O que é consenso de Nakamoto

Os algoritmos de consenso são fundamentais para verificar a autenticidade das plataformas de blockchain distribuídas e são o processo de construção de um acordo entre uma rede de participantes mutuamente desconfiados.

Criado por Satoshi Nakamoto para Bitcoin, o Consenso Nakamoto refere-se ao conjunto de regras, em conjunto com o modelo de consenso de Prova de Trabalho na rede, que regem o mecanismo de consenso e garantem sua natureza de confiança. Ao fazer isso, o Bitcoin se tornou a primeira rede Peer to Peer (P2P) aberta e distribuída Tolerante a Falhas Bizantinas (BFT) que utiliza uma rede distribuída de nós anônimos que são livres para entrar e sair da rede à vontade.

Tolerância a falhas bizantinas (BFT)

Tolerância a falhas bizantinas é a capacidade de uma rede de computadores distribuída de permanecer tolerante a falhas com consenso válido, apesar das informações imperfeitas ou dos componentes com falha da rede. Antes do Bitcoin, a única maneira de manter uma rede BFT e P2P era empregando um grupo fechado ou semifechado de nós. Além disso, os algoritmos BFT tradicionais, como o Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT), usam um método de seleção de nó diferente do que é usado atualmente no Consenso de Nakamoto.

Manter BFT em uma rede aberta e distribuída como uma tão grande quanto Bitcoin requer o uso de um conjunto específico de regras que dependem tanto da criptografia quanto da mecânica da teoria dos jogos para criar o ambiente sem confiança necessário para facilitar o consenso descentralizado em uma rede de transferência de valor.

Em sistemas pBFT, o modelo de consenso funciona apenas em pequenos grupos de nós fechados (~ 50), onde há uma quantidade substancial de sobrecarga de comunicação que impede que esses modelos de consenso sejam capazes de operar em escala. Alcançar o consenso em sistemas com falhas arbitrárias geralmente requer um sistema de votação específico para ajudar a alcançar o consenso. Em relação às plataformas de criptomoedas que utilizam modelos de consenso pBFT, esse mecanismo de votação é baseado em um sistema de nós “líderes” rotativos em um formato de estilo round-robin. Uma vez que o sistema consiste em uma rede de nós limitados e fechados, é trivial para esses nós se comunicarem eficientemente entre si e determinarem quem é o “líder” que propõe cada novo bloco.

Tolerância prática a falhas bizantinas

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Se o líder agir de forma maliciosa, eles podem ser removidos por maioria de votos dos nós. No entanto, isso claramente não se ajusta bem em um sistema como o Bitcoin, onde o consenso sobre todo o estado do blockchain e a validade de todas as suas transações é distribuído para milhares de nós em todo o mundo que se conectam e desconectam continuamente da rede. Além disso, deve haver um custo inerente à participação neste sistema de consenso para desencorajar os participantes de agir de forma maliciosa.

Portanto, para que o Bitcoin opere como uma rede P2P tolerante a falhas bizantinas, ele introduziu um algoritmo de consenso de mineração PoW em conjunto com um conjunto específico de regras que governam o mecanismo a fim de alcançar um consenso sem confiança em toda a rede. Isso passou a ser conhecido como Consenso Nakamoto clássico.

Como funciona o consenso de Nakamoto?

O Consenso de Nakamoto pode ser dividido em cerca de 4 partes.

  • Prova de Trabalho (PoW)
  • Seleção de Bloco
  • Escassez
  • Estrutura de incentivos

A combinação e harmonização desses 4 componentes do Bitcoin permitem que ele se torne a rede distribuída para transferência de valor que é. Ele opera com um consenso sem confiança e permanecerá seguro enquanto a maior parte do poder contribuído para o processo de mineração estiver nas mãos de mineiros honestos, como você verá a seguir.

Prova de Trabalho

No geral, o mecanismo mais importante que impulsiona o consenso em Bitcoin é o protocolo de consenso da Prova de Trabalho. Basicamente, os mineiros usam um nó completo específico para competir em blocos de mineração a fim de ganhar a recompensa do bloco que é emitida para cada bloco extraído e validado com sucesso. O custo deste processo de mineração é a eletricidade, que tem um valor financeiro do mundo real, dando ao BTC emitido para cada bloco minerado um valor inerente.

Mineração de bitcoin

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PoW em Bitcoin é projetado para evitar gastos em dobro. Embora o esquema de assinatura digital dentro do modelo UTXO forneça a propriedade verificável das saídas da transação a serem gastas, ele não permite a prevenção de gastos duplicados. O blockchain é uma cadeia de blocos de dados com carimbo de data / hora contendo transações com cada bloco em hash para o anterior. Isso fornece imutabilidade ao blockchain, mas como você pode saber se a corrente em que você está é a corrente correta? É aqui que entra o PoW.

A contribuição para a mineração é baseada no poder computacional; quanto mais poder você tiver na rede, maior será a probabilidade de minerar um bloco. Porém, o processo é estocástico, então basicamente é uma loteria com chance aleatória de quem vai ganhar, então é impossível saber quem vai ganhar na próxima rodada e o custo para participar vai continuar aumentando. Por causa deste modelo, a cadeia mais longa é considerada a cadeia válida porque veio do maior pool de poder computacional. As regras de validação garantem que os blocos propostos tenham o trabalho computacional necessário executado para serem aceitos. Além disso, enquanto a cadeia mais longa e a maioria do poder de hashing da rede forem controlados por nós honestos, a cadeia honesta crescerá mais rápido e ultrapassará as cadeias concorrentes.

