What Is a Blockchain Consensus Algorithm?

Binance Academy · 2022-11-05T01:43:01.000Z

Introduction A consensus algorithm is a mechanism that allows users or machines to coordinate in a distributed setting. It needs to ensure that all agents in the system can agree on a single source of truth, even if some agents fail. In other words, the system must be fault-tolerant (see also: Byzantine Fault Tolerance Explained). In a centralized setup, a single entity has power over the system. In most cases, they can make changes as they please – there isn’t some complex governance system for reaching consensus amongst many administrators. But in a decentralized setup, it’s a whole other story. Say we’re working with a distributed database – how do we reach an agreement on what entries get added? Overcoming this challenge in an environment where strangers don’t trust each other was perhaps the most crucial development paving the way for blockchains. In this article, we’ll take a look at how consensus algorithms are vital to the functioning of cryptocurrencies and distributed ledgers. Consensus algorithms and cryptocurrency In cryptocurrencies, users’ balances are recorded in a database – the blockchain. It’s essential that everyone (or more accurately, every node) maintains an identical copy of the database. Otherwise, you’d soon end up with conflicting information, undermining the entire purpose of the cryptocurrency network. Public-key cryptography ensures that users cannot spend each other’s coins. But there still needs to be a single source of truth that network participants rely on, to be able to determine whether funds have already been spent. Satoshi Nakamoto, the creator of Bitcoin, proposed a Proof of Work system to coordinate participants. We’ll get into how PoW works shortly – for now, we’ll identify some of the common traits of the many consensus algorithms in existence. Firstly, we require that users that want to add blocks (we’ll call them validators) provide a stake. The stake is some kind of value that a validator must put forward, which discourages them from acting dishonestly. If they cheat, they’ll lose their stake. Examples include computing power, cryptocurrency, or even reputation. Why would they bother risking their own resources? Well, there’s also a reward available. This usually consists of the protocol’s native cryptocurrency and is made up of fees paid by other users, freshly-generated cryptocurrency units, or both. The last thing we need is transparency. We need to be able to detect when someone is cheating. Ideally, it should be costly for them to produce blocks, but cheap for anyone to validate them. This ensures that validators are kept in check by regular users. Types of consensus algorithms Proof of Work (PoW) Proof of Work (PoW) is the godfather of blockchain consensus algorithms. It was first implemented in Bitcoin, but the actual concept has been around for some time. In Proof of Work, validators (referred to as miners) hash the data they want to add until they produce a specific solution. A hash is a seemingly random string of letters and numbers that’s created when you run data through a hash function. But, if you run the same data through it again, you’ll always end up with the same output. Change even one detail, though, and your hash will be completely different. Looking at the output, you can’t possibly tell what information was fed into the function. They’re therefore useful for proving that you knew a piece of data before a certain time. You can give someone its hash, and when you later reveal the data, that person can run it through the function to make sure the output is the same. In Proof of Work, the protocol sets out conditions for what makes a block valid. It might say, for instance, only a block whose hash begins with 00 will be valid. The only way for the miner to create one that matches that combination is to brute-force inputs. They can tweak a parameter in their data to produce a different outcome for every guess until they get the right hash. With major blockchains, the bar is set incredibly high. To compete with other miners, you would need a warehouse full of special hashing hardware (ASICs) to be in with a chance of producing a valid