Autor: Richard Red, współpracownik Decred.
Mechanizm konsensusu blockchaina służy zapewnieniu, że istnieje zgoda wśród uczestników co do bieżącego stanu blockchaina. Mechanizm konsensusu określa, kto może dodawać nowe bloki transakcji, a jednym z jego głównych celów jest zapewnienie, że łańcuch nie zostanie przepisany.
Konsensus Proof of Work
Blockchainy z czystym konsensusem Proof of Work (takie jak Bitcoin) mogą mieć nowe bloki dodawane tylko przez górników, którzy wdrażają sprzęt, który sprawnie zgaduje odpowiedź na problem matematyczny. Za każdym razem, gdy górnik dokona prawidłowego zgadywania, może skonstruować blok, który sieć akceptuje. Podczas gdy górnicy mogą wybrać wydobywanie dowolnego łańcucha, sieć zaakceptuje tylko łańcuch z największą liczbą zgromadzonych Proof of Work (tj. największą liczbą haszy lub zgadywań) jako legalny łańcuch. Oznacza to, że górnicy są zachęcani do wydobywania na najdłuższym łańcuchu, a gdy zobaczą prawidłowy nowy blok, spróbują znaleźć rozwiązanie dla następnego bloku, które pozwoli im budować na poprzednim.
Trudność ponownego zapisu blockchaina pozwala mu funkcjonować jako księga transakcji finansowych. Gdy transakcja pojawia się w bloku, który wysyła monety do portfela, a na tym bloku zbudowano kilka bloków (potwierdzenia), staje się mało prawdopodobne, że blok (i transakcja) zostaną ponownie zapisane.
Jeśli podmiot kontroluje wystarczającą moc haszującą, aby prześcignąć „uczciwy łańcuch”, może przepisać (lub zreorganizować) blockchain, wydobywając na „starym” bloku zamiast na najnowszym bloku. Oto uproszczony opis tego rodzaju ataku, znanego również jako atak 51%:
Atakujący wydaje w bloku X, wysyłając na giełdę, a następnie zaczyna wydobywać równoległy łańcuch prywatnie (bloki nie są transmitowane do sieci). Po przejściu wymaganej liczby potwierdzeń atakujący wymienia monety na coś innego i wypłaca to z giełdy. Po rozliczeniu wypłaty uwalnia równoległy łańcuch, a jeśli ma on więcej PoW (bloków) niż oryginalny łańcuch, sieć zaakceptuje go jako legalny łańcuch, a wersja historii reprezentowana przez oryginalny łańcuch (w tym depozyt atakującego) zniknie. Atakujący może następnie ponownie wydać te monety.
Ponieważ górnicy są jedynymi podmiotami, które mogą bezpośrednio dodawać bloki do łańcucha w czystych kryptowalutach PoW, daje im to silną rolę w zarządzaniu. Aby jakakolwiek zmiana reguł konsensusu sieci została przyjęta, musi mieć poparcie większości mocy obliczeniowej. „Miękkie rozwidlenia” wymagają wystarczającej liczby górników, aby rozpoznać nowy zestaw reguł, dzięki czemu użytkownicy mogą dokonywać transakcji i oczekiwać, że ich transakcje zostaną prawidłowo przetworzone i uwzględnione w blokach. „Twarde rozwidlenia” podzieliłyby sieć na dwa komponenty, a zgodnie z powszechnie akceptowaną zasadą „łańcuch z największym PoW jest właściwym łańcuchem do naśladowania” górnicy decydowaliby, który z nich jest akceptowany jako legalny.
Konsensus Proof of Stake
Konsensus Proof of Stake to alternatywna metoda decydowania, kto może dodawać nowe bloki i weryfikować bieżący stan łańcucha bloków. Zamiast, aby górnicy konkurowali ze sobą, aby rozwiązać problem, w przypadku Proof of Stake, następny producent bloków jest ustalany przez pewien proces oparty na liczbie monet przechowywanych w portfelach (lub „zastawionych”). Proces ten polega na zaufaniu, że ci, którzy mają największy udział, podejmą odpowiedzialne decyzje dotyczące całej sieci.
Konsensus Proof of Stake eliminuje potrzebę energochłonnego wydobycia, ale brak znaczących wydatków energetycznych stwarza inny problem, czasami określany jako „nic na szali”. W przypadku rozwidlonego łańcucha, fałszerze PoS („kucie” jest zazwyczaj używane zamiast „wydobywanie”) są zachęcani do walidacji bloków na obu łańcuchach, ponieważ praca nad dodatkowym łańcuchem kosztuje ich bardzo mało i mogą zbierać nagrody na obu łańcuchach. Jest to problem dla sieci, ponieważ powinien istnieć tylko jeden łańcuch, a uzgodnienie stanu tego pojedynczego łańcucha jest całym celem mechanizmu konsensusu.
