом трилеми блокчейну, переміщуючи деякі елементи опрацювання транзакцій в офчейн. Водночас ланцюги рівня 2 активно впроваджують докази ZK, включаючи моделі з високою безпекою, такі як ZK-SNARK і ZK-STARK, для зменшення ризиків безпеки. Із розвитком середовищ уніфікації для ланцюгів рівня 2, таких як AggLayer та Superchain від Optimism, ці мережі рівня 2 ще більше посилили свої профілі безпеки.

Вибір правильного механізму консенсусу

У таблиці нижче порівнюються основні алгоритми консенсусу, їхні ключові сильні сторони та випадки використання.

Висновок

Алгоритми консенсусу є основою блокчейн-мереж. Вони є критично важливими для того, щоб всі учасники дійшли згоди щодо єдиної, захищеної від підробки версії реєстру. Хоча загальний процес включає як вибір того, хто пропонує блок, так і валідацію блоку по всій мережі, саме конкретний метод вибору того, хто пропонує, дійсно відрізняє ці алгоритми.

З часом стало очевидно, що базові алгоритми консенсусу не можуть повністю вирішити трилему блокчейну. Для вирішення цієї проблеми останніми роками були впроваджені вдосконалення основних моделей консенсусу — такі як PoH та ZK-докази.

Сьогодні оцінка дизайну алгоритму консенсусу виходить за рамки порівняння безпеки, швидкості або децентралізації. Інтероперабельність стала все більш важливим фактором. Ось чому багато сучасних платформ блокчейн, зокрема на Рівень 2, створюються для забезпечення безперебійного зв'язку з іншими мережами за допомогою інноваційних рішень, таких як AggLayer та Optimism Superchain.

#LearnWithBybit