Возможно, этот термин вам незнаком, но Консенсус Накамото, предложенный Сатоши Накамото, произвел революцию в том, как децентрализованные сети достигают соглашения без центрального органа власти.
Без этого механизма Биткоин, каким мы его знаем сегодня, вероятно, никогда бы не увидел свет, по крайней мере, в его нынешней форме.
Что же такое Консенсус Накамото? Как это работает? Это то, что вы узнаете в этой статье.
Что такое Консенсус Накамото
Консенсус Накамото – это протокол, используемый сетями для установления соглашения о состоянии блокчейна (или «цепочки блоков»). Конкретно этот консенсус гарантирует, что «все участники сети находятся на одной волне». В каком-то смысле они утверждают уникальную и безопасную версию блокчейна.
Другими словами, консенсус гарантирует, что все транзакции проверяются последовательно и что блокчейн остаётся защищенным от манипуляций или мошенничества. Разумеется, этот механизм сегодня необходим. Он поддерживает целостность и безопасность одноранговых (P2P) сетей, таких как знаменитый Биткоин.
Этот протокол, изобретенный Сатоши Накамото, загадочным создателем Биткоина, был раскрыт в официальном документе Биткоина в 2008 году. Фактически Сатоши Накамото разработал его для решения проблем децентрализованных систем. Это позволило создать Биткоин: первую децентрализованную цифровую валюту.
Мы вернёмся к этому более подробно, но важно понимать, что консенсус Накамото был настоящей революцией. Он сочетает византийскую отказоустойчивость с механизмом Proof-of-Work (PoW).
В конечном итоге, этот консенсус привел к созданию протокола консенсуса. Он поддерживает подлинность децентрализованных сетей блокчейнов, не требуя центрального органа. Именно это дало жизнь децентрализации сетей.
Решение проблемы византийских генералов
До Биткоина и Консенсуса Накамото распределенные системы сталкивались с настоящей головной болью. Проблема византийских генералов. Этот хорошо известный парадокс в информатике иллюстрирует сложность достижения надежного консенсуса в сети, где определенные участники могут сыграть «ва-банк».
Чтобы вам было проще понять: представьте себе отряд византийских генералов. Они должны координировать нападение на город. Каждый генерал командует армией, дислоцированной в другом регионе. Чтобы добиться успеха, все они должны договориться о точном моменте атаки. Но, вот в чем загвоздка: некоторые генералы могут оказаться предателями. Они отправляют ложную информацию, чтобы саботировать миссию. Задача состоит в том, чтобы найти способ, позволяющий лояльным генералам прийти к консенсусу, несмотря на предателей.
Эта проблема ясно показывает сложность поддержания согласованности и надёжности информации в децентрализованной сети. Это особенно актуально, когда некоторые узлы могут быть скомпрометированы.
В эпоху до появления биткоинов существующие решения, такие как «системы византийской отказоустойчивости (BFT)», часто основывались на методах, которые не были легко масштабируемыми. Они часто требовали весьма значительной координации между узлами и сложных протоколов голосования.
Консенсус Накамото предоставил революционное решение этой неприятной проблемы. Это решение основано на двух ключевых концепциях. Proof-of-Work (PoW) и правило самой длинной цепочки.
Ниже мы рассмотрим эти понятия более подробно.
Роль Proof-of-Work (PoW) в консенсусе Накамото
Доказательство работы (PoW) – это механизм консенсуса, используемый в сетях блокчейнов для проверки транзакций и защиты блокчейна. Представленный Сатоши Накамото как часть Биткоина, PoW требует от участников сети, называемых майнерами, решения сложных криптографических задач. Этот процесс решения требует значительных вычислительных мощностей. Это делает попытки манипулировать сетью дорогостоящими и непрактичными.
Основной принцип PoW основан на простой идее. Решение этих головоломок должно быть трудным и требовать усилий (отсюда и термин «доказательство работы»). Но, проверка решения должна быть простой для других участников сети. Это гарантирует, что майнеры вкладывают значительные ресурсы в проверку блоков. При этом любой узел сети может быстро проверить обоснованность предлагаемых решений.
Процесс майнинга лежит в основе механизма PoW. Он проходит в несколько этапов:
- Проверка транзакций: майнеры собирают неподтвержденные транзакции, транслируемые в сети. Они группируют их в блок-кандидат.
- Решение криптографической головоломки. Чтобы добавить блок в блокчейн, майнеры должны решить сложную математическую головоломку, называемую «хэшем». Эта головоломка включает в себя поиск числа (называемого nonce), которое при добавлении к содержимому блока и хэшировании даёт результат, соответствующий определенным критериям сложности. Этот шаг требует большого количества проб и ошибок. Это потребляет много вычислительной мощности.
- Добавление блока в блокчейн: как только майнер находит правильное решение, он транслирует блок и решение в сеть. Остальные узлы быстро проверяют достоверность решенной головоломки. Если решение верное, блок добавляется в блокчейн. Затем майнер получает право предложить следующий блок.