Proof of Stake ma dodatkowy problem w odniesieniu do dystrybucji tokenów. Górnicy PoW mają znaczne koszty (sprzęt, elektryczność) i zazwyczaj muszą sprzedać znaczną część swoich wydobytych monet, aby pokryć te koszty. W rezultacie wiele wydobytych monet jest dostępnych do kupienia na rynku, zamiast być gromadzonych przez górników. Fałszerze Proof of Stake mają bardzo niskie koszty operacyjne, więc nie mają takiej samej presji, aby sprzedawać monety, które otrzymują za utrzymanie sieci. Duzi posiadacze, którzy angażują się w Proof of Stake, mają tendencję do zwiększania swojego udziału w krążących monetach, ponieważ zbierają nagrody za bloki i opłaty transakcyjne od użytkowników sieci. Porównano to do feudalizmu, w którym sieć jest skutecznie posiadana i obsługiwana przez posiadaczy monet, a użytkownicy płacą im rodzaj czynszu za korzystanie z niej. Zazwyczaj istnieje pewien próg, poniżej którego nie jest możliwe bezpośrednie uczestnictwo w Proof of Stake.
Hybrydowy PoW/PoS
Celem hybrydowych systemów Proof of Work i Proof of Stake jest uchwycenie korzyści poszczególnych podejść i wykorzystanie ich do zrównoważenia słabości każdego z nich. Decred należy do nielicznych kryptowalut, które wykorzystują zarówno PoW, jak i PoS w rozpoznawalnych formach i łączą je, aby wytworzyć wieloczynnikowy lub hybrydowy mechanizm konsensusu.
„Monety masternode” są w pewnym sensie również hybrydami, ponieważ mają rozpoznawalny komponent Proof of Work, który pełni podobną rolę jak w Bitcoinie, a także dodatkową rolę dla węzłów specjalnych. Zazwyczaj istnieje wymóg, aby te węzły specjalne posiadały pewną ilość waluty jako zabezpieczenie, aby wykazać, że można im zaufać, że będą działać w najlepszym interesie sieci, co jest podobne do uzasadnienia Proof of Stake. Dash jest oryginalną monetą masternode i odnosi się do tego modelu jako Proof of Service. Ten artykuł koncentruje się na hybrydach z komponentem Proof of Stake i nie będzie rozważał zestawu monet, które emulują masternody lub Proof of Service.
Komponent PoW Decred działa podobnie do innych projektów opartych na PoW i używa funkcji skrótu Blake-256. Komponent PoS Decred i sposób, w jaki jest wpleciony w łańcuch, jest dość unikalny i wart dalszego wyjaśnienia.
Aby wziąć udział w Proof of Stake Decred, posiadacze muszą zablokować czasowo swoje DCR, aby kupić „bilety”. Cena pojedynczego biletu jest ustalana przez mechanizm rynkowy, w którym system dąży do uzyskania określonej liczby aktywnych biletów (40 960) — jeśli jest ich więcej niż docelowa liczba, cena rośnie, jeśli jest ich mniej, spada. Kiedy ktoś kupuje bilet, użyty przez niego DCR jest blokowany (tj. nie może go wydać), dopóki jego bilet nie zostanie pseudolosowo wywołany do głosowania lub dopóki nie wygaśnie po około 142 dniach. Wprowadza to koszt alternatywny dla PoS, mający na celu zapewnienie, że wyborcy PoS mają udział w grze i działają w najlepszym interesie sieci.
Uczestnicy PoS (nazywani również wyborcami lub interesariuszami) mają do odegrania trzy odrębne role: głosowanie blokowe, głosowanie nad zmianami w zasadach konsensusu i głosowanie nad zarządzaniem na poziomie projektu przy użyciu systemu Politeia Proposal System. Pierwsza z nich, „głosowanie blokowe”, to sposób, w jaki wyborcy PoS angażują się najbardziej bezpośrednio w utrzymanie konsensusu.
Głosowanie nad blokami
Gdy górnik PoW znajdzie prawidłowy blok, rozgłasza go w sieci, ale aby blok ten został uznany za prawidłowy, musi zawierać głosy co najmniej 3 z 5 losowo wybranych biletów. Głosujący PoS trzymają portfele otwarte i gotowe do odpowiedzi głosami, gdy ich bilety są wywoływane (lub angażują Dostawców Usług Głosowania, aby zrobili to w ich imieniu). Gdy bilet PoS jest wywoływany do głosowania i odpowiada, jego właściciel otrzymuje nagrodę.
Gdy bilety są wywoływane, głosują one za zaakceptowaniem lub odrzuceniem regularnych transakcji poprzedniego bloku. Węzły w sieci nie uznają nowego bloku za ważny, dopóki nie będzie zawierał co najmniej 3 głosów. Jeśli większość biletów wywoływanych do głosowania odrzuci transakcje poprzedniego bloku, zostaną one zwrócone do puli pamięci. Te regularne transakcje obejmują nagrodę górnika PoW, ale nie nagrodę wyborców PoS.
