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.

Объем энергопотребления сети Bitcoin по сравнению с другими странами.

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.

Пропускная способность блокчейнов ведущих криптовалют.

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.