Konsensusalgoritmi (Konsensusmekanismi)

Lohkoketjuteknologian ja kryptovaluuttojen yleistyminen on luonut tarpeen uudenlaisille mekanismeille taloudellisten transaktioiden tekemiseen ja arvon säilyttämiseen liittyen. Konsensusalgoritmi on keskeinen tekijä lohkoketjuissa, sillä se mahdollistaa yhteisen sopimuksen saavuttamisen sen tilasta kaikkien käyttäjien kesken.

Tämä yhteisymmärrys julkisesta tilikirjasta on välttämätön, jotta lohkoketju voi toimia luotettavasti ja turvallisesti, sillä sen avulla voidaan tehokkaasti estää petoksia ja muita väärinkäytöksiä.

Mikä on konsensusalgoritmi?

Lohkoketjuteknologia ja kryptovaluutat ovat tuoneet mukanaan uudenlaisen tavan käyttää digitaalisia varoja. Konsensusalgoritmi on tämän teknologian ydin, sillä sen avulla määritellään se, miten lohkoketjun tila validoidaan ja sen verkkoa ylläpidetään.

Sana “konsensus” tarkoittaa yhteistä sopimusta ja käsitystä siitä, mikä on tilikirjan tila kullakin hetkellä.

Lohkoketju on viime kädessä hajautettu kirjanpito, joka tallentaa kaikki käyttäjien tapahtumat ja heidän tiliensä saldot. Kaikkien lohkoketjuun osallistuvien on oltava yhtä mieltä kirjanpidon tilasta, jotta sen toiminta voi olla luotettavalla pohjalla. Juuri tässä kohtaa konsensusalgoritmi astuu kuvaan.

Konsensusalgoritmi on prosessi, jossa lohkoketjun solmut eli tietokoneet, jotka vahvistavat ja tallentavat tapahtumat, pääsevät yksimielisyyteen kirjanpidon senhetkisestä tilasta.

Konsensusalgoritmi on lohkoketjujen osalta kriittinen, koska se estää haitallisia toimijoita huijaamasta järjestelmää, jolloin esimerkiksi petosten tekeminen vaikeutuu huomattavasti. Mekanismi estää väärinkäytöksiä, kuten kryptovaluutan kaksinkertaisen käyttämisen ja Sybil-hyökkäykset, kannustamalla käyttäjiä toimimaan rehellisesti.

Näin ollen konsensusmekanismi sisältää säännöt ja kannustimet, jotka mahdollistavat lohkoketjun pääsemisen yhteisymmärrykseen lohkoketjun tilasta.

Miten konsensusalgoritmi toimii?

Otetaan esimerkkinä tilanne, jossa käyttäjä haluaa tehdä kaksi siirtoa samoihin kolikoihin perustuen. Pekka on pahantahtoinen toimija, jolla on kryptolompakon saldossa 10 kolikkoa. Hän haluaa käyttää samat tokeninsa kahdesti lähettämällä 10 tokenia Niinalle ja sen jälkeen siirtämällä samat 10 tokenia Lasselle.

Jotta Pekka onnistuisi huijaamaan Niinaa ja Lassea, hänen pitäisi saada kaikki lohkoketjun solmut hyväksymään hänen kyseenalainen siirtonsa.

Koska julkinen lohkoketju on hajautettu ja avoin, järjestelmä luottaa hyviin ja luotettaviin toimijoihin, joilla on valtaa hylätä väärät tapahtumat. Niin kauan kuin hyviä toimijoita on enemmän kuin väärinkäyttäjiä, Pekka ei pysty käyttämään kolikoitaan kahteen kertaan, koska lohkoketju ei ole yhtä mieltä näistä kahdesta siirrosta.

Toisin sanoen luotettavien toimijoiden tarkistaessa lohkoketjun tila virhe huomattaisiin ja estettäisiin tehokkaasti.

Konsensusalgoritmien tyypit esittelyssä

Seuraavaksi tutkitaan lähemmin erilaisia konsensusalgoritmeja, joita käytetään lohkoketjuissa:

• Proof-of-Work, PoW
• Proof-of-Stake, PoS
• Delegated Proof-of-Stake, dPoS
• Proof-of-Authority, PoA
• Hybrid PoW/PoS
• Proof-of-Burn, PoB
• Delayed Proof-of-Work, dPoW

Proof-of-Work (PoW)

Työn todistus eli PoW on tunnetuin konsensusalgoritmi. Se on ensimmäisen julkisen lohkoketjun – Bitcoinin – käyttämä konsensusalgoritmi.

