(Escrito por Elliot Hill da Fundação Cardano e traduzido por Bosco Cardosco)
Os mecanismos de consenso são essenciais para que todas as partes concordem em uma única história imutável de uma blockchain, para cunhar novos blocos e para manter o protocolo como um todo.
Os dois principais métodos de consenso usados hoje são baseados em mecanismos de Prova de Trabalho (PoW) ou de Prova de Interesse (PoS), que influenciaram muitos outros tipos de métodos de consenso semelhantes.
Aqui, seguindo a bifurcação bem-sucedida de Cardano para uma blockchain de PoS, nos aprofundamos na história dos mecanismos de consenso, suas limitações e como Cardano resolve algumas das questões de consenso mais pertinentes por meio de Ouroboros - o algoritmo de PoS mais avançado tecnicamente até hoje.
Também examinaremos como a abordagem de Cardano ao consenso torna os contratos inteligentes e aplicativos descentralizados (DApp) mais seguros do que nunca.
Prova de Trabalho (PoW)
A prova de trabalho foi implementada pela primeira vez na blockchain como a conhecemos hoje por meio da Bitcoin em 2008. No entanto, seus alicerces estão na pesquisa criptográfica muito mais antiga do que a própria tecnologia do blockchain, e entender a origem do PoW pode nos ajudar a entender a tecnologia de razão distribuída como um todo.
Descrita pela primeira vez por Cynthia Dwork e Moni Naor em 1993 como uma técnica computacional para combater o lixo eletrônico, a teoria básica por trás dos primeiros sistemas PoW era exigir que os participantes do ecossistema calculassem um problema matemático moderadamente difícil, mas não impossível, para participar de um recurso ou rede - desencorajando o uso frívolo.
Hoje, uma rápida olhada em sua pasta de lixo eletrônico pode revelar que o PoW encontrou seu nicho mais significativo não na prevenção de spam, mas em facilitar a criação da tecnologia de blockchain, evitando gastos duplos por meio de Hashcash, parte do algoritmo de mineração eventualmente usado pela Bitcoin.
Em 1999, os criptógrafos Markus Jakobsson e Ari Juels formalizaram a noção de PoW, definindo-a como uma verificação de que os participantes realizaram uma determinada quantidade de trabalho computacional em um determinado intervalo de tempo, caso em que lhes foi concedido acesso a um recurso - representado como uma recompensa em bloco em blockchains de PoW.
Alguns anos depois, o falecido criptógrafo Hal Finney construiu o primeiro e-money digital usando uma iteração do PoW que teve uso econômico limitado. No entanto, pouco menos de uma década depois, Finney foi o primeiro a receber Bitcoin, a blockchain funcional PoW original construída pelo anônimo Satoshi Nakamoto - ainda a maior criptomoeda por capitalização de mercado hoje.
PoW deu origem a mineradores de criptomoedas, que usam poderosos hardware de computação para resolver problemas criptográficos e validar blocos em troca de recompensas por blocos. Desde então, a mineração de criptografia se tornou um grande negócio, alimentando os mercados de criptomoedas e a indústria como um todo.
Não está claro se esses pioneiros da criptografia tinham alguma ideia do que Bitcoin e o resto da indústria de blockchain se tornariam. No entanto, a teoria acadêmica lançou as bases para mecanismos de consenso e algoritmos de hash como os conhecemos hoje, mesmo para aqueles protocolos que evoluíram além do PoW.
Além de Bitcoin, a PoW é usado como mecanismo de consenso para mais de 75% dos blockchains hoje, incluindo Litecoin, Ethereum, Bitcoin Cash, Monero, Dogecoin e muitos mais. Mas, só porque é o primeiro, não significa necessariamente que seja o melhor. Vamos explorar algumas limitações do PoW.
Problemas com PoW
Apesar de sua utilidade para evitar gastos duplos, há uma série de questões teóricas e comprovadas com o consenso PoW, que incluem:
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Ineficiência Energética - PoW requer grandes quantidades de energia para alimentar o hardware de computação necessário para minerar blocos, o que representa uma enorme carga ambiental. Pesquisa publicada em 2019 estimou que a rede de mineração de Bitcoin sozinha consumia pelo menos 40 TWh de eletricidade por ano, possivelmente até 62 TWh - comparável com as necessidades de energia de toda a nação da Suíça.
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Consolidação da Taxa de Hash - em teoria, um punhado relativamente pequeno de mineradores ou grupos de mineração adequadamente bem financiados poderia se tornar responsável pela maior parte da taxa de hash em um sistema PoW. O risco de consolidação de hash torna toda a rede mais centralizada, já que um número relativamente pequeno de mineradoras é responsável pela mineração de novos blocos.
