Kryptovaluuttojen konsensusalgoritmit

Konsensusalgoritmit ovat kriittisiä kryptovaluuttojen toiminnan kannalta. Proof of Work (PoW) on Bitcoinin käyttämä konsensusalgoritmi. Proof of Stake on noussut suosituimmaksi konsensusalgoritmiksi tehokkuuden ja pienemmän energiankulutuksen vuoksi. Markkinoilla on useita erilaisia Proof of Stake (PoS) versioita.

Gasper on konsensusalgoritmi, joka kehitettiin Ethereumin transitioon Proof of Work -konsensuksesta Proof of Stake -konsensukseen. Proof of Staked Authority (PoSA) on konsensusalgoritmi, jota käyttää BNB Chain. Ourorobos on Cardanoa varten kehitetty konsensusalgoritmi. Tendermint on Byzantine Fault Tolerenta (BFT) -pohjainen konsensusalgoritmi. Delegated Proof of Stake (DPoS) on Dan Larimerin kehittämä konsensusalgoritmi.

Yhteenvetona voidaan todeta, että konsensusalgoritmit toimivat hajautettujen maksujärjestelmien selkärankana.

Mikä on konsensusalgoritmi?

Konsensusalgoritmit ovat kriittisiä kryptovaluuttojen toiminnan kannalta. Konsensusalgoritmit määrittävät sen, miten transaktioiden validointi ja lisäys lohkoketjuun tapahtuu. Jokaisella kryptovaluutalla on oma konsensusalgoritminsa.

Nykyisin käytössä on useita erilaisia konsensualgoritmeja, mutta kaikilla on sama perusperiaate. Konsensusalgoritmi mahdollistaa turvallisen ja hajautetun maksujärjestelmän, jossa ei ole keskitettyä tahoa kontrolloimassa transaktioita. Suosituimmat konsensusalgoritmit ovat Proof of Work (PoW) ja Proof of Stake (PoS).

PoW on tullut tunnetuksi suurelle yleisölle Bitcoinin kautta. Se vaatii toimiakseen fyysisiä louhintalaitteita, jotka ovat erikoisvalmisteisia tietokoneita. Ne kilpailevat uuden lohkon rakentamisesta ratkaisemalla matemaattisia yhtälöitä.

PoS on korvannut Proof of Workin de facto -konsensusalgoritmina viimeisen viiden vuoden ajan. Myös markkinoiden toiseksi suurin kryptovaluutta, Ethereum, siirtyi PoS-järjestelmään vuonna 2022. Proof of Stake -konsensuksessa lohkoketjua ylläpitävät validaattorit, jotka steikkaavat ko. kryptovaluutan natiivitokenia.

Kryptovaluuttojen konsensusalgoritmit ovat teknisesti koko järjestelmän selkäranka. Ne pitävät huolen verkon turvallisuudesta ja lohkoketjun datan validoinnista. Kryptovaluutta ei voisi toimia ilman konsensusalgoritmia, eikä hajautetun maksujärjestelmän luominen olisi mahdollista.

Mikä on Proof of Work -konsensusalgoritmi?

Proof of Work (PoW) on Bitcoinin käyttämä konsensusalgoritmi. Markkinoilla on myös muita PoW-konsenusta käyttäviä kryptovaluuttoja, kuten Bitcoin Cash, Litecoin ja Dogecoin. PoW-järjestelmässä louhijat (fyysiset tietokoneet) kilpailevat lohkoketjun ylläpidosta.

Proof of Work oli yleisin ratkaisu konsensusalgoritmiksi 2010-luvun taitteessa. Nykyisin tilanne on aivan toinen. Käytännössä kaikki tunnetut kryptovaluutat ovat valinneet Proof of Stake -ratkaisun vuodesta 2015 lähtien. Bitcoin on ainoa todella merkittävä PoW-kryptovaluutta.

