O que é um algoritmo de consenso em Blockchain?

Blockchain é uma das inovações tecnológicas mais significativas das últimas duas décadas. Uma rede de blockchain é um tipo de livro-razão de dados distribuído que é imutável, apenas anexável e protegido por mecanismos criptográficos. Blockchains permitem que uma rede de participantes armazene e atualize registros sem depender de uma autoridade central, enquanto preserva a integridade dos dados e a resistência à adulteração.

Para alcançar essas propriedades, a rede deve concordar continuamente em uma única versão válida do livro-razão de transações. Este acordo compartilhado é conhecido como consenso, e mantê-lo é fundamental para a confiabilidade e segurança de qualquer sistema de blockchain.

Neste artigo, discutimos o que é um algoritmo de consenso, como ele funciona como parte do processo mais amplo de blockchain, como redes descentralizadas alcançam consenso e quais algoritmos de consenso populares estão atualmente implementados na indústria.

Principais pontos:

• Algoritmos de consenso são críticos para redes de blockchain. Eles garantem que todos os nós concordem com um único estado de ledger à prova de adulteração, resolvam conflitos e previnam problemas como o gasto duplo, mantendo assim a confiança e integridade dentro de um sistema descentralizado.

• Um algoritmo de consenso é o mecanismo que garante que todos os nós em uma rede de blockchain concordem sobre o estado do ledger distribuído.

• Entre os algoritmos de consenso mais comumente utilizados estão prova de trabalho, prova de participação, prova de participação delegada, tolerância a falhas bizantinas prática e prova de autoridade.

O que é um algoritmo de consenso?

Uma rede de blockchain é um sistema descentralizado no qual múltiplos nós mantêm um livro-razão compartilhado de transações. Cada nó é um computador (conectado à rede) que possui pelo menos uma cópia parcial do livro-razão e participa na validação e retransmissão dos dados de transação. As transações são agrupadas em blocos, e cada novo bloco faz referência ao anterior, formando uma cadeia cronológica. Uma vez adicionado à cadeia, os dados em um bloco não podem ser alterados sem afetar todos os blocos subsequentes, o que torna o livro-razão resistente a adulterações e imutável.

Para que este sistema opere de forma confiável, todos os nós participantes devem concordar sobre o estado atual do livro-razão. Como os nós operam de forma independente e podem receber dados em diferentes datas e horas, eles precisam de um mecanismo para resolver conflitos e garantir que todo nó honesto veja e aceite a mesma versão do livro-razão. É aqui que o algoritmo de consenso se torna essencial.

Um algoritmo de consenso é o processo utilizado para alcançar acordo entre nós sobre quais transações são válidas e qual bloco deve ser adicionado ao livro-razão próximo. Seu papel é garantir que todos os participantes honestos converjam para uma única versão autoritativa da blockchain, mesmo na presença de atrasos, falhas ou atores maliciosos. Sem um mecanismo de consenso eficaz, diferentes partes da rede poderiam discordar sobre a ordem ou o conteúdo das transações, levando a problemas como gasto duplo, inconsistência de dados e perda de confiança na integridade do sistema.

O processo de consenso não se trata simplesmente de regra da maioria, e deve levar em conta a possibilidade de nós desonestos ou com mau funcionamento — o que significa que o sistema deve ser robusto contra manipulação e resistente a alterações e versões conflitantes da cadeia. O design de um algoritmo de consenso afeta diretamente a segurança, desempenho e nível de descentralização de uma blockchain. É um dos componentes mais fundamentais da arquitetura de blockchain, e é um pré-requisito para garantir que a rede opere como um sistema confiável e unificado.

Como funcionam os algoritmos de consenso

Os algoritmos de consenso de blockchain dependem de dois processos interconectados que garantem que todos os participantes concordem com uma única versão da rede distribuída. O primeiro processo diz respeito à maneira como as transações são reunidas, e um ou mais nós ganham o direito de propor um novo bloco contendo essas transações, enquanto o segundo processo diz respeito à forma como o bloco proposto é compartilhado pela rede e verificado por outros nós antes de ser adicionado permanentemente ao livro-razão.

Em uma blockchain, os usuários continuamente iniciam transações enviando-as para a rede. Essas transações são transmitidas para todos os nós, e são coletadas e temporariamente armazenadas em um pool de transações não confirmadas. Em vez de adicionar imediatamente cada transação ao livro-razão, a rede agrupa um lote de transações em um bloco. Cada bloco contém uma coleção de transações, juntamente com metadados como uma referência ao bloco anterior, data e hora e outros dados específicos do protocolo. Essa estrutura forma uma cadeia contínua, à medida que cada novo bloco referencia seu predecessor, garantindo a ordem cronológica e prevenindo adulterações.

