Algorytmy konsensusu mają kluczowe znaczenie dla weryfikacji autentyczności rozproszonych platform blockchain i są procesem budowania porozumienia między siecią wzajemnie nieufnych uczestników.
Stworzony przez Satoshi Nakamoto dla Bitcoin, Nakamoto Consensus odnosi się do zestawu reguł, w połączeniu z modelem konsensusu Proof of Work w sieci, które zarządzają mechanizmem konsensusu i zapewniają jego pozbawiony zaufania charakter. W ten sposób Bitcoin stał się pierwszą otwartą i rozproszoną siecią peer to peer (P2P) bizantyjską odporną na awarie (BFT), która wykorzystuje rozproszoną sieć anonimowych węzłów, które mogą dowolnie dołączać i opuszczać sieć..
Contents
Bizantyjska tolerancja błędów (BFT)
Bizantyjska tolerancja na błędy to zdolność rozproszonej sieci komputerowej do zachowania odporności na awarie przy zachowaniu ważnego konsensusu pomimo niedoskonałych informacji lub wadliwych elementów sieci. Przed Bitcoinem jedynym sposobem utrzymania BFT, sieci P2P było wykorzystanie zamkniętej lub półzamkniętej grupy węzłów. Ponadto tradycyjne algorytmy BFT, takie jak Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT), wykorzystują inną metodę wyboru węzłów niż ta, która jest obecnie stosowana w Nakamoto Consensus.
Utrzymanie BFT w otwartej i rozproszonej sieci, takiej jak sieć tak duża jak Bitcoin, wymaga użycia określonego zestawu reguł, które opierają się zarówno na kryptografii, jak i mechanice teorii gier w celu stworzenia pozbawionego zaufania środowiska niezbędnego do ułatwienia zdecentralizowanego konsensusu w sieci transferu wartości.
W systemach pBFT model konsensusu działa tylko w małych grupach zamkniętych węzłów (~ 50), w których występuje znaczne obciążenie komunikacyjne, które uniemożliwia tym modelom konsensusu działanie na dużą skalę. Osiągnięcie konsensusu w systemach z arbitralnymi błędami zwykle wymaga specjalnego systemu głosowania, aby pomóc osiągnąć konsensus. W odniesieniu do platform kryptowalut wykorzystujących modele konsensusu pBFT, ten mechanizm głosowania jest oparty na systemie rotacyjnych węzłów „liderów” w formacie okrężnym. Ponieważ system składa się z sieci ograniczonych, zamkniętych węzłów, jest rzeczą trywialną, aby węzły te skutecznie komunikowały się ze sobą i określały, kto jest „liderem”, który proponuje każdy nowy blok..
Przeczytaj więcej o praktycznej odporności na błędy bizantyjskie
Jeśli lider zachowuje się złośliwie, większością głosów można ich usunąć z węzłów. Jednak to wyraźnie nie skaluje się dobrze w systemie takim jak Bitcoin, gdzie konsensus co do całego stanu łańcucha bloków i ważności wszystkich jego transakcji jest dystrybuowany do tysięcy węzłów na całym świecie, które nieustannie łączą się i odłączają od sieci. Ponadto uczestnictwo w tym systemie konsensusu musi wiązać się z nieodłącznym kosztem, aby zniechęcić uczestników do działania w złośliwy sposób..
Tak więc, aby Bitcoin działał jako bizantyjska sieć P2P odporna na awarie, wprowadził algorytm konsensusu wydobycia PoW w połączeniu z określonym zestawem reguł, które zarządzają mechanizmem, aby osiągnąć bez zaufania konsensus w całej sieci. Nazywa się to klasycznym Konsensusem Nakamoto.
Jak działa konsensus Nakamoto?
Konsensus Nakamoto można podzielić na około 4 części.