block. Your stake, when mining, is the cost of these machines and the electricity required to run them. ASICs are built for one purpose, so they have no use in applications outside of cryptocurrency mining. Your only way to recoup your initial investment is to mine, which yields a significant reward if you successfully add a new block to the blockchain. It’s trivial for the network to verify that you have indeed created the right block. Even if you’ve tried trillions of combinations to get the right hash, they just need to run your data through a function once. If your data produces a valid hash, it will be accepted, and you’ll get a reward. Otherwise, the network will reject it, and you’ll have wasted time and electricity for nothing. Proof of Stake (PoS) Proof of Stake (PoS) was proposed in the early days of Bitcoin as an alternative to Proof of Work. In a PoS system, there’s no concept of miners, specialized hardware, or massive energy consumption. All you need is a regular PC. Well, not all. You still need to put some skin in the game. In PoS, you don’t put forward an external resource (like electricity or hardware), but an internal one – cryptocurrency. Rules differ with every protocol, but there’s generally a minimum amount of funds you must hold to be eligible for staking. From there, you lock up your funds in a wallet (they can’t be moved while you’re staking). You’ll typically agree with other validators on what transactions will go into the next block. In a sense, you’re betting on the block that will be selected, and the protocol will choose one. If your block is selected, you’ll receive a proportion of the transaction fees, depending on your stake. The more funds you have locked up, the more you stand to gain. But if you attempt to cheat by proposing invalid transactions, you’ll lose a portion (or all) of your stake. Therefore, we have a similar mechanism to PoW – acting honestly is more profitable than acting dishonestly. Generally, there aren’t freshly-created coins as part of the reward for validators. The blockchain’s native currency must thus be issued in some other way. This can be done either via an initial distribution (i.e., an ICO or IEO) or by having the protocol launch with PoW before later transitioning to PoS. To date, pure Proof of Stake has only really been deployed in smaller cryptocurrencies. Therefore, it’s unclear if it can serve as a viable alternative to PoW. While it appears theoretically sound, it will be very different in practice. Once PoS is rolled out on a network with a large amount of value, the system becomes a playing field of game theory and financial incentives. Anyone with the know-how to “hack” a PoS system would likely only do so if they could gain from it – therefore, the only way to find out if it’s feasible is on a live network. We’ll soon see PoS tested on a large scale – Casper will be implemented as part of a series of upgrades to the Ethereum network (collectively known as Ethereum 2.0). Other consensus algorithms Proof of Work and Proof of Stake are the most-discussed consensus algorithms. But there’s a wide variety of other ones, all with their own advantages and disadvantages. Check out the following articles: Delayed Proof of Work Explained Leased Proof of Stake Consensus Explained Proof of Authority Explained Proof of Burn Explained Delegated Proof of Stake Explained Hybrid PoW/PoS Consensus Explained Closing thoughts Mechanisms for achieving consensus are vital to the functioning of distributed systems. Many believe that the greatest innovation in Bitcoin was the use of Proof of Work to enable users to agree on a shared set of facts. Consensus algorithms today underpin not only digital money systems, but blockchains allowing developers to run code across a distributed network. They’re now a cornerstone of blockchain technology and are critical to the long-term viability of the various networks in existence. Of all of the consensus algorithms, Proof of Work remains the dominant offering. An alternative that’s more reliable and more secure has yet to be proposed. That said, there’s a tremendous amount of research and development into replacements for PoW, and we’re likely to see more of them surface in the coming years.

