Алгоритмы консенсуса Proof of Work (PoW) и Proof of Stake (PoS)

Алгоритмы консенсуса представляют собой набор правил и протоколов, которые используются для того, чтобы все узлы в распределенной сети были согласны с ее состоянием. 

Распределенная сеть - это совокупность узлов, которые работают вместе для выполнения какой-либо задачи, например, обработки транзакций или хранения данных. Каждый узел в сети имеет копию данных, и им необходимо согласовать ее состояние, чтобы обеспечить надежность и безопасность.

Проблема византийских генералов хорошо отвечает на данный вопрос. Это эксперимент, который исследует сложность достижения консенсуса в распределенной сети, когда некоторые узлы неисправны или коррумпированы. 

Согласно сценарию, группа византийских генералов планирует атаковать город. Чтобы добиться успеха, они должны скоординировать свою атаку и решить, атаковать или отступить. Однако генералы находятся в разных частях города и могут общаться только через посыльных. Некоторые из генералов верны, но есть и предатели, которые хотят подорвать успех атаки. Предатели могут посылать ложные сообщения или изменять сообщения, отправленные верными генералами.

Проблема в том, что генералам необходимо прийти к единому мнению о том, атаковать или отступить, но они не могут доверять сообщениям, которые получают от других генералов. Задача состоит в том, чтобы найти способ, позволяющий генералам договориться о плане действий, несмотря на наличие неисправных или вредоносных узлов.

Алгоритмы консенсуса обеспечивают решение проблемы, гарантируя, что все узлы в сети согласны с единой версией истины. Для достижения этой цели алгоритмы консенсуса используют процесс, который позволяет узлам достичь консенсуса, даже если некоторые узлы неисправны или злонамеренны.

Требуется, чтобы определенное количество узлов согласилось с сообщением, прежде чем оно будет считаться действительным. Этот порог известен как "кворум", и он гарантирует, что сообщение будет считаться действительным, только если достаточное количество узлов согласны с ним. Такой подход затрудняет злоумышленникам манипулировать состоянием сети, поскольку для этого необходимо контролировать большинство узлов сети.

На текущий момент популярность двух алгоритмов консенсусов - PoW и PoS - примерно одинаковая.

Proof of Work - это наиболее известный алгоритм, используемый во многих других криптовалютах, включая Bitcoin. При работе,  узлы сети занимаются решением математической задачи для валидации транзакций и добавления их в сеть. PoW является ресурсоемким процессом, поэтому злоумышленникам сложно и дорого манипулировать данными.

Проекты, работающие на PoW:

• Bitcoin - первая и самая популярная криптовалюта в мире. Майнеры используют мощности компьютеров, серверов и другого оборудования для решения сложных математических задач, чтобы подтвердить транзакции и добавить вновь поступающие блоки в блокчейне. 
• Litecoin - криптовалюта, похожая на Bitcoin, но с некоторыми ключевыми отличиями. Litecoin использует алгоритм Scrypt, который был специально разработан для того, чтобы сделать майнинг более доступным для обычных пользователей
• Bitcoin Cash - хард форк биткоина, который был создан в 2017 году. PoW, используемый в Bitcoin Cash, такой же, как и в Bitcoin, с тем же временем генерации блока и структурой вознаграждения.
• Monero - криптовалюта, ориентированная на конфиденциальность. Использует алгоритм PoW под названием CryptoNight. Он разработан таким образом, чтобы не занимать много памяти и быть устойчивым к ASIC.

Вместо того, чтобы требовать от узлов решения математической задачи, Proof of Stake требует от узлов сделать ставку в виде определенного количества криптовалюты для подтверждения транзакций. Подобный подход снижает ресурсоемкость PoW, но требует значительного количества криптовалюты для участия в сети.