- Вознаграждения и комиссии за транзакции. Майнер, который успешно добавляет блок в блокчейн, получает вознаграждение в виде вновь созданных биткоинов, а также комиссию за транзакции, связанные с транзакциями, включенными в блок.
Идеально продуманный механизм вознаграждений
Да, финансовые стимулы важны для мотивации майнеров участвовать в сети и обеспечивать ее безопасность.
Вознаграждения для майнеров бывают двух основных форм:
- Награда за блок: майнеры получают фиксированное количество вновь созданных биткоинов каждый раз, когда они добавляют новый блок в блокчейн. Это вознаграждение уменьшается с течением времени по заранее установленному графику, пока общее количество биткойнов не достигнет 21 миллиона.
- Комиссия за транзакцию: в дополнение к вознаграждению за блок майнеры взимают комиссию за транзакцию, уплачиваемую пользователями за включение их транзакций в блок. Эти комиссии становятся всё более важным источником дохода по мере уменьшения вознаграждения за блок.
Как вы уже поняли, стимулы создают конкурентную среду, в которой майнеры мотивированы честно использовать свои ресурсы. Таким образом, они защищают сеть и проверяют транзакции. Эта бизнес-модель гарантирует, что майнеры будут заинтересованы в поддержании целостности сети. Любая попытка обмана приведет к большим затратам и финансовым потерям.
Правило самой длинной цепочки
Правило самой длинной цепочки гласит, что среди нескольких конкурирующих блокчейнов действующей версией блокчейна считается тот, в котором накоплено больше всего работы (другими словами, самая длинная цепочка).
Это означает, что майнеры и сетевые узлы всегда принимают цепочку с наибольшим количеством проверенных блоков, поскольку она представляет собой крупнейшие инвестиции в вычислительную мощность и ресурсы. Короче говоря, это было то, что требовало наибольших усилий.
Форки или «бифуркации» возникают, когда два майнера почти одновременно находят действительные решения для новых блоков. Это создает две разные версии блокчейна. Здесь вмешивается правило самой длинной цепочки, чтобы «разрезать» и сохранить связность сети.
Давайте посмотрим, как это работает:
- Идентификация развилок. Когда возникает развилка, появляются две конкурирующие цепи. Каждый майнер должен выбрать, над какой цепочкой ему работать.
- Расширение самой длинной цепочки: майнеры продолжают добывать и добавлять блоки в цепочку, которую они считают самой длинной. Со временем одна цепочка будет получать больше блоков, чем другая, поскольку майнеры склонны концентрировать свои усилия на цепочке, в которой уже накоплено больше работы.
- Отказ от более короткой цепочки. В конечном итоге, более длинная цепочка превзойдёт конкурирующую цепочку с точки зрения количества блоков и накопленной работы. Сетевые узлы отбросят более короткую цепочку. Все транзакции, которые туда были включены, затем будут реинтегрированы в самую длинную цепочку.
Этот механизм гарантирует, что блокчейн останется уникальным и согласованным даже в случае временных форков. Это также поощряет майнеров сотрудничать, чтобы расширить самую длинную цепочку.
Почти надёжная защита от атак:
Правило самой длинной цепочки также играет жизненно важную роль в защите сети от различных атак, особенно от атак 51%.
Атака 51% происходит, когда злоумышленнику удаётся контролировать более 50% общей вычислительной мощности сети, что позволяет ему создать более длинную цепочку и потенциально аннулировать прошлые транзакции.
Каковы проблемы, связанные с Консенсусом Накамото
- Потребление энергии: PoW требует большого количества вычислительной мощности. Иногда его нергопотребление конкурирует с потреблением энергии в некоторых небольших странах. Можете ли вы представить себе углеродный след сетей, использующих PoW, таких как Биткоин? Это реальная проблема для исследователей и учёных.
- Масштабируемость: сеть Биткоин имеет свои ограничения. Он может обрабатывать около 7 транзакций в секунду. Этого недостаточно для широкого внедрения. Сравните это с традиционными платёжными системами, такими как Visa, которые могут обрабатывать тысячи транзакций в секунду. Мы очень далеки от цели.
Впрочем, не всё потеряно. Появились инновационные решения, такие как «Lightning Network». Это уровень 2, который обеспечивает быстрые и недорогие транзакции. Как? Путём создания «внесетевых платёжных каналов» между пользователями.
- Риск централизации: существует также риск, пускай и минимальный, централизации. В основном, это происходит через майнинг-пулы. Что такое майнинг-пул? Это группа майнеров , которые объединяют усилия для решения расчетов PoW и получения вознаграждений. Однако, если несколько пулов будут контролировать большую долю общей вычислительной мощности, они теоретически могут проводить атаки, подобные атаке 51%. Но, давайте будем реалистами: это остаётся очень теоретическим и технически маловероятным.
В конечном итоге, мы можем заключить, что Консенсус Накамото представляет собой более чем важный шаг вперед в мире блокчейнов. Он гарантирует безопасность и целостность блокчейнов, позволяя заключать соглашения без центрального органа. Без этого консенсуса не было бы блокчейнов, по крайней мере, тех, которые мы знаем сейчас.
