Алгоритми консенсусу Proof of Work (PoW) і Proof of Stake (PoS)

Алгоритми консенсусу являють собою набір правил і протоколів, які використовуються для того, щоб усі вузли в розподіленій мережі були згодні з її станом. 

Розподілена мережа - це сукупність вузлів, які працюють разом для виконання будь-якого завдання, наприклад, обробки транзакцій або зберігання даних. Кожен вузол у мережі має копію даних, і їм необхідно узгодити її стан, щоб забезпечити надійність і безпеку.

Проблема візантійських генералів добре відповідає на це питання. Це експеримент, який досліджує складність досягнення консенсусу в розподіленій мережі, коли деякі вузли несправні або корумповані. 

Згідно зі сценарієм, група візантійських генералів планує атакувати місто. Щоб домогтися успіху, вони повинні скоординувати свою атаку і вирішити, атакувати чи відступити. Однак генерали перебувають у різних частинах міста і можуть спілкуватися тільки через посильних. Деякі з генералів вірні, але є і зрадники, які хочуть підірвати успіх атаки. Зрадники можуть надсилати неправдиві повідомлення або змінювати повідомлення, надіслані вірними генералами.

Проблема в тому, що генералам необхідно дійти єдиної думки про те, атакувати чи відступити, але вони не можуть довіряти повідомленням, які отримують від інших генералів. Завдання полягає в тому, щоб знайти спосіб, що дає змогу генералам домовитися про план дій, незважаючи на наявність несправних або шкідливих вузлів.

Алгоритми консенсусу забезпечують вирішення проблеми, гарантуючи, що всі вузли в мережі згодні з єдиною версією істини. Для досягнення цієї мети алгоритми консенсусу використовують процес, який дозволяє вузлам досягти консенсусу, навіть якщо деякі вузли несправні або зловмисні.

Потрібно, щоб певна кількість вузлів погодилася з повідомленням, перш ніж воно вважатиметься дійсним. Цей поріг відомий як "кворум", і він гарантує, що повідомлення вважатиметься дійсним, тільки якщо достатня кількість вузлів згодні з ним. Такий підхід ускладнює зловмисникам маніпулювати станом мережі, оскільки для цього необхідно контролювати більшість вузлів мережі.

На поточний момент популярність двох алгоритмів консенсусів - PoW і PoS - приблизно однакова.

Proof of Work - це найвідоміший алгоритм, який використовується в багатьох інших криптовалютах, включно з Bitcoin. Під час роботи, вузли мережі займаються розв'язанням математичної задачі для валідації транзакцій і додавання їх у мережу. PoW є ресурсномістким процесом, тому зловмисникам складно і дорого маніпулювати даними.

Проекти, що працюють на PoW:

• Bitcoin - перша і найпопулярніша криптовалюта у світі. Майнери використовують потужності комп'ютерів, серверів та іншого обладнання для розв'язання складних математичних задач, щоб підтвердити транзакції та додати блоки, які знову надходять, до блокчейну. 
• Litecoin - криптовалюта, схожа на Bitcoin, але з деякими ключовими відмінностями. Litecoin використовує алгоритм Scrypt, який був спеціально розроблений для того, щоб зробити майнінг доступнішим для звичайних користувачів.
• Bitcoin Cash - хард форк біткоїна, який був створений у 2017 році. PoW, який використовується в Bitcoin Cash, такий самий, як і в Bitcoin, з тим самим часом генерації блоку і структурою винагороди.
• Monero - криптовалюта, орієнтована на конфіденційність. Використовує алгоритм PoW під назвою CryptoNight. Він розроблений таким чином, щоб не займати багато пам'яті та бути стійким до ASIC.

Замість того, щоб вимагати від вузлів розв'язання математичного завдання, Proof of Stake вимагає від вузлів зробити ставку у вигляді певної кількості криптовалюти для підтвердження транзакцій. Подібний підхід знижує ресурсоємність PoW, але вимагає значної кількості криптовалюти для участі в мережі.

