🇵🇱 Konsensus Cardano a inne blockchainy

(To jest tłumaczenie artykułu napisanego przez @ElliotHill z Cardano Foundation: Consensus on Cardano vs. other blockchains)
image

Mechanizmy konsensusu są niezbędne, aby wszystkie uczestniczące w działaniu sieci strony uzgodniły jedną, niezmienną historię blockchaina, tworząc nowe bloki i utrzymując protokół jako całość.

Dwie główne stosowane obecnie metody konsensusu opierają się na mechanizmach dowodu pracy (PoW, Proof of Work) lub dowodu stawki (PoS, Proof of Stake), które dały początek wielu innym rodzajom podobnych metod konsensusu.

W tym artykule, podążając za udanym hard forkiem Cardano do konsensusu blockchain PoS, zagłębimy się w historię mechanizmów konsensusu, ich ograniczeń i sposobów, w jaki Cardano rozwiązuje niektóre z najbardziej istotnych problemów związanych z konsensusem za pomocą Ouroboros - najbardziej zaawansowanego technicznie algorytmu Proof of Stake do tej pory.

Omówimy również, w jaki sposób podejście Cardano do kwestii konsensusu sprawia, że smart kontrakty i zdecentralizowane aplikacje (DApp) są bezpieczniejsze niż kiedykolwiek.

Dowód pracy - Proof of Work (PoW)

Proof of work został po raz pierwszy wdrożony w technologii blockchain, jaką znamy dzisiaj, za pośrednictwem Bitcoina w 2008 r. Jednak jego fundamenty leżą w badaniach kryptograficznych znacznie starszych niż sama technologia blockchain, a zrozumienie pochodzenia PoW może pomóc nam zrozumieć technologię rozproszonego rejestru jako całości.

Po raz pierwszy proof of work został opisany przez Cynthię Dwork i Moni Naor w 1993 roku jako technologia obliczeniowa do zwalczania niechcianej poczty (spamu). Podstawową teorią stojącą za wczesnymi systemami PoW było wymaganie od uczestników ekosystemu obliczania średnio trudnego, ale nie niemożliwego, problemu matematycznego, aby skorzystać z zasobu lub sieci - tym samym zniechęcając do niepoważnego, nieprawidłowego używania.

Dzisiaj szybkie spojrzenie na folder spam na koncie e-mail może ujawnić, że PoW znalazł swoją najważniejszą niszę nie w zapobieganiu spamowi, ale w ułatwianiu działania technologii blockchain, zapobiegając podwójnemu wydawaniu (double spending) za pomocą Hashcash, części algorytmu kopania ostatecznie używanego przez Bitcoin.

W 1999 roku kryptografowie Markus Jakobsson i Ari Juels sformalizowali pojęcie PoW, definiując je jako weryfikację, że uczestnicy wykonali określoną ilość pracy obliczeniowej w określonym przedziale czasu, w zamian za co przyznano im dostęp do zasobu - przedstawionego jako nagroda blokowa w łańcuchach bloków systemów opartych o PoW.

Kilka lat później nieżyjący już kryptograf Hal Finney zbudował pierwszy cyfrowy e-pieniądz przy użyciu odmiany PoW, która miała ograniczone zastosowanie ekonomiczne. Jednak niecałe dziesięć lat później Finney był pierwszym w historii odbiorcą transferu Bitcoina, oryginalnego funkcjonalnego blockchaina PoW zbudowanego przez anonimowego twórcę o pseudonimie Satoshi Nakamoto - nadal największej kryptowaluty pod względem kapitalizacji rynkowej.

PoW dało początek kopaczom kryptowalut, którzy używają potężnego sprzętu komputerowego do rozwiązywania problemów kryptograficznych i sprawdzania poprawności bloków w zamian za nagrody blokowe. Kopanie kryptowalut stało się od tego czasu ogromnym biznesem, napędzającym rynki kryptowalut i całą branżę.

Nie jest jasne, czy ci pionierzy kryptografii mieli jakiekolwiek pojęcie, jakim gigantem Bitcoin i reszta branży blockchain może się stać. Niemniej jednak teoria akademicka położyła podwaliny pod mechanizmy konsensusu i algorytmy haszujące, jakie znamy dzisiaj, nawet w przypadku protokołów, które wyewoluowały poza PoW.

Oprócz Bitcoina, PoW jest obecnie używany jako mechanizm konsensusu dla ponad 75% łańcuchów bloków, w tym kryptowalut takich jak Litecoin, Ethereum, Bitcoin Cash, Monero, Dogecoin i wielu innych. Ale to, że konsensus proof of work jest pierwszy, niekoniecznie oznacza, że ​​jest najlepszy. Przyjrzyjmy się pewnym ograniczeniom PoW.