WstępAlgorytm konsensusu to mechanizm umożliwiający użytkownikom lub maszynom koordynację w środowisku rozproszonym. Musi zapewnić, że wszyscy agenci w systemie będą mogli zgodzić się na jedno źródło prawdy, nawet jeśli niektórzy agenci zawiodą. Innymi słowy, system musi być odporny na awarie (patrz także: Bizantyjskie wyjaśnienie tolerancji na awarie).
W systemie scentralizowanym władzę nad systemem sprawuje jedna jednostka. W większości przypadków mogą wprowadzać zmiany według własnego uznania – nie ma jakiegoś skomplikowanego systemu zarządzania umożliwiającego osiągnięcie konsensusu wśród wielu administratorów.
Ale w zdecentralizowanej konfiguracji to zupełnie inna historia. Załóżmy, że pracujemy z rozproszoną bazą danych – jak osiągnąć porozumienie w sprawie dodawania wpisów?
Pokonanie tego wyzwania w środowisku, w którym nieznajomi sobie nie ufają, było być może najważniejszym osiągnięciem torującym drogę blockchainom. W tym artykule przyjrzymy się, jak algorytmy konsensusu są niezbędne dla funkcjonowania kryptowalut i rozproszonych rejestrów.

Algorytmy konsensusu i kryptowalutaW kryptowalutach salda użytkowników są rejestrowane w bazie danych – blockchainie. Istotne jest, aby każdy (a dokładniej każdy węzeł) utrzymywał identyczną kopię bazy danych. W przeciwnym razie wkrótce otrzymasz sprzeczne informacje, co podważy cały cel sieci kryptowalut.
Kryptografia klucza publicznego gwarantuje, że użytkownicy nie będą mogli wydawać sobie nawzajem monet. Nadal jednak potrzebne jest jedno źródło prawdy, na którym mogą polegać uczestnicy sieci, aby móc ustalić, czy środki zostały już wydane.
Satoshi Nakamoto, twórca Bitcoina, zaproponował system Proof of Work do koordynowania uczestników. Wkrótce zajmiemy się działaniem PoW – na razie zidentyfikujemy niektóre wspólne cechy wielu istniejących algorytmów konsensusu.
Po pierwsze, wymagamy, aby użytkownicy chcący dodać bloki (nazwiemy ich walidatorami) podawali stawkę. Stawką jest pewna wartość, którą walidator musi zaproponować, a która zniechęci go do nieuczciwego działania. Jeśli oszukają, stracą swoją stawkę. Przykładami są moc obliczeniowa, kryptowaluta, a nawet reputacja.
Dlaczego mieliby zawracać sobie głowę ryzykowaniem własnych zasobów? Cóż, dostępna jest również nagroda. Zwykle składa się z natywnej kryptowaluty protokołu i składa się z opłat uiszczanych przez innych użytkowników, świeżo wygenerowanych jednostek kryptowaluty lub obu.
Ostatnią rzeczą, jakiej potrzebujemy, jest przejrzystość. Musimy umieć wykryć, kiedy ktoś oszukuje. W idealnym przypadku produkcja bloków powinna być dla nich kosztowna, a ich walidacja tania dla każdego. Dzięki temu zwykli użytkownicy mają pewność, że walidatorzy są kontrolowani.

Rodzaje algorytmów konsensusuDowód pracy (PoW)Proof of Work (PoW) jest ojcem chrzestnym algorytmów konsensusu blockchain. Po raz pierwszy został zaimplementowany w Bitcoinie, ale faktyczna koncepcja istnieje już od jakiegoś czasu. W Proof of Work walidatorzy (zwani górnikami) mieszają dane, które chcą dodać, dopóki nie utworzą konkretnego rozwiązania.
Hash to pozornie losowy ciąg liter i cyfr tworzony podczas przepuszczania danych przez funkcję skrótu. Jeśli jednak ponownie przepuścisz przez nie te same dane, zawsze otrzymasz ten sam wynik. Zmień chociaż jeden szczegół, a Twój skrót będzie zupełnie inny.
Patrząc na dane wyjściowe, nie można stwierdzić, jakie informacje zostały wprowadzone do funkcji. Są zatem przydatne do udowodnienia, że ​​znałeś dane przed określonym czasem. Możesz dać komuś jego skrót, a kiedy później ujawnisz dane, ta osoba będzie mogła przepuścić je przez funkcję, aby upewnić się, że wynik jest taki sam.
W Proof of Work protokół określa warunki, które decydują o ważności bloku. Może na przykład powiedzieć, że ważny będzie tylko blok, którego skrót zaczyna się od 00. Jedynym sposobem, w jaki górnik może stworzyć taki, który pasuje do tej kombinacji, jest użycie danych wejściowych metodą brute-force. Mogą modyfikować parametr w swoich danych, aby uzyskać inny wynik dla każdego odgadnięcia, dopóki nie uzyskają odpowiedniego skrótu.
W przypadku głównych łańcuchów bloków poprzeczka jest ustawiona niewiarygodnie wysoko. Aby konkurować z innymi górnikami, potrzebujesz magazynu pełnego specjalnego sprzętu mieszającego (ASIC), aby mieć szansę na wyprodukowanie prawidłowego bloku.
Twoją stawką podczas wydobycia jest koszt tych maszyn i energia elektryczna potrzebna do ich uruchomienia. Układy ASIC są zbudowane w jednym celu, więc nie mają zastosowania w zastosowaniach innych niż wydobywanie kryptowalut. Jedynym sposobem na odzyskanie początkowej inwestycji jest wydobycie, co daje znaczną nagrodę, jeśli pomyślnie dodasz nowy blok do łańcucha bloków.
Sprawdzenie, czy rzeczywiście utworzyłeś właściwy blok, jest banalne dla sieci. Nawet jeśli wypróbowałeś biliony kombinacji, aby uzyskać odpowiedni skrót, wystarczy, że raz przeprowadzisz dane przez funkcję. Jeśli Twoje dane wygenerują prawidłowy skrót, zostanie on zaakceptowany, a Ty otrzymasz nagrodę. W przeciwnym razie sieć go odrzuci, a Ty będziesz tracić czas i prąd na darmo.