Приклади проєктів:

• Ethereum - друга за масштабом криптовалюта, яка здійснила перехід від PoW до PoS. В Ethereum 2.0 валідатори, які володіють певною кількістю ETH, закладають свої монети як заставу для участі в мережі.
• Cardano - валідатори обираються на основі монет, якими вони володіють, та їхньої репутації в мережі. Процес відбору визначається поєднанням випадкового вибору та оцінки репутації.
• Polkadot - мережа блокчейн, яка забезпечує взаємодію між різними мережами блокчейн. Алгоритм PoS Polkadot називається "Nominated Proof of Stake", який дає змогу власникам токенів призначати валідаторів для участі у виробництві блоків.
• Cosmos - децентралізована мережа, яка забезпечує зв'язок і взаємодію між різними мережами блокчейн. Cosmos використовує алгоритм консенсусу PoS, де валідаторів обирають на основі кількості ATOM, якими вони володіють, та їхньої репутації.

Переваги PoW

• PoW вважається одним із найбезпечніших алгоритмів консенсусу, оскільки він вимагає значних обчислювальних потужностей для розв'язання складних математичних задач для підтвердження транзакції. Зловмиснику необхідно мати понад 51% обчислювальної потужності, щоб змінити історію транзакцій.
• PoW забезпечує децентралізацію, дозволяючи будь-якій людині, яка має комп'ютер і підключення до Інтернету, брати участь у роботі мережі. Це означає, що мережа не контролюється центральним органом, що робить її більш демократичною і прозорою.
• PoW стимулює майнерів підтримувати мережу, винагороджуючи їх новими монетами, коли вони успішно підтверджують блок. Ця модель стимулювання довела свою успішність у мотивації майнерів інвестувати в обладнання та електроенергію, необхідні для участі в роботі мережі.

Недоліки PoW

• PoW вимагає значної кількості обчислювальної потужності для підтвердження транзакцій, що призводить до високого рівня споживання енергії.
• Оскільки процес майнінгу стає все більш конкурентним, майнінгові пули з більшою обчислювальною потужністю мають більше шансів підтвердити блок.
• PoW може зіткнутися з проблемами масштабованості в міру зростання мережі, що призводить до уповільнення часу транзакцій і збільшення комісії. Це пов'язано з тим, що кожна транзакція має бути підтверджена обчислювальною потужністю мережі, що стає дедалі складніше в міру зростання.
• Для PoW потрібне спеціалізоване продуктивне обладнання, придбання та обслуговування якого може бути дорогим. Це може стати бар'єром на шляху нових майнерів, які не можуть дозволити собі інвестувати в необхідне обладнання.

Переваги PoS

• PoS споживає значно менше енергії, ніж PoW, оскільки не вимагає від майнерів розв'язання складних математичних задач для підтвердження транзакцій. Замість цього валідатори обираються на основі кількості криптовалюти, якою вони володіють, що робить цей алгоритм консенсусу більш енергоефективним.
• PoS забезпечує децентралізацію, дозволяючи будь-якій людині з криптовалютою брати участь у мережі. Це означає, що мережа не контролюється центральним органом, що робить її більш демократичною і прозорою.

Недоліки PoS

• PoS критикують за централізацію багатства в руках кількох людей, які володіють великими обсягами криптовалюти. Це відбувається тому що валідаторів обирають на основі кількості криптовалюти, якою вони володіють. Це означає, що ті, у кого більше криптовалюти, мають більше шансів бути обраними в ролі валідаторів.
• PoS часто критикують за меншу безпеку, ніж PoW, оскільки зловмиснику легше придбати велику кількість криптовалюти, ніж отримати обчислювальну потужність, необхідну для атаки на мережу PoW. Це означає, що мережа більш вразлива для атак зловмисників.

Як PoW, так і PoS мають свої сильні і слабкі сторони, і їх придатність залежить від конкретних цілей і вимог конкретної блокчейн-мережі. Важливо, щоб розробники і зацікавлені сторони ретельно враховували ці фактори при виборі алгоритму консенсусу для своїх проектів. Крім того, постійні дослідження і розробки в області алгоритмів консенсусу, ймовірно, приведуть до появи нових підходів, які усувають обмеження існуючих рішень, сприяючи подальшим інноваціям в екосистемі блокчейн.