No entanto, os nós não podem adicionar um bloco à blockchain à vontade. A rede deve determinar qual nó ou nós têm a autoridade para propor o próximo bloco. Esta atribuição, que representa o primeiro processo chave em um algoritmo de consenso, varia entre blockchains. Alguns sistemas dependem de processos competitivos, pelos quais nós competem para resolver um quebra-cabeça criptográfico ou demonstrar uma forma de participação ou autoridade para ganhar o direito de propor o próximo bloco. Outros usam mecanismos de eleição ou rotação. Independentemente do método, o processo de seleção é projetado para controlar as propostas de blocos de modo que blocos conflitantes sejam minimizados, e a rede possa progredir de maneira ordenada.

O nó ou (nós) que ganham o direito de adicionar o próximo bloco ao livro-razão transmitem o bloco proposto para outros nós para revisão. Esta propagação do bloco preliminarmente validado para toda a rede para confirmação final é a segunda etapa chave de um algoritmo de consenso.

Próximos passos

Ao receber o bloco proposto, nós em toda a rede começam um processo de verificação. Este processo consiste em múltiplas verificações para garantir que o bloco adere às regras do protocolo da Blockchain. Os nós primeiro verificam se o bloco proposto referencia corretamente o bloco anterior na cadeia, mantendo a integridade sequencial do livro-razão. Eles então validam cada transação incluída no bloco, confirmando que as assinaturas digitais são válidas e que as entradas de transação não foram gastas em blocos ou transações anteriores. Isso previne o duplo gasto e mantém a consistência do livro-razão.

A verificação também envolve checar se todas as transações estão em conformidade com as regras do protocolo, como limites de tamanho de transação, formatos e requisitos de taxa. Os nós examinam os metadados do bloco proposto, incluindo carimbos de data e hora, para garantir que o bloco não foi formado fora das janelas de tempo permitidas. Além disso, os nós verificam quaisquer provas ou assinaturas criptográficas que demonstrem a elegibilidade ou autoridade do proponente para enviar o bloco (conforme determinado pelo mecanismo de consenso em uso).

Se qualquer etapa de verificação falhar, os nós rejeitam o bloco proposto. Rejeição significa que o bloco não é adicionado à Blockchain e é descartado por todos os nós honestos. Esta rejeição protege a rede de dados inválidos e potenciais ataques. A rede continua a depender do último bloco aceito enquanto o processo de propor um próximo bloco válido se repete.

Se o bloco proposto passar em todas as verificações, o consenso é alcançado. Todos os nós honestos aceitam o bloco e o adicionam permanentemente à sua cópia local da blockchain. Este acordo coletivo garante que a blockchain permaneça um registro único e consistente em todos os nós. Uma vez que o bloco é adicionado, os nós passam a coletar novas transações e a se preparar para o próximo ciclo de proposta de bloco.

Esta abordagem em duas etapas — ou seja, a formação de um bloco proposto por um nó responsável e a validação adicional do bloco pela rede mais ampla — representa todo o processo de consenso da blockchain. Embora os mecanismos específicos para seleção e verificação diferem entre os algoritmos de consenso, este quadro geral garante que a rede opere de forma confiável sem controle centralizado. Ele protege contra erros, comportamentos maliciosos e inconsistências que poderiam minar a confiança no sistema da blockchain.

Tipos de algoritmos de consenso em blockchain

Como descrito acima, todo algoritmo de consenso realiza duas funções principais: primeiro, selecionar o nó ou grupo de nós responsável por propor o próximo bloco; e segundo, validar o bloco proposto em toda a rede. 

A segunda parte deste processo (validação em toda a rede) é tipicamente bastante semelhante na maioria das blockchains e envolve várias verificações, como verificar assinaturas de transações, garantir a ligação correta dos blocos e verificar a dupla-gasta. No entanto, a primeira parte pode diferir dramaticamente, dependendo do algoritmo de consenso utilizado. Essas diferenças têm um grande impacto na descentralização da rede, uso de energia, desempenho e vulnerabilidade a ataques.

Abaixo estão cinco dos algoritmos de consenso mais comuns utilizados nas redes de blockchain hoje. Embora existam muitos outros algoritmos de consenso em uso, esses cinco são utilizados por uma sólida maioria das redes mais populares na indústria de blockchain.

Proof of work (PoW)

Proof of work (PoW) é um dos dois algoritmos de consenso mais populares, introduzido com o Bitcoin (BTC), a primeira blockchain viável, lançada em 2009. No algoritmo de consenso PoW, mineradores (nós especializados) competem para resolver um quebra-cabeça matemático complexo. Resolver o quebra-cabeça requer um esforço computacional significativo, por isso é referido como "trabalho". O primeiro minerador a resolvê-lo tem o direito de propor o próximo bloco e ganhar uma recompensa, tipicamente na forma de novas moedas e taxas de transação.