Miten Bitcoinin käyttämä Proof of Work toimii käytännössä? Kun käyttäjä lähettää transaktion Bitcoin-verkkoon, se validoidaan verkon solmujen (node) toimesta. Nodet toimittavat transaktiot eteenpäin mempooliin odottamaan lisäystä uusiin lohkoihin. Louhijat poimivat transaktiot mempoolista priorisoiden siirtoja, joissa on korkein transaktiomaksu.

Bitcoinin louhijat ovat erikoisvalmisteisia ASIC-tietokoneita. Ne on suunniteltu ja optimoitu ratkaisemaan Bitcoin-louhinnassa suoritettavia matemaattisia yhtälöitä. Muita PoW-kryptovaluuttoja voidaan louhia myös näytönohjaimella (GPU) tai tavallisen tietokoneen prosessorilla (CPU).

Alla olevassa kuvassa on kiinalaisen Bitmainin valmistamia Bitcoin-louhijoita.

Bitcoin-louhinta vaatii valtavasti laskutehoa. Se toimii insentiivinä laitevalmistajille kehittää koko tehokkaampia louhijoita. Samalla valtava laskuteho takaa verkon turvallisuuden, koska ulkopuolisen tahon olisi mahdoton koota riittävästi prosessointitehoa hyökkäämistä varten.

Bitcoinin Proof of Work -konsensus käyttää ns. pisimmän ketjun sääntöä. Jos lohkoketju haarautuu, verkon nodet hylkäävät sen haaran, johon käytetään vähemmän laskentatehoa eli ”työntodistetta”. Tämän vuoksi vihamielinen taho ei voi luoda lohkoketjusta kilpailevaa haaraa pienemmällä laskentateholla.

Proof of Work vs. Proof of Stake

Proof of Stake on noussut suosituimmaksi konsensusalgoritmiksi tehokkuuden ja pienemmän energiankulutuksen vuoksi. Ethereum, BNB Chain, Cardano sekä kymmenet muut älysopimusalustat ovat esimerkkejä PoS-kryptovaluutoista.

PoS-järjestelmässä käytetään louhijoiden sijaan validaattoreita. Validaattoriksi pääsee steikkaamalla ko. järjestelmän natiivitokenia. Esimerkiksi Ethereum-verkon validaattorit steikkaavat Etheriä (ETH). Steikkaus tarkoittaa käytännössä kyseisen kryptovaluutan lukitusta älysopimukseen eli pois kierrosta.

Validaattoreilla on insentiivi toimia oikein ja lisätä lohkoihin vain hyväksyttyjä transaktioita. Jos validaattori rikkoo sääntöjä, se voi menettää osan (tai kaikki) steikkaamansa kryptovaluutat. Validaattorin ei kannata myöskään hyökätä verkon kimppuun toisesta syystä; mahdolliset ongelmat johtaisivat steikattuna olevan kryptovaluutan arvonlaskuun eli taloudellisiin tappioihin itselle.

Validaattorit ovat usein varsin standardinmukaisia palvelinkoneita. Niillä ei ole erityisiä vaatimuksia laskentatehon suhteen kuten Bitcoin-louhijoilla.

Mitä enemmän kryptovaluuttaa on steikannut, sitä korkeammalla todennäköisyydellä pääsee luomaan uuden lohkon ja saa sen tuomat lohkopalkkiot. Jokainen PoS-variantti eroaa hieman toisistaan sääntöjen osalta. Käymme tunnetuimpia PoS-järjestelmiä läpi tarkemmin seuraavissa kappaleissa.

Turvallisuus ja desentralisaatio ovat arvoja, joilla usein puolustetaan Bitcoinin PoW-ratkaisua verrattuna PoS-järjestelmiin. Vertailu ei ole aivan yksiselitteistä, ja PoS-järjestelmässä voidaan myös saavuttaa todella korkea desentralisaatio. Paljon riippuu projektin teknologisesta ratkaisusta.

Sekä PoW että PoS -ratkaisuissa on omat hyvät ja huonot puolensa. Näyttää kuitenkin siltä, että Proof of Stakesta on tullut de facto -konsensusalgoritmi viime vuosina energiatehokkuuden ja paremman skaalautuvuuden vuoksi.