Prova de Interesse (PoS)
Como examinaremos em detalhes a seguir, Cardano é uma blockchain PoS. Os protocolos de PoS são organizados em rodadas, e a maioria das blockchains de PoS simplesmente percorre os produtores de bloco quando se trata de cunhar um novo bloco em uma seleção de tipo round-robin.
Em vez disso, algumas blockchains de PoS, como examinaremos a seguir, elegem líderes aleatoriamente para cada rodada ou slot, que são chamados de líderes de slot em Cardano. O componente algorítmico mais crítico é um procedimento de eleição de líder de slot, que determina um subconjunto de participantes com autoridade para adicionar um novo bloco ao blockchain durante cada rodada.
Os líderes de slot são escolhidos de acordo com sua “aposta” no protocolo, ou a parte dos tokens de protocolo que eles controlam em relação ao resto dos participantes de estaqueamento. Aqueles com apostas mais altas são mais propensos a serem escolhidos como líderes de slot e cunhar um novo bloco - daí o termo prova de aposta.
Crucialmente, o PoS usa uma fração da potência de hash - e, portanto, uma fração da eletricidade - que os algoritmos PoW consomem. A baixa necessidade de hashing e energia ocorre porque os líderes dos slots são escolhidos de acordo com sua participação no protocolo, ao contrário de quanta potência de hash física eles exercem.
Outras PoS Blockchains
Cardano é uma das blockchains de PoS mais recentes e avançados. Ainda assim, algumas outras blockchains foram pioneiras em seu uso no passado, algumas estão usando PoS e outras estão planejando implementá-lo no futuro:
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Peercoin - Fundada em 2012, a Peercoin foi a primeira blockchain a implementar PoS. Com base na base de código Bitcoin, Peercoin foi descrito em um white paper que apresentou a primeira cunhagem formal usando PoS com base na “idade” das moedas em uma rede.
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Tezos - como Cardano, Tezos tem uma rodada de produção de blocos chamada de ‘ciclo’. Tezos é construído em uma camada de consenso totalmente diferente de Cardano, apesar das semelhanças da camada superficial. Por exemplo, a Tezos tem um modelo de conta baseado em Ethereum em vez de um UTXO estendido como Cardano - que permite Hydra e suporte multi-ativo superior. A Tezos tem produtores de blocos, que eles chamam de ‘padeiros’ e participantes que concordam com novos blocos, chamados de ‘endossantes’. Os participantes do algoritmo de consenso PoS da Tezos recebem direitos de cozimento ou endossar direitos no início de cada ciclo usando uma semente aleatória calculada a partir de informações armazenadas na blockchain.
Problemas com PoS
Existem algumas questões teóricas associadas a PoS, muitas das quais eram problemáticas nas primeiras iterações de blockchains de PoS. Vamos explorar alguns deles aqui e examinaremos a seguir como Cardano os evita:
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O problema de “nada em jogo” - Ataques contra blockchain PoS podem ser facilitados por validadores, que continuam vários blockchains simultâneos, explorando o fato de que pouco esforço computacional é necessário para construir um blockchain PoS. Como a proteção da rede não tem um custo intrínseco como nos algoritmos PoW, isso pode resultar na construção de validadores em todos os bifurcações anteriores de uma blockchain de PoS para coletar taxas de transação em qualquer cadeia que acabe se tornando a mais usada. Isso pode prejudicar o consenso e deixar a rede mais ampla vulnerável.
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Ataques de Goldfinger - Nomeado em homenagem ao vilão de Bond que tentou destruir as reservas do Tesouro dos EUA, os ataques de Goldfinger buscam minar e desestabilizar o próprio protocolo de consenso para o ganho financeiro do atacante. Esses ataques podem assumir várias formas, como um ataque de compra, um ataque de suborno, ataques de aluguel ou ataque a edifícios, cada um com um modus operandi variável para o mesmo fim.
Consenso em Cardano
Seguindo a difícil bifurcação de Byron para Shelley, Cardano agora opera em Ouroboros Praos, um protocolo PoS que é o primeiro a ser comprovadamente seguro contra invasores adaptáveis e escalonável em um sentido verdadeiramente prático.
Na iconografia egípcia e helenística antiga, Ouroboros é uma cobra que se alimenta de si mesma que representa a renovação cíclica - particularmente apta para a maneira como funções aleatórias verificáveis são geradas durante uma época e usadas para eleger líderes de slots na época seguinte.
Ouroboros Praos fornece segurança contra corrupção totalmente adaptável no ambiente semissíncrono, o que significa que os adversários podem corromper qualquer parte interessada a qualquer momento sem que o blockchain subjacente seja afetado, desde que a distribuição das partes interessadas mantenha uma maioria honesta das partes interessadas - possível através das partes interessadas pools e delegação.