- Dowód pracy (PoW)
- Wybór bloku
- Niedostatek
- Struktura zachęty
Połączenie i harmonizacja tych 4 składników Bitcoin pozwala mu stać się rozproszoną siecią transferu wartości, którą jest. Działa z bezufnym konsensusem i pozostanie bezpieczny, dopóki większość mocy wniesionej do procesu wydobycia będzie w rękach uczciwych górników, jak zobaczysz dalej.
Dowód pracy
Ogólnie rzecz biorąc, najważniejszym silnikiem napędzającym konsensus w Bitcoin jest protokół konsensusu Proof of Work. Zasadniczo górnicy używają określonego pełnego węzła do konkurowania w blokach wydobywczych, aby zdobyć nagrodę za blok, która jest wydawana za każdy pomyślnie wydobyty i zweryfikowany blok. Koszt tego procesu wydobycia to energia elektryczna, która ma rzeczywistą wartość finansową, dzięki czemu wydany BTC dla każdego wydobywanego bloku ma nieodłączną wartość.
Przeczytaj więcej o Bitcoin Mining
PoW w Bitcoin ma na celu zapobieganie podwójnemu wydatkowaniu. Chociaż schemat podpisu cyfrowego w modelu UTXO zapewnia weryfikowalną własność wyników transakcji do wydania, nie pozwala na zapobieganie podwójnemu wydatkowaniu. Łańcuch bloków to łańcuch bloków danych ze znacznikiem czasu zawierających transakcje z każdym blokiem zhaszowanym do poprzedniego. Zapewnia to niezmienność łańcucha bloków, ale jak możesz stwierdzić, czy łańcuch, w którym jesteś, jest prawidłowym łańcuchem? Tutaj pojawia się PoW.
Przyczynianie się do wydobycia opiera się na mocy obliczeniowej, im więcej mocy w sieci masz, tym większe jest prawdopodobieństwo, że wydobędziesz blok. Jednak proces jest stochastyczny, więc jest to w zasadzie loteria z losową szansą na to, kto wygra, więc nie można wiedzieć, kto wygra następną rundę, a koszt uczestnictwa będzie nadal wzrastał. Ze względu na ten model najdłuższy łańcuch jest uważany za prawidłowy łańcuch, ponieważ pochodzi z największej puli mocy obliczeniowej. Reguły walidacji zapewniają, że proponowane bloki mają wymaganą pracę obliczeniową, aby mogły zostać zaakceptowane. Co więcej, tak długo, jak najdłuższy łańcuch i większość mocy mieszającej sieci jest kontrolowana przez uczciwe węzły, uczciwy łańcuch będzie się rozwijał najszybciej i wyprzedzał konkurencyjne łańcuchy.
Rezultatem tego systemu jest to, że po rozwiązaniu zagadki kryptograficznej dla rundy wydobywczej górnik proponuje blok do sieci, sieć sprawdza blok, jeśli wszystkie transakcje w bloku nie są podwójnie wydane, a blok jest dodawany do najdłuższy łańcuch. W przypadku ogromnej sieci rozproszonej, takiej jak Bitcoin, koszt ataku na sieć za pomocą ataku 51% jest ogromny i rośnie tylko w miarę rozwoju sieci.
51% kalkulator ataku
Wybór bloku
Proces selekcji bloków stosowany przez Nakamoto Consensus jest jednym z kluczowych elementów odróżniających go od innych modeli konsensusu. Ponieważ model jest oparty na projekcie PoW, proces wyboru bloku odnosi się w szczególności do procesu „loterii” dla górników rywalizujących o nagrodę blokową za wydobycie następnego bloku.
Pamiętaj, że w pBFT lider bloku jest wybierany w procesie głosowania i zastępowany w systemie okrężnym w każdej rundzie. W tym systemie nie ma wydobycia, bloki są wybierane do dodania do łańcucha przez lidera i wymagają zatwierdzenia przez co najmniej ⅔ pozostałych węzłów. W Bitcoin nie ma procesu głosowania w celu ustalenia lidera bloku. Zamiast tego wykorzystuje zagadkę kryptograficzną opartą na zwiększaniu wartości jednorazowej w bloku do momentu osiągnięcia prawidłowej wartości, która reprezentuje hash bloku i wymagane zerowe bity na początku nonce.