O resultado desse sistema é que, uma vez resolvido o quebra-cabeça criptográfico da rodada de mineração, um minerador propõe o bloco à rede, a rede valida o bloco se todas as transações dentro do bloco não forem gastas em dobro e o bloco é adicionado ao a cadeia mais longa. Com uma rede massiva distribuída como a do Bitcoin, o custo de atacar a rede por meio de um ataque de 51% é enorme e só fica maior à medida que a rede continua a crescer.

51% Calculadora de Ataque

51% Calculadora de Ataque

Seleção de Bloco

O processo de seleção de blocos utilizado pelo Nakamoto Consensus é um dos principais componentes que o diferencia de outros modelos de consenso. Uma vez que o modelo é baseado em um projeto PoW, o processo de seleção de bloco refere-se especificamente ao processo de “loteria” para mineiros que competem para ganhar a recompensa em bloco pela mineração do próximo bloco.

Lembre-se, no pBFT o líder do bloco é selecionado por meio de um processo de votação e substituído em um formato de rodízio a cada rodada. Não há mineração neste sistema, os blocos são selecionados para serem adicionados à cadeia pelo líder e precisam ser aprovados por pelo menos ⅔ dos outros nós. No Bitcoin, não há processo de votação para determinar o líder do bloco. Em vez disso, ele utiliza um quebra-cabeça criptográfico baseado em incrementar um nonce no bloco até que o valor correto que representa o hash do bloco e os bits de zero necessários para o início do nonce sejam alcançados.

Todos os mineiros da rede competem para resolver esse quebra-cabeça e o primeiro a encontrar a solução ganha a rodada da loteria. O bloco é então propagado pelo minerador através da rede para os outros nós de mineração que votam implicitamente para aceitar o bloco como válido, adicionando o bloco à cadeia mais longa. Um efeito resultante desse processo é a remoção da influência potencial de terceiros em um líder de bloco porque o processo é aleatório e o líder não pode ser previsto. A única maneira de ganhar na loteria é contribuir com o poder de hashing para a rede na esperança de ganhar, e quando você não ganha, a energia gasta se torna um custo irrecuperável, adicionando à estrutura de incentivo da mineração. Torna-se um custo inerente à participação, independentemente de você extrair blocos com sucesso ou não.

Escassez

Antes que moedas inflacionárias resultantes do sistema bancário de reservas fracionárias dominassem o cenário monetário global, metais preciosos eram a principal forma de armazenamento de valor e comércio. Um dos principais motivos pelos quais foram usados, e ainda mantêm seu valor histórico (pense em ouro e prata), é porque são escassos. Além de serem escassos, é necessário esforço (PoW acima) para extraí-los e usá-los.

A escassez de Bitcoins é baseada nessa premissa, limitando o número total de Bitcoins que serão minerados a 21 milhões. Além disso, o Bitcoin só pode ser injetado no sistema por meio do processo de mineração e segue um esquema deflacionário em que a recompensa do bloco é reduzida à metade a cada 210.000 blocos (~ 4 anos).

Estrutura de incentivos

O design deflacionário do Bitcoin cria um mecanismo de incentivo para interesses adquiridos de longo prazo por proprietários de Bitcoin e participantes da rede Bitcoin para proteger e validar ainda mais a rede, ao mesmo tempo que apóia o crescimento do valor do próprio Bitcoin. A natureza deflacionária do Bitcoin também cria um modelo de teoria do jogo iterativo em que a cooperação entre os indivíduos dentro da rede é ótima por meio de interesses alinhados impulsionados pela deflação no longo prazo.

Os mineiros são incentivados a validar e proteger a rede de forma honesta, pois a recompensa que recebem por minerar um bloco é Bitcoin. Se o valor do Bitcoin cair ou a rede ficar comprometida, isso afeta seus resultados financeiros.

É importante ressaltar que o Bitcoin, utilizando o Consenso Nakamoto, é um socialmente escalável rede. Por meio de projetos de incentivos, PoW e conjuntos de regras que governam a mecânica de se chegar a um consenso sem confiança, o Bitcoin supera problemas inerentes à natureza humana para se tornar uma fonte confiável e legítima de valor intrínseco.

Conclusão

O Consenso de Nakamoto é o primeiro mecanismo de consenso aplicado a sistemas de razão distribuídos, pois coincidiu com a invenção de blockchains e recebeu o nome de seu misterioso arquiteto. O termo “blockchain” é usado indiscriminadamente hoje em dia como uma solução para todos os problemas sob o sol.

Blockchains são um componente importante das criptomoedas, no entanto, seu vasto potencial não seria possível sem estar entrelaçado com outros componentes das plataformas. No Bitcoin e em alguma outra prova de criptomoeda de trabalho, este é o Consenso de Nakamoto, e é vital para forjar uma rede socialmente escalável como o Bitcoin.

Mike Owergreen Administrator
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