Алгоритм без консенсуса: как устроен новый блокчейн-протокол Byzantine Reliable Broadcast

{"images":[]}

Группа ученых из Федеральной политехнической школы университета Лозанны, расположенного в Швейцарии, приступила к разработке нового алгоритма, который решает проблему масштабирования и высокого энергопотребления в таких блокчейнах, как Bitcoin. Новый алгоритм, представленный под названием Byzantine Reliable Broadcast (BRB), основан на обширной исследовательской работе, получившей награду за «Лучшую статью» на Международном симпозиуме по распределенным вычислениям в Будапеште. В этой работе ученые представили новый метод подтверждения транзакций в блокчейнах, который не нуждается в консенсусе участников сети. Как именно устроен новый алгоритм, чем он отличается от PoW, и когда состоится его релиз — рассказывает DeCenter.

Один из главных пунктов критики первой криптовалюты — высокое электропотребление и проблема масштабирования ее сети. Причиной тому служит тот факт, что для подтверждения транзакций в блокчейне Bitcoin используется PoW-алгоритм, основанный на вычислительной мощности оборудования майнеров, которые поддерживают работоспособность всей сети. При этом вместе с увеличением числа пользователей и транзакций растет и агрегированный показатель сложности вычислений. Соответственно, требуется все более мощное оборудование, которое расходует все больше электричества. Так, если сравнивать энергопотребление сети Bitcoin с различными странами, то в июле блокчейн первой криптовалюты обогнал Швейцарию по данному показателю.

Получается, что главная причина высокого энергопотребления биткоина — его алгоритм, согласно которому каждую транзакцию подтверждают все ноды в сети, чтобы не допустить возможности «двойного расходования». Кроме того, такой принцип отражается и на скорости подтверждения транзакций, которая остается низкой, влияя на масштабируемость сети.

Однако ученые, работающие Швейцарии, возможно, нашли решение.

Профессор Рашид Геррауи, Петр Кузнецов, Маттео Монти, Матей Павлович и Драгос-Адриан Серединский, которые работают в Федеральной политехнической школе университета Лозанны, представили новый алгоритм, который базируется на доверии и коммуникации всех систем блокчейн-сетей. «Мы поняли, что игрокам не обязательно достигать консенсуса, вместо этого они должны предотвращать вредоносную активность [других игроков] при ее обнаружении. Мы предполагаем, что все игроки действуют честно, и если они замечают, что кто-то пытается нанести сети вред, то они просто игнорируют этого игрока», — объяснил профессор Геррауи.

Подтверждение транзакций через сэмплирование

На сегодня достижение консенсуса между системами блокчейна считается одной из ключевых составляющих, необходимых для решения проблемы «двойного расходования» в таких сетях, как Bitcoin. Большая часть нынешних алгоритмов полагается на кворумы, или определенное количество нод, являющееся большинством, для решения этой проблемы. Однако кворумы имеют несколько весомых недостатков — поддержание их работоспособности является ресурсоемким процессом, который потребляет большое количество электроэнергии. Кворумы также могут требовать существенных временных затрат, когда в блокчейн-сетях накапливаются необработанные транзакции или же необходим консенсус среди систем, расположенных в нескольких географических зонах.

Исследователи из университета Лозанны во главе с профессором Геррауи предложили алгоритм BRB, который отличается от византийских отказоустойчивых систем тем, что заменяет кворумы случайными выборками, которые значительно меньше по размеру, что приводит к более высокой масштабируемости сети. По предложению ученых, в BRB-сетях небольшая группа нод должна подтверждать транзакции и затем передавать детали этих транзакций другой, большей группе нод, та — другим группам и так далее. Таким образом, «консенсус» достигается по принципу «заражения», постепенно распространяясь от небольшой группы нод.

В свою очередь новый алгоритм состоит из трех суб-протоколов Murmur, Sieve и Threshold, которые ответственны за подтверждение, целостность и последовательность транзакций в блокчейне, а также за процесс формирования случайных сэмплов (или образцов) нод. Как утверждает профессор Рашид Геррауи, размер случайно выбранных сэмплов будет вычисляться в соответствии с логарифмическим масштабом, то есть будет зависеть от общего объема сети. При этом размер исходного сэмпла сети будет небольшим. Это и позволяет снизить затраты на энергопотребление.

По словам исследователей, механизм BRB также схож с так называемым протоколом Gossip, который используется в сети Bitcoin для распространения детализированной информации о блоках между нодами. «Gossip» переводится с английского как «сплетни», что отражает схему передачи информации «вирусным» путем.

Добыча биткоинов и «углеродный след»

Разработчики BRB в публичных заявлениях уделяют много внимания энергопотреблению и делают акцент на том, что их алгоритм позволит избежать громадных затрат на оплату электричества, необходимого для поддержания работы блокчейна. Ведь кроме сокращения времени, необходимого для подтверждения транзакции, а также ресурсов, идущих на поддержание работоспособности сети, новый алгоритм также позволит снизить потребление электричества: затраты энергии на передачу и подтверждение транзакции будут сравнимы с отправкой сообщения в интернете.

Энергопотребление — один из главных пунктов затрат биткоин-майнеров. Раньше для добычи новых биткоинов хватало видеокарты на домашнем компьютере, однако с ростом популярности сети первой криптовалюты майнерам стало необходимо более современное оборудование с высокой вычислительной мощностью. В связи с чем индивидуальный майнинг сегодня уже стал неприбыльным и ушел в прошлое. Нынешние майнинговые фермы — это крупные центры обработки данных, специализированные для размещения майнеров и позволяющие снизить расходы на работу и содержание оборудования.

Высокое энергопотребление — это не только дополнительные затраты на добычу биткоинов, но и вред окружающей среде. Ведь источники производства электричества, которое потребляют майнинговые фермы, выбрасывают в атмосферу углекислый газ.

Разработчики BRB утверждают, что одна транзакция в блокчейне с их алгоритмом приведет к выработке всего нескольких граммов углекислого газа, по сравнению с 300 килограммами CO2, полученными от обработки одной транзакции в сети Bitcoin.

Насколько безопасен новый алгоритм

По мнению исследователей, BRB-система будет не менее устойчива к хакерским атакам или «двойному расходованию», чем такая защищенная сеть, как Bitcoin: «Если злоумышленник хочет сделать платеж, то такая система не позволит кому-либо принять от него средства, пока случайно выбранный сэмпл сети не подтвердит, что данный участник не отправил средства кому-то еще. Иначе платеж не будет принят».

Команда ученых планирует запустить новый протокол с открытым исходным кодом до конца 2020 года: «Люди смогут использовать наш протокол, чтобы создать "дешевые" в использовании криптовалюты», — говорит Геррауи.