Механизмы консенсуса: proof of work, proof of stake и другие модели

Любой блокчейн должен решать одну и ту же фундаментальную задачу: как сеть без центрального органа управления приходит к единой общей истории транзакций? Ответ — механизм консенсуса, и от его выбора зависит почти всё остальное в устройстве цепи: во сколько обойдётся атака на неё, кто может добавлять блоки и можно ли вообще майнить эту монету. В этом материале сравниваются основные семейства механизмов консенсуса, используемые сегодня.

Proof of work: согласие, купленное энергией

Proof of work (доказательство работы), на котором работают Bitcoin, Litecoin, Dogecoin, Bitcoin Cash и Ethereum Classic, защищает цепь тем, что заставляет майнеров тратить реальные вычислительные мощности — а значит, и реальную энергию — на добавление каждого блока. Майнеры многократно хешируют блоки-кандидаты, пока один из них не даст результат ниже целевого значения сложности. Найти его короткого пути не существует; единственный метод — перебор огромного числа вариантов, и именно в этом весь смысл. Именно эти издержки делают переписывание истории запредельно дорогим: атакующему пришлось бы проделать всю эту работу заново быстрее, чем честная сеть производит новые блоки.

Механизм намеренно расточителен, и эта «расточительность» — не изъян модели безопасности, а сама её суть. Это также означает, что безопасность proof of work масштабируется вместе с реальными капитальными вложениями в оборудование и электроэнергию — фактор, который можно проверить извне и который трудно подделать: можно наблюдать хешрейт сети и примерно оценить, во сколько обойдётся атака на неё.

Proof of stake: согласие, купленное капиталом под риском

Proof of stake (доказательство доли) заменяет вычисления капиталом. Валидаторы вносят монеты в качестве залога вместо покупки оборудования, а сеть выбирает, кто предлагает и подтверждает каждый блок, пропорционально размеру внесённой доли. Ethereum перешёл с proof of work на proof of stake в сентябре 2022 года, и сейчас это доминирующий механизм для крупных платформ смарт-контрактов.

Аргумент в пользу безопасности здесь другой, но структурно схож с proof of work: чтобы всерьёз атаковать сеть, атакующему нужно контролировать значительную долю застейканного капитала, а за недобросовестное поведение или серьёзный простой предусмотрен слэшинг — протокол уничтожает часть доли валидатора. Это делает атаку саморазрушительной напрямую и механически, а не просто экономически невыгодной. Для запуска валидатора нужен надёжный сервер и минимальный размер доли, поэтому большинство держателей токенов делегируют свои монеты чужому валидатору, а не запускают собственный.

Другие семейства: федеративные модели и списки валидаторов

Proof of work и proof of stake — два доминирующих семейства, но не единственные. Stellar использует модель федеративного согласия, в которой каждый узел сам выбирает набор других узлов, которым доверяет, а консенсус возникает из пересекающихся доверительных связей, а не из единого глобального расчёта доли или хешрейта. XRP Ledger использует модель списка валидаторов, в которой заранее определённый набор валидаторов — выбранных участниками сети, а не по доле или работе — согласовывает порядок транзакций.

Обе модели жертвуют частью «разрешения не требуется, участвовать может кто угодно», присущего proof of work и proof of stake, в обмен на более быструю финальность и меньшее потребление ресурсов. Какой компромисс правильный, зависит от того, что именно оптимизирует сеть: расчётная сеть, которая ставит во главу угла скорость и низкую стоимость, исходит из иных предпосылок, чем цепь, чья главная задача — быть максимально устойчивой к получению контроля какой-либо одной стороной.

Почему этот выбор — основополагающий

Механизм консенсуса цепи — это не техническая деталь, скрытая под пользовательскими функциями, а решение, на котором строится всё остальное. Именно он определяет, можно ли майнить монету в традиционном смысле, что именно атакующему нужно приобрести, чтобы угрожать сети, и насколько децентрализованным реально может оставаться со временем состав производителей блоков. При оценке любой цепи механизм консенсуса — одна из первых вещей, которую стоит понять, поскольку именно на этом допущении держатся все остальные заявления системы о безопасности.