Является ли основанный на доказательстве работы (PoW) механизм консенсуса биткойна оптимальным? Исследователи Bitfury в недавно опубликованной работе сравнивают PoW с наиболее часто предлагаемой ему альтернативой — доказательством доли (PoS).
В основе любой криптовалюты лежит блокчейн — распределенная база данных, где хранится вся история транзакций. Каждый узел сети имеет свою копию блокчейна, и эта копия постоянно синхронизуется между узлами, чтобы достигнуть консенсуса относительно того, какие транзакции состоялись. Однако, все эти узлы анонимны, не имеют репутации, и поэтому не заслуживают доверия или даже вообще могут быть зловредными — работать против сети. Например, атакующий может потратить определенную сумму денег, а затем обратить транзакцию путем распространения своей собственной версии блокчейна, которая не включает эту транзакцию (атака двойной траты).
Любая реализация криптовалюты должна быть способна защитить блокчейн от подобной, или других возможных атак. В Биткойне безопасность сети полагается на алгоритм доказательства работы (PoW) в форме майнинга блоков. Каждый узел, желающий принимать участие в майнинге, должен решить вычислительно сложную задачу, чтобы гарантировать действительность нового блока; награда за это решение выплачивается в виде новых биткойнов.
Именно эти вычисления, требуемые для добавления нового блока, защищают сеть от атаки. Ведь атакующий должен решать те же задачи, что и вся оставшаяся часть сети, то есть атака будет успешной, только если атакующий сможет привлечь значительные вычислительные ресурсы.
Таким образом, безопасность сети Биткойн поддерживается физически ограниченными ресурсами, такими как специализированное оборудование для проведения вычислений и электричество, необходимое для работы этого оборудования. Это, конечно, прекрасно, но имеет и свою оборотную сторону. А именно, делает Биткойн неэффективным с точки зрения потребления ресурсов. Ведь для увеличения своей доли вознаграждения, майнеры вынуждены участвовать в своеобразной «гонке вооружений» — использовать всё больше оборудования и электричества для майнинга.
С одной стороны, это делает стоимость атаки на Биткойн непомерно высокой. С другой, по мнению многих, это может в перспективе создать экологические проблемы. Такая ситуация привела к появлению множества предложений «улучшить» механизм консенсуса Биткойна — предложить ему альтернативы, которые требуют намного меньше ресурсов.
Одним из старейших (и к тому же наиболее проработанных и популярных) предложений подобного рода является механизм консенсуса, основанный на подтверждения доли (Proof of Stake, PoS). Идея подтверждения доли довольно проста: вероятность создать новый блок и получить соответствующее вознаграждение пропорциональна доле владения пользователя в системе (а не объему вычислительной мощности, как в PoW). То есть, держатель валюты, имеющий, скажем, 20% от общего числа монет в обороте, может создать новый блок с вероятностью 20%. Чтобы подчеркнуть отличие от PoW майнинга, в PoS системах процесс создания новых блоков обычно называют минтингом («чеканка» блоков).
Логическое обоснование состоятельности алгоритма подтверждения доли заключается в следующем: пользователи с наибольшими долями в системе более всех заинтересованы в поддержании безопасности сети. Поскольку они больше всего пострадают в случае, если репутация и стоимость криптовалюты упадет в результате атак. Чтобы провести успешную атаку, злоумышленник должен приобрести большую часть валюты, а это будет непомерно дорого, если система будет достаточно популярной.
Казалось бы, идеальное решение, какие тут могут быть проблемы? Однако, как оказалось, не все так просто. Дело в том, что при отказе от вычислительной мощности в качестве объективного «критерия истины» в достижении консенсуса, возникают многочисленные негативные побочные эффекты. Некоторые из них очевидны — так, в случае чистого PoS, невозможно достигнуть свободного первоначального распределения монет — все монеты «создаются» или могут быть получены лишь от существующих участников системы. Некоторые эффекты более тонкие и неочевидные, но создают не менее значимые практические проблемы.
Изучению этих проблем и сравнению преимуществ и недостатков PoW и PoS систем посвящена недавно опубликованная работа исследователей Bitfury, которую мы хотели бы вам представить. В работе изучается, является ли механизм консенсуса в виде подтверждения доли более чувствительным по отношению к различного вида атакам, чем консенсус, основанный на PoW. Исследователи изучили различные реализации PoS криптовалют и описали характерные для них проблемы.
К сожалению, вывод работы не слишком утешителен для сторонников альтернативных механизмов консенсуса — исследование показало, что все существующие реализации подтверждения доли являются уязвимыми для серьезных атак, которые крайне маловероятны для Биткойна и других PoW систем. Модифицированная атака Сибиллы, двойной минтинг (поведение, которое в случае форка сети стимулирует пользователей работать сразу над обеими вариантами блокчейна), «дальняя атака», «атака взятками», «атака предвычислением», «атака накопления» — вот только некоторые из тех способов, которыми может быть выведен из строя консенсус PoS систем.
Хотя некоторые описанные в работе системы и пытаются бороться с подобными атаками, в ряде случаев, «решение» оказывается чуть ли не хуже проблемы (как, например, в случае блокчейн-чекпойнтов, вводящих в систему неизбежный элемент централизации). Есть некоторые перспективные направления для улучшения PoS систем (например, системы делегатов или системы с залогом), но они пока еще недостаточно проработаны на практике.
Так что, несмотря на «экологическую недружелюбность», доказательство работ PoW продолжает оставаться золотым стандартом в обеспечении безопасности блокчейнов, и достойной альтернативы ему пока что нет.
Полную версию исследовательской работы можно изучить здесь:
View this document on Scribd
Перевод работы сделан при содействии проекта #takemybitcoin.
Источник: https://bitfeed.ru/kakoj-mehanizm-konsensusa-predpochtitelen-dlya-kriptovalyut/