PoW-konsensusmekanismissa verkoston ylläpitäjät, joita sanotaan louhijoiksi, käyttävät tietokoneidensa laskentatehoa tapahtumien vahvistamiseen ja uusien lohkojen lisäämiseen lohkoketjun kirjanpitoon. Vastineeksi louhijat palkitaan uusilla tokeneilla heidän tekemästään rehellisestä työstään.

PoW-lohkoketju pysyy turvallisena niin kauan kuin rehelliset solmut hallitsevat yli 51 prosenttia verkoston laskentatehosta. Tällöin rehelliset louhijat hallitsevat suurinta osaa laskentatehosta, joten luotettavasti ja rehellisesti varmennettu lohkoketjun tila ehtii muiden edelle.

Proof-of-Stake (PoS)

PoS-konsensusmekanismi sai laajempaa julkisuutta, kun Ethereum siirtyi PoW-algoritmista siihen vuonna 2022.

Tuolloin aikaisemmat PoW-louhijat korvattiin PoS-steikkaajilla. Toisin kuin louhijoiden, steikkaajien ei tarvitse käyttää niin paljon laskentatehoa ja sähköenergiaa tapahtumien vahvistamiseen. Sen sijaan heidän on panostettava omaa pääomaa kyseisen lohkoketjun natiivin kryptovaluutan muodossa, jotta heistä voi tulla verkoston validoijia.

Tämän jälkeen lohkoketjuun muodostui validoijien eli solmujen joukko, josta valitaan satunnaisesti toimijoita luomaan uusia lohkoja. Uuden lohkon luomisen jälkeen sen tekijä palkitaan uusilla kolikoilla, mikä antaa taloudellisen motivaation validoijille steikata pääomaa lohkoketjussa.

Nämä erilaiset takuut ja lohkopalkkiot varmistavat sen, että validoijat pysyvät rehellisinä ja täyttävät velvollisuutensa vahvistaa tapahtumia, luoda uusia lohkoja ja ylläpitää verkkoa toiminnassa.

Jokainen validoija riskeeraa steikatun pääomansa, jos hän päättää toimia vilpillisesti. Mikäli valittu solmu ei osallistu lohkoketjun toimintaan kutsuttaessa, hän menettää kaikki lohkopalkkiot.

Esimerkiksi tämän artikkelin kirjoitushetkellä käyttäjän on panostettava 32 ETH:tä tullakseen validoijaksi Ethereumissa.

PoW- ja PoS-konsensusalgoritmien keskeisimmät erot

Delegated Proof-of-Stake (dPoS)

Delegated Proof-of-Stake -konsensumekanismi on PoS-algoritmin muunnelma. Siinä lohkoketjun käyttäjät äänestävät ja valitsevat haluamiaan toimijoita lohkojen varmistajiksi.

dPoS perustuu käyttäjien maineeseen, joten ne valitaan pitkälti heidän luotettavuutensa perusteella. dPoS-verkoissa on vähemmän validoijia kuin PoS-lohkoketjuissa, mikä mahdollistaa yhteisymmärryksen saavuttamisen nopeammin verkossa.

dPoS-järjestelmät voivat kuitenkin olla haavoittuvia niin sanotulle “51 prosentin” -hyökkäyksille, koska validoijia on verkossa vain vähän. Tämän takia konsensusmenetelmässä on liiallisen vallan keskittymisen vaara, koska validoijia on vain muutama ja äänestys perustuu heidän maineeseen.

Proof-of-Authority (PoA)

Proof-of-Authority on konsensusmekanismi, jossa vain valtuutetut tahot voivat toimia lohkojen validoijina.

Mahdolliset solmut käyvät läpi seulontaprosessin, jossa heidät valitaan luotettavuuden, erilaisten moraalisten standardien, sijoitettavan pääoman, luotettavuuden ja maineen perusteella. PoA on pidetty tehokkaana konsensusmekanismina, koska verkko nojaa luotettavien toimijoiden pieneen määrään.