Dowód stawki (PoS)Proof of Stake (PoS) został zaproponowany na początku istnienia Bitcoina jako alternatywa dla Proof of Work. W systemie PoS nie ma pojęcia górników, specjalistycznego sprzętu ani ogromnego zużycia energii. Wszystko czego potrzebujesz to zwykły komputer.
Cóż, nie wszystkie. Nadal musisz dodać trochę skórki do gry. W PoS nie udostępniasz zasobu zewnętrznego (takiego jak prąd czy sprzęt), ale wewnętrzny – kryptowalutę. Zasady różnią się w zależności od protokołu, ale ogólnie rzecz biorąc, istnieje minimalna kwota środków, którą musisz posiadać, aby kwalifikować się do obstawiania.
Stamtąd zamykasz swoje środki w portfelu (nie można ich przenosić podczas obstawiania). Zazwyczaj zgadzasz się z innymi walidatorami co do tego, jakie transakcje zostaną uwzględnione w następnym bloku. W pewnym sensie obstawiasz blok, który zostanie wybrany, a protokół wybierze jeden.
Jeśli wybrany zostanie Twój blok, otrzymasz część opłat transakcyjnych, w zależności od Twojej stawki. Im więcej środków zablokujesz, tym więcej możesz zyskać. Jeśli jednak spróbujesz oszukać, proponując nieprawidłowe transakcje, stracisz część (lub całość) swojej stawki. Mamy zatem podobny mechanizm jak w PoW – uczciwe działanie jest bardziej opłacalne niż działanie nieuczciwe.
Generalnie nie ma świeżo stworzonych monet w ramach nagrody dla walidatorów. Natywna waluta blockchainu musi zatem zostać wyemitowana w inny sposób. Można tego dokonać albo poprzez początkową dystrybucję (tj. ICO lub IEO), albo poprzez uruchomienie protokołu z PoW przed późniejszym przejściem do PoS.
Do tej pory czysty Proof of Stake został wdrożony tylko w mniejszych kryptowalutach. Dlatego nie jest jasne, czy może służyć jako realna alternatywa dla PoW. Choć teoretycznie wydaje się to rozsądne, w praktyce będzie zupełnie inaczej.
Po wdrożeniu PoS w sieci o dużej wartości system staje się polem gry dla teorii gier i zachęt finansowych. Każdy, kto ma wiedzę na temat „zhakowania” systemu PoS, prawdopodobnie zrobiłby to tylko wtedy, gdyby mógł na tym zyskać – dlatego jedynym sposobem sprawdzenia, czy jest to wykonalne, jest aktywna sieć.
Wkrótce będziemy świadkami testów PoS na dużą skalę – Casper zostanie wdrożony w ramach serii aktualizacji sieci Ethereum (znanej łącznie jako Ethereum 2.0).

Inne algorytmy konsensusuDowód pracy i Proof of Stake to najczęściej omawiane algorytmy konsensusu. Ale istnieje wiele innych, każdy z własnymi zaletami i wadami. Sprawdź następujące artykuły:
Wyjaśnienie opóźnionego dowodu wykonania pracy
Wyjaśnienie konsensusu dotyczącego leasingu Dowód udziałów
Wyjaśnienie dowodu upoważnienia
Wyjaśniono dowód poparzenia
Wyjaśnienie delegowanego dowodu stawki
Wyjaśnienie konsensusu dotyczącego hybrydowego PoW/PoS

Zamykanie myśliMechanizmy osiągania konsensusu są niezbędne do funkcjonowania systemów rozproszonych. Wielu uważa, że ​​największą innowacją w Bitcoinie było wykorzystanie Proof of Work, aby umożliwić użytkownikom uzgodnienie wspólnego zestawu faktów.
Algorytmy konsensusu stanowią dziś podstawę nie tylko systemów pieniądza cyfrowego, ale także łańcuchów bloków, umożliwiając programistom uruchamianie kodu w sieci rozproszonej. Stanowią obecnie kamień węgielny technologii blockchain i mają kluczowe znaczenie dla długoterminowej rentowności różnych istniejących sieci.
Spośród wszystkich algorytmów konsensusu dominującą ofertą pozostaje Proof of Work. Nie zaproponowano jeszcze bardziej niezawodnej i bezpieczniejszej alternatywy. To powiedziawszy, istnieje ogromna ilość badań i rozwoju nad zamiennikami PoW i prawdopodobnie zobaczymy ich więcej w nadchodzących latach.

Co to jest algorytm konsensusu Blockchain?

Wstęp

Algorytmy konsensusu i kryptowaluta

Rodzaje algorytmów konsensusu

Dowód pracy (PoW)

Dowód stawki (PoS)

Inne algorytmy konsensusu

Zamykanie myśli

Odkryj więcej od twórcy

Najnowsze wiadomości