Os participantes são impedidos de exercer muito controle sobre a rede Cardano por meio de um ponto de saturação do pool, ou ‘K’, ponto no qual o pool teria retornos decrescentes por participar do consenso. Isso evita que um único ou um punhado de pools sejam escolhidos de forma desproporcional como líderes de slots e mantém o blockchain verdadeiramente descentralizado.
O projeto de pools de apostas e delegação em Cardano garante que o protocolo tenha uma capacidade muito maior de descentralização - incentivando a criação de milhares de pools de apostas e um número teoricamente ilimitado de delegados. Portanto, o algoritmo PoS de Cardano foi dito para “diminuir” cadeias concorrentes semelhantes de acordo com auditores de código independentes.
Como Cardano supera as limitações de PoS?
Cardano foi construído usando a mais recente pesquisa criptográfica, constantemente aprimorada por meio do rigor acadêmico e informado por quase 80 artigos de criptografia revisados por pares publicados pela IOHK.
Como resultado, muitas das limitações associadas ao consenso de PoS foram atenuadas ou totalmente evitadas, tornando Ouroboros Praos a iteração de PoS mais segura até o momento.
O problema de ‘Nada em jogo’ é resolvido por meio da análise de Cardano de strings garfáveis. Mesmo se um adversário aplicasse à força bruta todas as estratégias possíveis para bifurcar o blockchain Cardano no futuro próximo, não há estratégias que seriam financeiramente viáveis.
Da mesma forma, a regra de seleção de cadeia instrui os participantes a ignorar bifurcações muito profundas que se desviam do bloqueio que receberam da última vez que estiveram online.
Além de Shelley - contratos inteligentes, rendimento ideal e cadeias laterais (sidechains)
Shelley introduziu o PoS ao vivo na Cardano, mas há muitos outros benefícios do consenso do PoS na utilidade da blockchain Cardano mais amplo. Isso inclui contratos inteligentes, rendimento de transação ideal e cadeias laterais. Vamos explorar alguns dos princípios básicos desses recursos.
Contratos Inteligentes
A forma como Cardano chega ao consenso é importante para seu contrato inteligente e recursos DApp. Mais descentralização em um blockchain significa que nós estamos concordando com uma única versão da verdade.
Como resultado, os contratos inteligentes escritos em uma rede suficientemente descentralizada são particularmente robustos e confiáveis. Quando combinados com uma rede oracle descentralizada, esses contratos inteligentes podem servir adequadamente casos de uso corporativo ou até mesmo fechar acordos legais complexos.
Taxa de transferência quase ideal
Atingir um alto rendimento de transação é um dos maiores desafios para as blockchains, mas é essencial para que as blockchains se tornem os sistemas operacionais financeiros do futuro.
Os pesquisadores da IOHK propuseram um modelo de execução formal para PoS baseado em Ouroboros, que mantém a segurança ao mesmo tempo que permite um rendimento de transação ideal, o que permitiria que a blockchain Cardano escale e gerencie um grande número de transações enquanto permanece segura.
PoS sidechains e interoperabilidade
Sidechains têm sido explorados há muito tempo por seu potencial para permitir a escalabilidade e interoperabilidade de blockchain, mas há muitas considerações de segurança e problemas a serem resolvidos antes que possam ser implementados com eficácia.
Em maio de 2019, os pesquisadores da IOHK foram os primeiros a descrever uma construção para cadeias laterais de PoS que poderiam ser implantadas no protocolo de PoS Ouroboros Praos de Cardano.
Foi proposta uma solução que apoiaria transferências de valor entre cadeias seguras, o que por sua vez manteria a segurança de cada cadeia subjacente, verificaria a existência de uma maioria de interesse honesto para ambas as cadeias participantes e manteria a integridade de uma cadeia de transação caso a outra falhasse.
Os ataques de Goldfinger e outras tentativas de minar o consenso são frustrados nas cadeias laterais, já que carregam apenas uma pequena quantia de aposta de cada vez.
Na prática, a implementação de cadeias secundárias de PoS pode permitir, pela primeira vez, interoperabilidade total entre blockchains - acelerando a escalabilidade em toda a indústria de blockchain, mas também permitindo a comunicação com sistemas bancários e financeiros legados por meio de livros-razão permitidos.
Saiba mais sobre o consenso sobre Cardano
Tendo explorado uma história de mecanismos de consenso até o momento, e onde o consenso de PoS de Cardano se encaixa no quadro mais amplo, podemos começar a entender o quão avançado é o mecanismo de PoS de Cardano; e mais crucialmente, como ele sustenta todo o ecossistema Cardano.
Você pode ler mais sobre o mecanismo de consenso de Cardano visitando nossa documentação para desenvolvedores, acessando nossos fóruns ou lendo a extensa biblioteca de pesquisa do IOHK.