Kuten DPoS, myös PoA-konsensusmekanismi on altis liialliselle keskittymiselle, jolloin vaaraksi tulee etenkin se, että haitalliset toimijat saattavat saada lohkoketjussa yli 51 prosentin äänivallan.

Hybridi PoW/PoS

Kuten nimestä voi päätellä, hybridi PoW/PoS -konsensusmekanismi yhdistää Proof of Stake ja Proof of Stake -konsensusalgoritmit. Tämä lähestymistapa yhdistää PoW:n turvallisuuden ja PoS:n hallinnon yhteen luoden mielenkiintoisen ja turvallisen kokonaisuuden.

Hyvä esimerkki lohkoketjusta, joka käyttää tätä mekanismia, on Decred. Decredin PoW-louhijat toimivat samalla tavalla kuin Bitcoin-lohkoketjussa, eli ne vahvistavat tapahtumia ja luovat uusia lohkoja.

Decredin PoS on suunniteltu etenkin hallintoa silmällä pitäen. DCR-tokenien omistajat voivat steikata kolikoitaan saadakseen äänestämiseen oikeuttavia ääniä. Äänestysoikeuden haltijat valitaan satunnaisesti hyväksymään PoW-louhijoiden tekemää työtä ja heillä on myös mahdollisuus äänestää muutosehdotuksista projektiin liittyen.

Proof-of-Burn (PoB)

Tämän konsensusalgoritmin kohdalla on hyvä ymmärtää, mitä kryptojen polttaminen tarkoittaa. Polttaminen on prosessi, jossa kolikoita poistetaan pysyvästi kierrosta lähettämällä ne sellaiseen osoitteeseen, josta niitä ei voi enää palauttaa.

PoB on konsensusmekanismi, joka vaatii louhijoilta kolikoiden polttamista. Kolikoiden polttaminen on kustannus, joka vaaditaan louhintaan osallistumisesta eli lohkoketjujen tapahtumien vahvistamiseen, uusien lohkojen luomiseen ja lohkopalkkioiden vastaanottamiseen.

Iain Stewartin – PoB-algoritmin alkuperäisen luojan – mukaan mitä enemmän kolikoita louhija polttaa, sitä suurempi on hänen louhintaan liittyvä kapasiteettinsa.

Koska PoB-louhijat polttavat kolikoita sen sijaan, että käyttäisivät siihen louhintaan tarvittavia tietokoneita, PoB tarvitsee merkittävästi vähemmän energiaa verrattuna PoW:hen. Juuri suuri energiantarve on yksi suurimmista ongelmista, josta Bitcoinia on paljon kritisoitu.

Delayed Proof-of-Work (dPoW)

Delayed Proof-of-Work on konsensusmekanismi, jossa lohkoketju hyödyntää jonkin toissijaisen PoW-verkon turvallisuutta, kuten Bitcoinin. Tämän mekanismin kehitti Komodo-säätiö.

Komodon mukaan dPoW-verkot käyttävät toissijaista PoW-lohkoketjua tallentaakseen varmuuskopioita lohkoketjunsa historiasta. Alkuperäisen dPoW-ketjun yksittäinen kopio mahdollistaa koko verkon uudelleen asettamisen, mikäli dPoW-ketjuun kohdistuu haitallinen hyökkäys.

dPoW-konsensusmekanismin avulla alhaisen hash-nopeuden lohkoketjut voivat luottaa pidempään toimineisiin PoW-verkkoihin, kuten Bitcoiniin, turvallisuutensa suhteen.

Konsensusalgoritmi – yhteenveto

Konsensusalgoritmi on lohkoketjuteknologian selkäranka, sillä ilman sitä yksikään lohkoketju ei voi toimia siten kuin se on suunniteltu toimimaan.

Jokaisella konsensusalgoritmilla on omat hyvät ja huonot puolensa. Jotkut niistä korostavat turvallisuutta ja hajautusta, kun taas toiset saattavat pitää nopeutta ja tehokkuutta tärkeämpinä tekijöinä.

Tulevaisuudessa tulemme todennäköisesti näkemään vielä paljon uusia iteraatioita olemassa olevista algoritmeista. Samoin markkinoille tulee varmasti vielä uudenlaisia konsensusalgoritmeja, jotka pyrkivät monipuolistamaan tarjontaa ja ratkaisemaan jotain tiettyjä ongelmia.