• Процесс майнинга. В блокчейн-сетях на основе PoW майнеры отвечают за подтверждение транзакций и добавление новых блоков в блокчейн. Майнеры соревнуются в решении сложной математической задачи, основанной на криптографической хеш-функции. Первый майнер, нашедший ответ, известный также как nonce, передает его в сеть, и, если он подтверждается другими узлами, майнеру разрешается добавить новый блок в блокчейн. За свою работу майнер получает вознаграждение в виде новой криптовалюты и комиссионных от подтвержденных транзакций.

• Вычислительная мощность и корректировка сложности. Сложность математической задачи в сетях PoW периодически корректируется для поддержания постоянной скорости создания блоков. По мере увеличения общей вычислительной мощности сети сложность задачи также увеличивается, сохраняя стабильную скорость создания новых блоков. Этот саморегулирующийся механизм способствует обеспечению безопасности и стабильности сети.

• Энергопотребление и вопросы экологии. Одной из основных претензий в адрес механизмов консенсуса PoW является их высокое энергопотребление. Поскольку майнеры конкурируют в решении математических задач, им требуется значительная вычислительная мощность, что приводит к существенному потреблению энергии. Это вызвало озабоченность по поводу воздействия криптовалют, основанных на PoW, на окружающую среду, что подтолкнуло к разработке альтернативных механизмов консенсуса с более низкими требованиями к энергии, о которых мы поговорим совсем скоро.

• Атака 51 %. Сети PoW потенциально уязвимы для особого типа атак, называемого «атакой 51 %». В этом сценарии, если организация или группа сговорившихся майнеров получит контроль над более чем 50 % вычислительной мощности сети, они потенциально смогут манипулировать блокчейном, дважды расходуя монеты, блокируя или даже переписывая историю транзакций. Однако стоимость и ресурсы, необходимые для осуществления подобной атаки, например, на сеть Биткоин, непомерно высоки, что делает их маловероятными.

Proof of Stake (PoS), или доказательство доли, – это альтернативный механизм консенсуса, который приобрел популярность благодаря своей энергоэффективности и более высокому уровню безопасности по сравнению с PoW. Блокчейны на основе PoS, такие как Ethereum 2.0, Cardano и Polkadot, полагаются на валидаторов, которые «оставляют в залог» свою криптовалюту для обеспечения безопасности сети и подтверждения транзакций. Используя иной подход к достижению консенсуса, PoS стремится решить некоторые проблемы, связанные с PoW, такие как высокое потребление энергии и потенциальные уязвимости.

• Процесс валидации. В блокчейн-сетях на основе PoS валидаторы выбираются для создания новых блоков и подтверждения транзакций на основе количества токенов, которыми они владеют и готовы внести в качестве залога. Делая ставку на свои токены, валидаторы демонстрируют свою приверженность безопасности и целостности сети. Процесс отбора валидаторов обычно основан на комбинации факторов, таких как размер их доли, продолжительность участия в сети и процесс рандомизации, чтобы обеспечить справедливое и децентрализованное создание блоков.

• Вознаграждения и штрафы. Обычно валидаторы в сетях PoS получают вознаграждение за проверку транзакций и создание новых блоков в виде вновь добытой криптовалюты и комиссии за транзакции. Однако в отличие от PoW, где майнеры получают вознаграждение за решение математических задач, в PoS величина вознаграждения для валидаторов зависит от размера их доли и их участия в обеспечении безопасности сети. Валидаторы могут быть наказаны, например, потерей части заложенных токенов, если их уличат в злонамеренных действиях или попытках манипулировать блокчейном.

• Энергоэффективность. Одним из основных преимуществ PoS перед PoW является его энергоэффективность. PoS не требует от валидаторов выполнения сложных математических вычислений, что значительно снижает потребление энергии. Это делает PoS не только более экологичным, но и позволяет большему числу участников обеспечивать безопасность сети, укрепляя децентрализацию системы.

• Безопасность и атака 51 %. Считается, что сети PoS более устойчивы к атакам 51 % по сравнению с сетями PoW. В системе PoS для манипулирования блокчейном злоумышленнику необходимо контролировать значительную часть токенов, оставленных в залог, что обычно сложнее и дороже, чем приобретение большинства вычислительных мощностей в сети PoW. Кроме того, поскольку злоумышленнику нужно владеть подавляющим количеством родной криптовалюты, он также заинтересован в сохранении безопасности и стоимости сети.

Хотя Proof of Work и Proof of Stake являются наиболее известными механизмами консенсуса, существуют и другие подходы для решения уникальных задач и требований различных сетей блокчейн. Эти альтернативные механизмы консенсуса предлагают различные преимущества и компромиссы, в зависимости от их конкретного дизайна и реализации. Давайте кратко рассмотрим эти механизмы.

Делегированное доказательство доли (DPoS) – это разновидность модели PoS, в которой выбор валидаторов осуществляется через систему, аналогичную репрезентативной демократии. В DPoS держатели токенов голосуют за определенное количество делегатов, которые затем становятся ответственными за подтверждение транзакций и обеспечение работы сети. Такой подход направлен на повышение эффективности, масштабируемости и принятия решений в сети. Однако он также может привести к усилению централизации, поскольку делегаты могут накопить значительное влияние. Примерами проектов блокчейн, использующих DPoS, являются EOS и Lisk.

Proof of Authority, или доказательство полномочий, представляет собой механизм консенсуса, в котором ограниченное число заранее отобранных доверенных валидаторов отвечает за безопасность сети и подтверждение транзакций. PoA особенно эффективен для частных и разрешенных блокчейн-сетей, где поддержание высокого уровня контроля и доверия имеет решающее значение. Несмотря на повышенную эффективность, масштабируемость и пропускную способность транзакций, PoA жертвует децентрализацией, поскольку выбранные прежде валидаторы имеют значительный контроль над сетью. Примером блокчейн-проекта, использующего PoA, является блокчейн VeChainThor.

Византийская отказоустойчивость (BFT) – это механизм консенсуса, разработанный для решения классической проблемы, известной как «проблема византийских генералов». Она возникает в распределенных вычислениях, когда некоторые узлы системы могут быть неисправными или злонамеренными. Механизмы консенсуса на основе BFT сосредоточены на обеспечении достижения консенсуса в сети, даже при наличии неисправных или ненадежных узлов.

Варианты BFT включают практическую византийскую отказоустойчивость (Practical Byzantine Fault Tolerance, PBFT), федеративное византийское соглашение (Federated Byzantine Agreement, FBA) и делегированную византийскую отказоустойчивость (Delegated Byzantine Fault Tolerance, DBFT). Каждый из них предлагает свои подходы к достижению отказоустойчивого консенсуса. Примеры блокчейн-проектов, использующих механизмы консенсуса на основе BFT, включают Hyperledger Fabric (применяет PBFT), Stellar (использует FBA) и NEO (основан на DBFT).

Направленный ациклический граф (Directed Acyclic Graph, DAG) – это механизм консенсуса, который использует структуру графа вместо линейного блокчейна. В системе на основе DAG транзакции напрямую связаны друг с другом и подтверждаются последующими транзакциями, создавая структуру, напоминающую веб. Такой подход обеспечивает большую масштабируемость, поскольку транзакции могут обрабатываться параллельно, и не требует традиционного вознаграждения за блок или майнинг. Однако системы на основе DAG могут быть более запутанными и сложными в плане безопасности по сравнению с традиционными сетями блокчейн. Примерами проектов, использующих механизмы консенсуса на основе DAG, являются IOTA и Nano.