Erilaiset Proof of Stake -versiot

Markkinoilla on useita erilaisia Proof of Stake (PoS) versioita. Jokainen PoS-järjestelmä käyttää hieman erilaisia sääntöjä ja parametreja. Miksi kaikki kryptovaluutat eivät sitten käytä yhtä ja samaa PoS-ratkaisua? Tähän on olemassa mm. seuraavia syitä:

1. Erilaiset tekniset vaatimukset ja tavoitteet
2. Innovaatiot ja uuden teknologian testaaminen
3. Maantieteelliset eroavaisuudet (regulaatio)
4. Erilaiset yhteisöt ja projektin taustavoimat

Tekniset vaatimukset ja projektin tavoitteet ovat varmasti suurin syy uusien PoS-varianttien syntymiselle. Markkinoilla on kymmeniä tuhansia kryptovaluuttoja, jotka yrittävät ratkaista erilaisia ongelmia. Yksi teknologinen ratkaisu ei voi palvella jokaista käyttötarkoitusta.

Cardanon Ouroboros (kuvassa) on yksi PoS-variantti. Cardano on hyvä esimerkki projektista, joka valinnut toteutuksessaan muista eroavan lähestymistavan.

Koko kryptovaluutasektori on myös alana todella nuori, ja se kehittyy myös nopeasti. Uusia innovaatioita syntyy kuin sieniä sateella. Laite- ja softakehittäjillä on jatkuvasti insentiivi luoda nopeampia ja tehokkaampia ratkaisuja. Jatkuva innovointi tuo markkinoille uusia versioita olemassa olevista ratkaisuista.

Vaikka kryptovaluutat toimivat globaalissa ympäristössä, maantieteelliset rajoitukset ja regulaatio ovat silti läsnä. Bitcoinia lukuun ottamatta, jokaisella projektilla on pääkonttori sekä kehitysyhtiö jossain maassa. Eri maissa oleva regulaatio voi asettaa vaatimuksia tai rajoitteita PoS-järjestelmän valintaan.

Jokaisella kryptovaluutalla on myös oma, uniikki, yhteisönsä. Esimerkiksi Bitcoin-yhteisön tärkein arvon desentralisaatio eli riittävän hajautettu verkko. Myös Cardano on tunnettu tästä tavoitteestaan, mikä näkyy steikkauksen toteutuksessa. Toisille projekteille on tärkeämpää luoda riittävän skaalautuva ja nopea ratkaisu desentralisaation kustannuksella.

Tunnetuimpia PoS-variantteja ovat Ethereumin Beacon Chain, Proof of Staked Authority, Ouroboros, Tendermint ja Delegated Proof of Stake. Seuraavaksi kerromme hieman lisätietoja jokaisesta versiosta.

Ethereumin Gasper

Gasper on konsensusalgoritmi, joka kehitettiin Ethereumin transitioon Proof of Work -konsensuksesta Proof of Stake -konsensukseen. Gasper koostuu kahdesta erillisestä komponentista: Casper-FFG:stä (Casper the Friendly Finality Gadget) sekä LMD-GHOST forkin valintasäännöstä.

Casper-FFG on ”finality gadget” algoritmi, joka käyttää Proof of Stake -mallia konsensuksen aikaansaamiseksi. Casper-FFG:n mukana Ethereumiin tulivat validaattorit, jotka korvasivat PoW-järjestelmän louhijat.

Validaattorit ovat vastuussa uusien lohkojen rakentamisesta Ethereumin lohkoketjuun. Se on nimeltään Beacon Chain. Validaattoriksi pääsee steikkaamalla Etheriä (ETH). Steikkaajat voivat muodostaa myös steikkauspooleja.

Minimimäärä steikkauksessa on 32 ETH. Käytännössä on mahdollista steikata myös pienempiä määriä kolmannen osapuolen (esim. kryptovaluuttapörssit tai steikkauspoolit) avulla. Ethereumilla on tällä hetkellä yli 560.000 validaattoria, jotka ovat steikanneet 17,9 miljoonaa Etheriä. Tämä on noin 15 % koko Ethereumin varannosta.