Problemy z PoW

Pomimo jego przydatności w zapobieganiu podwójnemu wydatkowaniu, istnieje szereg teoretycznych i potwierdzonych problemów związanych z konsensusem PoW, które obejmują:

  • Niska sprawność energetyczna - PoW wymaga ogromnych ilości energii do zasilania sprzętu komputerowego potrzebnego do kopania bloków, co stanowi ogromne obciążenie dla środowiska. Badania opublikowane w 2019 roku oszacowały, że sama sieć wydobywcza Bitcoina zużywa co najmniej 40 TWh energii elektrycznej rocznie, a być może nawet 62 TWh - co jest porównywalne z zapotrzebowaniem na energię całej Szwajcarii.

  • Konsolidacja hashrate’u - w teorii stosunkowo niewielka garstka odpowiednio finansowanych górników lub kopalni może stać się odpowiedzialna za większość mocy obliczeniowej w systemie PoW. Ryzyko konsolidacji hashrate’u sprawia, że ​​cała sieć jest bardziej scentralizowana, ponieważ za wydobywanie nowych bloków odpowiada stosunkowo niewielka liczba górników.

Dowód stawki (PoS)

Jak szczegółowo przeanalizujemy poniżej, Cardano jest blockchainem proof of stake. Protokoły PoS są zorganizowane w rundy, a większość blockchainów PoS po prostu wybiera producenta bloków metodą algorytmu karuzelowego (round robin), gdzie każdy ma równy priorytet w kolejce do stworzenie nowego bloku. Ale zamiast tego niektóre blockchainy PoS, jak pokażemy poniżej, losowo wybierają liderów dla każdej rundy lub slotu. W przypadku Cardano ci „zwycięzcy” nazywani są liderami slotów. Najbardziej krytycznym elementem algorytmicznym jest procedura wyboru lidera slotu, która określa podzbiór uczestników z uprawnieniami do dodawania nowego bloku do blockchaina podczas każdej rundy.

Liderzy slotów są wybierani zgodnie z ich „stawką” w protokole lub inaczej częścią wszystkich tokenów protokołu, którą kontrolują w stosunku do pozostałych uczestników stakingu. Ci z wyższymi stawkami mają większą szansę zostać wybranym na lidera i stworzyć nowy blok - stąd określenie „dowód stawki”.

Co najważniejsze, PoS wykorzystuje tylko ułamek mocy obliczeniowej - a zatem ułamek energii elektrycznej zużywanej przez algorytmy PoW. Niskie zapotrzebowanie na moc haszującą i energię wynika z tego, że liderzy slotów są wybierani na podstawie ich udziału w protokole, a nie od tego, jaką fizyczną moc obliczeniową mają.

Inne łańcuchy bloków PoS

Cardano to jeden z najnowszych i najbardziej zaawansowanych blockchainów PoS. Jednak niektóre inne łańcuchy bloków były pionierami w jego użyciu w przeszłości, niektóre używają obecnie proof of stake, a inne planują wdrożyć go w przyszłości:

  • Peercoin - założony w 2012 roku Peercoin był pierwszym blockchainem, który wdrożył PoS. Opierając się na bazie kodu Bitcoina, Peercoin został zaplanowany i opisany w białej księdze, w której to też przedstawiono pierwsze oficjalne tworzenie nowych bloków łańcucha przy użyciu PoS w oparciu o „wiek” monet w sieci.

  • Tezos - podobnie jak Cardano, Tezos składa się z rund wytwarzających blok zwanych „cyklami”. Tezos jest zbudowany na zupełnie innej warstwie konsensusu niż Cardano, pomimo powierzchownego podobieństwa. Na przykład Tezos ma model kont oparty na Ethereum, a nie na rozszerzonym UTXO, tak jak Cardano - co umożliwia wdrożenie Hydry i doskonałą obsługę wielu aktywów. Tezos ma zarówno producentów bloków, których nazywa się „piekarzami” (ang. bakers) jak i uczestników, którzy zgadzają się na nowe bloki, zwanych „endorserami”. Uczestnikom algorytmu konsensusu PoS Tezos przypisuje się prawa do pieczenia lub prawa do zatwierdzania na początku każdego cyklu przy użyciu losowego klucza obliczonego na podstawie informacji przechowywanych w łańcuchu bloków.