Примеры проектов:

• Ethereum - вторая по масштабу криптовалюта, которая осуществила переход от PoW к PoS. В Ethereum 2.0 валидаторы, владеющие определенным количеством ETH, закладывают свои монеты в качестве залога для участия в сети.
• Cardano - валидаторы выбираются на основе монет, которыми они владеют, и их репутации в сети. Процесс отбора определяется сочетанием случайного выбора и оценки репутации.
• Polkadot - сеть блокчейн, которая обеспечивает взаимодействие между различными сетями блокчейн. Алгоритм PoS Polkadot называется "Nominated Proof of Stake", который позволяет держателям токенов назначать валидаторов для участия в производстве блоков.
• Cosmos - децентрализованная сеть, которая обеспечивает связь и взаимодействие между различными сетями блокчейн. Cosmos использует алгоритм консенсуса PoS, где валидаторы выбираются на основе количества ATOM, которыми они владеют, и их репутации.

Преимущества PoW

• PoW считается одним из самых безопасных алгоритмов консенсуса, поскольку он требует значительных вычислительных мощностей для решения сложных математических задач для подтверждения транзакции. Злоумышленнику необходимо иметь более 51% вычислительной мощности, чтобы изменить историю транзакций.
• PoW обеспечивает децентрализацию, позволяя любому человеку, имеющему компьютер и подключение к Интернету, участвовать в работе сети. Это означает, что сеть не контролируется центральным органом, что делает ее более демократичной и прозрачной.
• PoW стимулирует майнеров поддерживать сеть, вознаграждая их новыми монетами, когда они успешно подтверждают блок. Эта модель стимулирования доказала свою успешность в мотивации майнеров инвестировать в оборудование и электроэнергию, необходимые для участия в работе сети.

Недостатки PoW

• PoW требует значительного количества вычислительной мощности для подтверждения транзакций, что приводит к высокому уровню потребления энергии.
• Поскольку процесс майнинга становится все более конкурентным, майнинговые пулы с большей вычислительной мощностью имеют больше шансов подтвердить блок.
• PoW может столкнуться с проблемами масштабируемости по мере роста сети, что приводит к замедлению времени транзакций и увеличению комиссии. Это связано с тем, что каждая транзакция должна быть подтверждена вычислительной мощностью сети, что становится все сложнее по мере роста.
• Для PoW требуется специализированное производительное оборудование, приобретение и обслуживание которого может быть дорогостоящим. Это может стать барьером на пути новых майнеров, которые не могут позволить себе инвестировать в необходимое оборудование.

Преимущества PoS

• PoS потребляет значительно меньше энергии, чем PoW, поскольку не требует от майнеров решения сложных математических задач для подтверждения транзакций. Вместо этого валидаторы выбираются на основе количества криптовалюты, которой они владеют, что делает этот алгоритм консенсуса более энергоэффективным.
• PoS обеспечивает децентрализацию, позволяя любому человеку с криптовалютой участвовать в сети. Это означает, что сеть не контролируется центральным органом, что делает ее более демократичной и прозрачной.

Недостатки PoS

• PoS критикуют за централизацию богатства в руках нескольких человек, владеющих большими объемами криптовалюты. Это происходит потому что валидаторы выбираются на основе количества криптовалюты, которой они владеют. Это означает, что те, у кого больше криптовалюты, имеют больше шансов быть выбранными в роли валидаторов.
• PoS часто критикуют за меньшую безопасность, чем PoW, так как злоумышленнику легче приобрести большое количество криптовалюты, чем получить вычислительную мощность, необходимую для атаки на сеть PoW. Это означает, что сеть более уязвима для атак злоумышленников.

И PoW, и PoS имеют свои сильные и слабые стороны, и их пригодность зависит от конкретных целей и требований конкретной сети блокчейн. Разработчикам и заинтересованным сторонам важно тщательно учитывать эти факторы при выборе алгоритма консенсуса для своих проектов. Кроме того, продолжающиеся исследования и разработки в области алгоритмов консенсуса, вероятно, приведут к появлению новых подходов, которые устранят ограничения существующих решений, способствуя дальнейшим инновациям в экосистеме блокчейн.