LMD-GHOST forkin valintasääntö on modifikaatio Greedy Heaviest Obeserved Sub-Tree (GHOST) valintasäännöstä. Kyseessä on erittäin tärkeä komponentti hajautetussa järjestelmässä, sillä se määrittelee lohkoketjun haarautuessa oikean (kanonisen) haaran.

LMD-GHOST -komponenttia käytetään jokaisen Ethereumin lohkon luomisen yhteydessä. Sen avulla varmistetaan, että käytössä oleva ketju on kanoninen, ja sillä on suurin tuki validaattoreilta. Lue lisää aiheesta Ethereumin virallisilta sivuilta.

Proof of Staked Authority (PoSA)

Proof of Staked Authority (PoSA) on konsensusalgoritmi, jota käyttää BNB Chain. Se on Ethereumin jälkeen markkinoiden suurin älysopimusalusta ja markkinoiden kolmanneksi suurin kryptovaluutta, jos stablecoineja ei lasketa.

PoSA on yhdistelmä Proof of Authority (PoA) ja Proof of Stake (PoS) konsensusalgoritmeja. Siinä verkon validaattorit valitaan perustuen steikattujen BNB-tokenien määrään.

Suurin ero BNB Chainin ja Ethereumin välillä on desentralisaatio. BNB Chainin PoSA-järjestelmässä on vain kourallinen validaattoreita, kun taas Ethereumissa niitä on satoja tuhansia. PoSA-malli on huomattavasti enemmän keskitetty ratkaisu.

BNB Chain on tällä hetkellä ainoa merkittävistä älysopimusalustoista, jotka käyttävät Binancen kehittämää PoSA-konsensusalgoritmia. Voit lukea lisää BNB Chainista Bitcoinkeskuksen kattavasta oppaasta.

Ouroboros

Ourorobos on Cardanoa varten kehitetty konsensusalgoritmi. Sen avulla voidaan rakentaa turvallinen, skaalautuva ja hajautettu maksujärjestelmä, jossa myös energiankulutus on minimoitu.

Ouroboros-järjestelmässä validaattorit valitaan satunnaisesti perustuen steikattujen tokenien määrään. Mitä enemmän tokeneita validaattori steikkaa, sitä suurempi todennäköisyys on päästä luomaan lohkoja. Cardanossa steikattava natiivitoken on ADA.

Cardanon ratkaisussa pyritään saavuttamaan desentralisaatio steikkauspoolien avulla. Steikkauspoolin tarkoitus on yhdistää usean steikkajaan ADA-tokenit yhdeksi panokseksi. Tämä parantaa merkittävästi yksittäisen steikkaajan mahdollisuuksia päästä luomaan lohkoja.

Steikkauspalkkiot pienevät suhteellisesti steikkauspoolin kasvaessa. Tämä luo insentiivin steikkaajille uusien steikkauspoolien luomiseksi, eivätkä tokenit keskity vain muutamaan isoon pooliin.

Alla oleva kuva näyttää statistiikkaa adapools.org -sivustolta. Sen mukaan yli 910.000 steikkaajaa on delegoinut tokeninsa yli 3180 steikkauspooliin.

Ouroboros-järjestelmässä lohkoja luodaan aikaikkunoissa, joita kutsutaan nimellä epoch. Se on pituudeltaan 120 päivää ja sisältää noin 432.000 slottia. Yksi slotti on kestoltaan 20 sekuntia. Jokaisen slotin kohdalla valitaan sille ns. slot leader, joka luo uuden lohkoketjun lohkon.

Ouroboros-konsensusalgoritmia käyttää Cardano. Se on yksi markkinoiden suurimmista kryptovaluutoista ja älysopimusalustoista. Lue lisää projektista Cardano kryptovaluutta -oppaasta.