  • Ethereum 2.0 - mimo że istnieje obecnie jako blockchain PoW, Ethereum ostatecznie przejdzie na proof of stake poprzez wdrożenie Ethereum 2.0. Ethereum 2.0 będzie polegać na walidatorach - roli okreslanej również jako „wirtualni górnicy” - i depozytach ETH, aby osiągnąć konsensus.

Problemy z proof of stake

Istnieją pewne teoretyczne problemy związane z PoS, z których wiele było problematycznych już we wczesnych wdrożeniach łańcuchów bloków PoS. Przyjrzyjmy się niektórym z nich tutaj, a poniżej powiemy, jak Cardano ich unika:

  • Problem „nothing at stake” - ataki na blockchainy PoS mogą być prowadzone przez walidatorów, którzy kontynuują jednoczesną pracę na wielu równoległych łańcuchach bloków. Wykorzystują fakt, że do tworzenia łańcucha bloków PoS potrzebny jest niewielka moc obliczeniowa. Ponieważ zabezpieczenie sieci nie wiąże się z kosztami wewnętrznymi, jak w przypadku algorytmów PoW, może to spowodować, że walidatorzy będą utrzymywać działalność na wszystkich wcześniejszych forkach (rozgalezieniach) łańcucha bloków PoS w celu pobierania opłat transakcyjnych z dowolnego łańcucha, który stanie się wiodący. Może to zaburzać osiągnięcie konsensusu i narazić sieć na niebezpieczeństwo.

  • Ataki typu Goldfinger - nazwane na cześć czarnego charakteru z filmu o Jamesie Bondzie, który próbował zniszczyć rezerwy skarbowe USA. Ataki tego typu mają na celu podważenie i destabilizację samego protokołu konsensusu dla korzyści finansowych atakującego. Same ataki mogą przybierać różne formy, takie jak atak wykupu, atak przekupstwa, ataki z wynajmem itd., każdy z różnymi sposobami działania prowadzącymi do tego samego celu.

Konsensus Cardano

Od hard forka z Byrona do Shelley, Cardano działa na Ouroboros Praos, pierwszym protokole PoS, zabezpieczonym przed atakami adaptacyjnymi i skalowalnym w naprawdę praktycznym sensie.

W starożytnej kulturze egipskiej i hellenistycznej Ouroboros jest samozjadającym się wężem, który reprezentuje cykliczną odnowę - szczególnie przydatne w sposobie, w jaki weryfikowalne funkcje losowe są generowane w jednej epoce i używane do wybierania liderów w następnej.

Ouroboros Praos zapewnia ochronę przed w pełni adaptacyjną korupcją w środowisku półsynchronicznym, co oznacza, że ​​przeciwnicy mogą „przekupić” dowolnego uczestnika w dowolnym momencie bez wpływu na bazowy łańcuch bloków, o ile dystrybucja pomiędzy uczestnikami sieci zachowuje większość udziałów - możliwe dzięki stake poolom i delegowaniu.

Uniemożliwia się uczestnikom sprawowanie zbyt dużej kontroli nad siecią Cardano poprzez punkt nasycenia pooli, czyli współczynnik „k”, w którym to momencie pula osiągnęłaby malejące zyski z udziału w konsensusie. Ma to na celu zapobieżenie nieproporcjonalnemu wyborowi jednej lub kilku pul jako liderów slotów i utrzymanie prawdziwie zdecentralizowanego łańcucha bloków.

Stake poole i delegowanie w Cardano zapewnia, że ​​protokół ma znacznie większą zdolność do decentralizacji - zachęcając do tworzenia tysięcy SP i teoretycznie nieograniczonej liczby delegatów. W związku z tym według niezależnych audytorów kodu, algorytm PoS Cardano „przyćmiewa” podobne łańcuchy konkurentów.

W jaki sposób Cardano pokonuje ograniczenia PoS?

Cardano zostało zbudowane przy użyciu najnowszych badań kryptograficznych. Jest stale ulepszane poprzez dyscyplinę akademicką i oparte na prawie 80 recenzowanych artykułach z zakresu kryptografii opublikowanych przez IOHK.

W rezultacie wiele ograniczeń związanych z konsensusem PoS zostało zniwelowanych lub całkowicie wyeliminowanych, dzięki czemu Ouroboros Praos jest jak dotąd najbezpieczniejszym wdrożeniem PoS.

Problem „nothing at stake” został rozwiązany poprzez analizę łańcuchów podatnych na forki prowadzoną przez Cardano. Nawet jeśli w najbliższej przyszłości haker metodą brute force podejmie wszystkie możliwe próby rozwidlenia blockchaina Cardano, nie ma strategii, która byłaby dla niego opłacalna finansowo.

