Консенсус Накамото: цепь с наибольшим объемом работы

Любопытство

1. Как тысячи незнакомцев могут договориться о единой истории без лидера или голосования?
2. Почему добавление ещё одного блока затрудняет отмену старой транзакции?
3. Что происходит, когда две цепи существуют одновременно в течение десяти минут?

Исследование

1. Консенсус в Bitcoin — это не выборы. Здесь нет фиксированного состава участников, нет лидера и нет формального голосования. Каждая полная нода независимо проверяет транзакции по исчерпывающему набору правил. Когда майнеры собирают эти действительные транзакции в блоки, они выполняют доказательство работы (PoW): решают вычислительно дорогую задачу, которая служит временной меткой. Эта работа закрепляет блок в цепи, делая его частью глобальной истории, изменить которую дорого.
2. Когда появляются две конкурирующие цепи, каждая нода следует простому правилу: принимать цепь с наибольшим накопленным доказательством работы. Когда одна ветвь вырывается вперёд по накопленной работе, другая отбрасывается, а её транзакции возвращаются в мемпул, если только победившая ветвь уже их не содержит. Этот механизм нейтрализует атаки Сивиллы (Sybil): создавать тысячи фальшивых личностей бесполезно, если у их владельца нет соразмерной вычислительной мощности. Какая из действительных историй победит, решает вес, измеряемый доказательством работы, а не идентичность.
3. Согласие здесь вероятностное, а не абсолютное. Транзакция становится надёжнее с каждым блоком, добавленным поверх неё, потому что злоумышленнику придётся заново выполнить работу для этого блока и всех последующих, чтобы обогнать честную цепь. В разделе 11 whitepaper этот риск рассчитан: если злоумышленник контролирует долю хешрейта q, вероятность того, что он когда-либо догонит цепь, отставая на z блоков, экспоненциально падает с ростом z.
4. Для атакующего, обладающего всего 10% производительности хеширования сети (q = 0.1), вероятность обратного прослеживания транзакции, скрытой за пятью подтверждениями, составляет менее 0.1%. Это математическое снижение вероятности обеспечивает модель безопасности для магазинов и бирж. Кратковременные реорганизации, при которых несколько блоков отбрасываются в пользу другой действительной цепи, являются частью нормальной работы сети и не свидетельствуют о сбое, а скорее отражают динамическую конкуренцию, присущую механизму proof-of-work.
5. В разделе 6 утверждается, что стимулы заставляют рациональных участников действовать в интересах стабильности сети. Майнер со значительным хешрейтом зарабатывает больше, соблюдая правила, чем атакуя систему, потому что ценность его монет зависит от надёжности сети. Подорвав это доверие, он обесценил бы те самые активы, которыми владеет. Такая экономическая связь гарантирует, что крупные игроки прямо заинтересованы в поддержании консенсуса, а не в его нарушении.
6. Воспроизведите расчёты из whitepaper. В разделе 11 приведены короткая программа на C и таблица: для злоумышленника с q = 0,1 вероятность догнать цепь, отставая на пять блоков, составляет около 0,0009, то есть менее 0,1%. При q = 0,3 те же пять блоков оставляют шанс около 18%, и чтобы снизить риск ниже 0,1%, нужно гораздо больше подтверждений. Безопасность зависит от того, какой хешрейт способен собрать злоумышленник, а не от фиксированного числа блоков.

Ключевые факты

Упражнение девять, шесть, три, один

Проверка фактов

Даты, цифры и утверждения были проверены по приведенным ниже опубликованным источникам.

• S. Nakamoto, 'Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System' (2008), Sections 4, 6, and 11.
• J. Garay, A. Kiayias & N. Leonardos, 'The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications' (2015)