Tendermint

Tendermint on Byzantine Fault Tolerenta (BFT) -pohjainen konsensusalgoritmi. Se käyttää Proof of Stake -mallia konsensuksen muodostamiseen. Tendermint on suunniteltu olemaan nopea, turvallinen ja helposti skaalautuva.

Myös Tendermint-ratkaisussa käytetään validaattoreita, jotka valitaan luomaan lohkoja steikattujen tokenien perusteella. Mitä enemmän steikkaat, sitä enemmän lohkoja pääset rakentamaan. Valintaprosessi on deterministinen, ja voit lukea siitä tarkemmin osoitteesta tendermint.com.

Tendermint-järjestelmässä voidaan luoda myös steikkauspooleja. Niiden perusidea toimii samoin kuin Gasper- ja Ouroboros-konsensusalgoritmeissa. Kun steikkaajat yhdistävät panoksensa pooliin, sen todennäköisyys voittaa lohkoja kasvaa merkittävästi.

Tendermint käyttää konseptia nimeltään rounds (kierros). Nämä ovat periodeja, joiden aikana validaattorit luovat uusia lohkoja. Jokainen “kierros” jakautuu useampaan “askeleeseen” (step), minkä aikana validaattori luo uuden lohkon. Validaattorit saavat lohkojen luomisesta palkkioksi kryptovaluuttaa.

Useat eri kryptovaluutat käyttävät Tendermint-konsensusalgoritmia. Sen on kehittänyt Cosmos, joka on myös tunnetuin Tendermintin käyttäjä. Cosmos rakentaa teknologiaa, mikä yhdistää useat eri lohkoketjut toisiinsa.

Delegated Proof of Stake

Delegated Proof of Stake (DPoS) on Dan Larimerin kehittämä konsensusalgoritmi. Useat kryptovaluutat hyödyntävät DPoS-konsensusta. Näistä tunnetuimmat ovat EOS, Steem, ja BitShares, jotka ovat kaikki myös Larimerin perustamia.

DPoS-järjestelmässä verkon toimivat valitsevat pienen joukon ”delegaatteja”, jotka ovat vastuussa lohkojen luonnista ja transaktioiden validoinnista. Usein käytetty määrä on 21 delegaattia. Ne saavat palkkioksi työstään lohkopalkkiot sekä transaktiomaksut.

DPoS-konsensus mahdollistaa myös steikkauspoolien luomisen. Niiden avulla ryhmä steikkaajia voi parantaa merkittävästi mahdollisuutta päästä delegaatiksi eli rakentamaan uusia lohkoja.

Jokainen tokenin holdaaja voi äänestää haluamaansa delegaattia DPoS-järjestelmällä idealla yksi token = yksi ääni. Omat äänensä voi myös delegoida.

DPoS on suunniteltu yhdistämään sekä skaalautuvuus että desentralisaatio. Se ei ole kuitenkaan saavuttanut suurta suosiota Dan Larimerin omien projektien ulkopuolella.

Yhteenveto

Yhteenvetona voidaan todeta, että konsensusalgoritmit toimivat hajautettujen maksujärjestelmien selkärankana. Ne määrittelevät miten verkon toimijat muodostavat konsensuksen ja rakentavat uudet lohkot. Proof of Work ja Proof of Stake ovat kaksi yleisintä ratkaisua.

Proof of Work vaatii toimiakseen fyysisiä louhintalaitteita, jotka kilpailevat lohkojen luomisesta matemaattisia yhtälöitä ratkomalla. Proof of Stake käyttää puolestaan validaattoreita, jotka rakentavat uudet lohkot. PoS on energiatehokkaampi ja skaalautuvampi ratkaisu, mutta Bitcoinin Proof of Work on turvallisin vaihtoehto.

Proof of Stake -konsensuksesta on olemassa useita eri variaatioita. Ethereumin Gasper, BNB Chainin Proof of Staked Authority, Cardanon Ouroboros ja Cosmoksen kehittämä Tendermint ovat tunnetuimmat esimerkit. Jokaisella eri PoS-variantilla on omat heikkoudet ja vahvuutensa.