Podobnie reguła wyboru łańcucha instruuje uczestników, aby ignorowali bardzo głębokie forki, które różnią się istotnie od bloku, który otrzymali ostatnim razem, gdy byli online.

Sięgając dalej niż Shelley - inteligentne kontrakty, optymalna przepustowość i łańcuchy boczne

Shelley wprowadziło PoS do Cardano, ale konsensus PoS ma wiele innych zalet w zakresie użyteczności blockchaina Cardano. Obejmują one inteligentne kontrakty, optymalizację przepustowości transakcji i łańcuchy boczne (tzw. sidechainy). Przyjrzyjmy się niektórym podstawowym zasadom tych funkcji.

Inteligentne kontrakty

Sposób, w jaki Cardano osiąga konsensus, jest ważny dla jego smart kontraktów i możliwości tworzenia aplikacji zdecentralizowanych - dAppów. Większa decentralizacja w łańcuchu bloków oznacza, że ​​więcej węzłów zgadza się co do jednej wersji prawdy.

W rezultacie inteligentne kontrakty zapisane w wystarczająco zdecentralizowanej sieci są szczególnie solidne i godne zaufania. W połączeniu ze zdecentralizowaną siecią wyroczni, te smart kontrakty mogą odpowiednio obsługiwać przypadki użycia w przedsiębiorstwach, a nawet regulować złożone umowy prawne.

Prawie optymalna przepustowość

Osiągnięcie wysokiej przepustowości transakcji jest jednym z największych wyzwań dla blockchainów, ale jest niezbędne, jeśli blockchainy mają stać się finansowymi systemami operacyjnymi przyszłości.

Badacze z IOHK zaproponowali formalny model realizacji PoS oparty na Ouroboros, który zachowuje bezpieczeństwo, jednocześnie umożliwiając optymalną przepustowość transakcji, co pozwoliłoby blockchainowi Cardano na skalowanie i obsługę dużej liczby transakcji przy zachowaniu bezpieczeństwa.

Łańcuchy boczne PoS i interoperacyjność

Sidechainy były od dawna badane ze względu na ich potencjał w zakresie zapewniania skalowalności i interoperacyjności łańcucha bloków, ale przed ich skutecznym wdrożeniem istnieje wiele zagadnień związanych z bezpieczeństwem i problemów do rozwiązania.

W maju 2019 r. naukowcy z IOHK jako pierwsi opisali konstrukcję łańcuchów bocznych PoS, które można wdrożyć w protokole Cardano Ouroboros Praos.

Zaproponowano rozwiązanie, które wspierałoby bezpieczne międzyłańcuchowe transfery wartości, które z kolei utrzymywałyby bezpieczeństwo każdego podstawowego łańcucha, weryfikowałyby uczciwość udziałów w obu uczestniczących łańcuchach i utrzymywały integralność jednego łańcucha transakcyjnego w przypadku niepowodzenia drugiego .

Ataki typu Goldfinger i inne próby podważenia konsensusu są udaremniane na łańcuchach bocznych, ponieważ przenoszą one tylko niewielką wartość na raz.

W praktyce wdrożenie łańcuchów bocznych PoS może po raz pierwszy umożliwić pełną interoperacyjność między łańcuchami bloków - przyspieszając skalowalność w całej branży blockchain, ale także umożliwiając komunikację ze starszymi systemami bankowymi i finansowymi za pośrednictwem uprawnionych rejestrów.

Dowiedz się więcej o konsensusie Cardano

Po poznaniu historii dotychczasowych mechanizmów konsensusu, możemy zacząć rozumieć, jak zaawansowany jest mechanizm PoS Cardano; a co ważniejsze, w jaki sposób stanowi podstawę całego ekosystemu Cardano.

Możesz przeczytać więcej o mechanizmie konsensusu Cardano, odwiedzając naszą dokumentację dla programistów, czytając forum lub obszerną bibliotekę badawczą IOHK.

//

Po więcej artykułów o Cardano po polsku zapraszamy do :poland: polskiej sekcji na forum Cardano . Serię filmów o historii Cardano, podstawach działania sieci i aktualizacjach opublikował Andrzej z kanału Dzienna Dawka Dyskomfortu. Chcesz porozmawiać, zapytać o Cardano po polsku? Odwiedź naszą :poland: społeczność na Telegramie, profil @CardanoPolska na Twitterze oraz Facebooku.