PoW é amplamente considerado como altamente seguro porque um atacante precisaria controlar a maioria do poder computacional da rede para manipular a cadeia. No entanto, essa segurança vem ao custo do alto consumo de energia envolvido no processo de PoW, o que gerou críticas e levou muitas cadeias mais novas a adotar algoritmos de consenso alternativos. Além do Bitcoin, o PoW também é utilizado pelo Litecoin (LTC) e Dogecoin (DOGE), entre outros.

Proof of stake (PoS)

Proof of stake (PoS) é o outro método de consenso amplamente utilizado ao lado do PoW. Em vez de usar poder computacional para competir pelos direitos de proposta de bloco, o PoS seleciona validadores de bloco com base em quantos tokens eles "apostam" ou bloqueiam na rede. Quanto mais tokens apostados, maior a chance de ser escolhido para propor o próximo bloco.

Ao contrário do PoW, o PoS é muito mais eficiente em termos de energia e frequentemente permite um processamento de transações mais rápido. O PoS foi amplamente popularizado com o lançamento de cadeias como Cardano (ADA) e Polkadot (DOT), e ganhou mais destaque quando o Ethereum (ETH) transicionou de PoW para PoS em 2022. Cada rede normalmente tem sua própria variante de PoS, com pequenas alterações nos critérios de seleção.

Apesar de sua eficiência energética e melhor desempenho em comparação com o PoW, o PoS tem uma vulnerabilidade própria: este algoritmo de consenso pode potencialmente levar à usurpação da rede por um pequeno número de nós validadores com participações significativas de tokens. Este problema pode não ser tão evidente em cadeias altamente descentralizadas como o Ethereum, mas pode se tornar um risco real quando a descentralização — medida pelo número de validadores ativos na rede — é limitada.

Prova de participação delegada (DPoS)

Prova de participação delegada (DPoS) é uma variante representativa mais democrática do PoS padrão. No DPoS, os titulares de tokens, incluindo usuários comuns, delegam suas participações a um grupo de nós validadores confiáveis. Validadores que atraem mais participações delegadas a eles têm uma chance maior de receber o direito de propor o próximo bloco. Em essência, este grupo menor de nós validadores se revezam propondo e validando blocos de transações em nome da comunidade mais ampla.

Este modelo permite um consenso mais rápido e maior escalabilidade, já que menos nós estão envolvidos na proposição de blocos a qualquer momento. Também promove o engajamento do usuário, já que mesmo pequenos titulares de tokens podem influenciar os resultados do consenso por meio de delegação. No entanto, os críticos argumentam que isso pode reduzir a descentralização porque concentra o poder em um punhado de delegados. Exemplos de redes que usam DPoS são EOS (EOS) e TRON (TRX).

Tolerância a falhas bizantinas prática (PBFT)

A tolerância a falhas bizantinas prática (PBFT) foi originalmente desenvolvida para sistemas de computação distribuída na década de 1990 e posteriormente adaptada para uso em tecnologia de blockchain. É projetada para funcionar eficientemente em redes de computadores descentralizadas com um número limitado de validadores conhecidos (tipicamente blockchains privadas). No PBFT, os nós alcançam consenso através de uma série de rodadas que envolvem propor um bloco, votar nele e chegar a um acordo final, desde que ⅔ dos nós concordem.

O PBFT oferece finalização rápida de transações e alto rendimento, tornando-o atraente para casos de uso empresarial. No entanto, ele não escala bem para milhares de nós, o que limita seu uso em redes abertas e descentralizadas. Modelos inspirados em PBFT são utilizados em blockchains como Hyperledger Fabric e Tendermint, este último alimentando o Cosmos (ATOM) ecossistema.

Prova de autoridade (PoA)

Prova de autoridade (PoA) é um algoritmo de consenso no qual os proponentes de blocos são entidades pré-aprovadas e identificadas, muitas vezes empresas ou indivíduos com uma forte reputação. Em vez de competir através de poder computacional ou tokens em stake, os validadores são selecionados com base em sua identidade e confiabilidade.

PoA é tipicamente utilizado em blockchains permissionadas nas quais velocidade, eficiência e confiança baseada em identidade são mais importantes do que descentralização. Ele permite finalização rápida e alto rendimento de transações, mas é frequentemente criticado por ser muito centralizada. Redes como VeChain (VET) e inúmeras cadeias empresariais permissionadas implementaram o consenso PoA.

Conclusão

Algoritmos de consenso são a espinha dorsal das redes de blockchain. Eles são críticos para garantir que todos os participantes concordem com uma única versão inviolável do livro-razão. Enquanto o processo geral envolve tanto a seleção de um proponente de bloco quanto a validação do bloco através da rede, é o método particular de seleção do proponente que realmente diferencia esses algoritmos.

De PoW, que consome muita energia, a modelos altamente eficientes e escaláveis como PoS e DPoS, cada algoritmo reflete diferentes trade-offs em segurança, descentralização e desempenho. Escolher o mecanismo de consenso certo depende dos objetivos e do design da blockchain — se é uma rede pública, sem permissão ou uma solução empresarial mais centralizada.



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