Wszyscy górnicy w sieci rywalizują, aby rozwiązać tę zagadkę, a pierwszy, który znajdzie rozwiązanie, wygrywa rundę loterii. Blok jest następnie propagowany przez górnika w sieci do innych węzłów wydobywczych, które niejawnie głosują za zaakceptowaniem bloku jako ważnego przez dodanie bloku do najdłuższego łańcucha. Efektem tego procesu jest usunięcie potencjalnego wpływu strony trzeciej na lidera bloku, ponieważ jest to proces losowy i nie można przewidzieć lidera. Jedynym sposobem na wygranie na loterii jest wniesienie mocy mieszającej do sieci w nadziei na wygraną, a gdy nie wygrasz, zużyta energia staje się kosztem utopionym, co zwiększa motywację związaną z wydobyciem. Uczestnictwo wiąże się z nieodłącznym kosztem, niezależnie od tego, czy skutecznie wydobywasz bloki, czy nie.
Niedostatek
Przed inflacją waluty wynikające z systemu rezerwy cząstkowej zdominowały światową scenę walutową, metale szlachetne były główną formą przechowywania wartości i handlu. Jednym z głównych powodów, dla których były używane i nadal zachowują swoją wartość historyczną (pomyśl o złocie i srebrze), jest to, że są one rzadkie. Nie tylko są one rzadkie, ale wymaga wysiłku (powyżej PoW), aby je wydobyć i wykorzystać.
Niedobór Bitcoinów opiera się na tym założeniu, ograniczając całkowitą liczbę bitcoinów, które zostaną wydobyte do 21 milionów. Dodatkowo, Bitcoin może zostać wstrzyknięty do systemu tylko w procesie wydobywania i odbywa się zgodnie ze schematem deflacyjnym, w którym nagroda blokowa zmniejsza się o połowę co 210 000 bloków (~ 4 lata).
Struktura zachęty
Deflacyjny projekt Bitcoina tworzy mechanizm motywacyjny dla długoterminowych interesów własnych właścicieli Bitcoin i uczestników sieci Bitcoin, aby dodatkowo zabezpieczyć i zweryfikować sieć, jednocześnie wspierając wzrost wartości samego Bitcoina. Deflacyjny charakter Bitcoina tworzy również iterowany model teorii gier, w którym współpraca między osobami w sieci jest optymalna dzięki zgodnym interesom napędzanym deflacją w perspektywie długoterminowej.
Górnicy są zachęcani do uczciwego sprawdzania i zabezpieczania sieci, ponieważ nagrodą, jaką otrzymują za wydobycie bloku, jest Bitcoin. Jeśli wartość Bitcoin spadnie lub sieć zostanie naruszona, wpływa to na ich wynik finansowy.
Co ważne, Bitcoin, wykorzystujący Konsensus Nakamoto, jest społecznie skalowalne sieć. Dzięki projektom motywacyjnym, PoW i zestawom reguł rządzących mechaniką osiągania pozbawionego zaufania konsensusu, Bitcoin pokonuje nieodłączne problemy natury ludzkiej, aby stać się wiarygodnym i legalnym źródłem wartości wewnętrznej.
Wniosek
Nakamoto Consensus to pierwszy mechanizm konsensusu zastosowany do rozproszonych systemów księgi, ponieważ zbiegł się z wynalezieniem łańcuchów bloków i jest określany na cześć tajemniczego architekta. Termin „blockchain” jest obecnie bezkrytycznie podrzucany jako rozwiązanie każdego problemu pod słońcem.
Blockchainy są ważnym składnikiem kryptowalut, jednak ich ogromny potencjał nie byłby możliwy bez powiązania z innymi komponentami platform. W przypadku Bitcoin i innych kryptowalut potwierdzających działanie, jest to Konsensus Nakamoto i jest to niezbędne do wykucia społecznie skalowalnej sieci, takiej jak Bitcoin.