Dlatego wyborcy PoS mają możliwość odebrania nagród górnikom bez wpływu na ich własne nagrody. Ogranicza to możliwość weta górników PoW w odniesieniu do zmian w zasadach konsensusu sieci, które są głosowane przez interesariuszy. W rzeczywistości wyborcy PoS mogą odrzucać wszelkie zachowania górników, których nie lubią, przyjmując politykę głosowania „nie”, gdy wykryte zostanie złośliwe lub nieefektywne zachowanie – uniemożliwiając złym górnikom PoW pisanie transakcji i otrzymywanie nagród.
Ta warstwa weryfikacji PoS znacznie zwiększa bezpieczeństwo sieci i odporność na ataki większościowe. Powszechną metodą przeprowadzania ataku podwójnego wydatkowania większości jest przepisanie łańcucha bloków poprzez wydobycie alternatywnego łańcucha w tajemnicy, a następnie zwolnienie go po pewnym czasie i wykorzystanie unieważnienia transakcji w „starym” łańcuchu (tj. poprzez podwójne wydanie ich danych wejściowych). Ponieważ bloki Decred wymagają danych wejściowych z losowo wybranych biletów, aby były uważane za ważne i nie mogą być budowane przez górników PoW, dopóki nie otrzymają tych danych wejściowych, górnicy PoW nie mogą wydobywać w tajemnicy, chyba że kontrolują również znaczną część aktywnych biletów (zobacz te artykuły).
Hybrydowa konstrukcja PoW/PoS znacznie zwiększa koszty ataków na sieć, ponieważ istnieją dwa odrębne systemy, które atakujący musi ominąć. Komponent PoS jest w szczególności skonfigurowany tak, że bilety można nabywać tylko dość powoli. Ograniczoną liczbę biletów można kupić w każdym bloku/interwale, a zakup maksymalnej liczby powoduje gwałtowny wzrost ceny. Ponadto po zakupieniu tych biletów środki wykorzystane do ich zakupu zostaną zablokowane czasowo, pozostawiając atakującego narażonego na wszelkie dewaluacje zablokowanych monet, które nastąpiły w wyniku ataku.
Wymaganie, aby każdy blok był głosowany przez losowo wybranych interesariuszy, oznacza, że blockchain musi być udostępniany wszystkim uczestnikom podczas wydobywania, co zwiększa bezpieczeństwo sieci. Hybrydowy system Decred został zaprojektowany tak, aby również przyznać interesariuszom władzę nad górnikami PoW.
Głosowanie w sprawie zmiany konsensusu
Decred postanowił na początku uczynić interesariuszy PoS dominującą siłą decyzyjną w zarządzaniu blockchainem. W zasadach konsensusu zapisana jest procedura ratyfikacji aktualizacji, dzięki której wszelkie zmiany w zasadach konsensusu sieci mogą zostać wdrożone dopiero po przejściu przez proces głosowania. Zmiany mogą zostać wprowadzone tylko wtedy, gdy zostaną zatwierdzone przez co najmniej 75% głosujących. Proces ten rozpoczyna się, gdy określona część górników (95%) i wyborców (75%) uruchamia zaktualizowane oprogramowanie z ukrytymi zmianami w zasadach. Jeśli propozycja uzyska 75% poparcia po 4-tygodniowym okresie głosowania, zostaje zaakceptowana, w przeciwnym razie zostaje odrzucona, a jeśli nie uzyska żadnej z kwalifikowanych większości, rozpoczyna się ponowne głosowanie. Jeśli propozycja zostanie zaakceptowana, zmiana zasad zostanie aktywowana miesiąc później.
Zarządzanie projektem: Politeia
Nagrody blokowe Decred są dzielone między górników PoW (60%), wyborców PoS (30%) i Skarb Państwa (10%) w celu sfinansowania rozwoju oprogramowania typu open source, które wspiera cele projektu. Posiadacze biletów mają suwerenność w głosowaniu nad tym, jak ten fundusz powinien być wydany, jakie funkcje powinny zostać dodane, a także w ustalaniu polityki za pośrednictwem platformy Politeia.
Myśli końcowe
Ponieważ wyborcy PoS otrzymują 30% nagrody za blok, nie mogą utrzymać swojego względnego udziału w obiegu DCR po prostu poprzez staking. Większość nowo wybitych DCR trafia do górników PoW w zamian za rolę, jaką odgrywają w zabezpieczaniu sieci i łagodzeniu problemu „niczego na szali” w czystych systemach PoS. Górnicy zazwyczaj musieliby sprzedać znaczną część otrzymywanych nagród, aby pokryć swoje koszty operacyjne, zapewniając, że na rynku dostępna jest uczciwa podaż DCR.
Blockchain Decred prezentuje unikalną architekturę i jest jednym z najbardziej znanych przykładów hybrydowego systemu PoW/PoS. Podobnie jak projekty z konsensusem PoS są ogólną grupą ze znacznymi różnicami w obrębie, przyszłe projekty, które wdrażają hybrydowe podejścia PoW/PoS, będą również wyjątkowe i niekoniecznie będą zgodne z ramami Decred.
