O que é o consenso? Um guia para principiantes

O que é um mecanismo de consenso? Da prova de trabalho à prova de aposta, saiba como funcionam para a moeda criptográfica

O consenso para a cadeia de blocos é um procedimento em que os pares de uma rede de cadeia de blocos chegam a acordo sobre o estado atual dos dados na rede. Desta forma, os algoritmos de consenso estabelecem a fiabilidade e a confiança na rede de cadeias de blocos.

Principais conclusões:

• Os mecanismos de consenso (também conhecidos como protocolos de consenso ou algoritmos de consenso) são utilizados para verificar as transacções e manter a segurança da cadeia de blocos subjacente.
  
• Existem muitos tipos diferentes de mecanismos de consenso, cada um com várias vantagens e desvantagens.
  
• Proof of Work (PoW) e Proof of Stake (PoS) são dois dos mecanismos de consenso mais utilizados.

Porque é que as cadeias de blocos precisam de mecanismos de consenso

Os mecanismos de consenso constituem a espinha dorsal de todas as cadeias de blocos de criptomoedas e são o que as torna seguras. Antes de nos debruçarmos sobre os diferentes mecanismos de consenso, comecemos por definir o que significa para as cadeias de blocos obterem consenso.

Uma cadeia de blocos é um livro digital descentralizado, distribuído e, muitas vezes, público, utilizado para registar transacções. Cada uma destas transacções é registada como um “bloco” de dados, que tem de ser verificado de forma independente por redes informáticas peer-to-peer antes de ser adicionado à cadeia. Este sistema ajuda a proteger a cadeia de blocos contra actividades fraudulentas e resolve o problema das “despesas duplas”.

Para garantir que todos os participantes numa rede blockchain concordam com uma única versão da história, as redes blockchain como a Bitcoin e a Ethereum implementam o que é conhecido como mecanismos de consenso (também conhecidos como protocolos de consenso ou algoritmos de consenso). Estes mecanismos têm como objetivo tornar o sistema tolerante a falhas.

Para saber mais sobre os princípios subjacentes à cadeia de blocos e os desafios de obter consenso num sistema distribuído e descentralizado, leia O que é a cadeia de blocos? Do problema dos generais bizantinos ao consenso.

O que é o consenso na cadeia de blocos?

O consenso é o processo pelo qual um grupo de pares – conhecidos como “nós” – numa rede determina quais as transacções da cadeia de blocos que são válidas e quais as que não são. Os mecanismos de consenso são as metodologias utilizadas para alcançar este acordo. São estes conjuntos de regras que ajudam a proteger as redes contra comportamentos maliciosos e ataques de hackers.

Existem muitos tipos diferentes de mecanismos de consenso, consoante a cadeia de blocos e a sua aplicação. Apesar de diferirem na sua utilização de energia, segurança e escalabilidade, todos partilham um objetivo: garantir que os registos são verdadeiros e honestos. Segue-se uma visão geral de alguns dos tipos mais conhecidos de mecanismos de consenso utilizados pelos sistemas distribuídos para chegar a um consenso.

Tipos de mecanismos de consenso

Prova de trabalho (PoW)

Utilizado pela Bitcoin e por muitas outras cadeias de blocos públicas, o Proof of Work (PoW) foi o primeiro mecanismo de consenso criado. É geralmente considerado como o mais fiável e seguro de todos os mecanismos de consenso, embora haja muitas preocupações quanto à escalabilidade. Embora o termo “prova de trabalho” tenha sido cunhado pela primeira vez no início da década de 1990, foi o fundador da Bitcoin, Satoshi Nakamoto, quem primeiro aplicou a tecnologia no contexto das moedas digitais.

No PoW, os “mineiros” competem essencialmente entre si para resolver puzzles computacionais extremamente complexos utilizando computadores de alta potência. O primeiro a chegar ao número hexadecimal de 64 dígitos (“hash”) ganha o direito de formar o novo bloco e confirmar as transacções. O mineiro bem sucedido também é recompensado com uma quantidade pré-determinada de criptomoedas, conhecida como “recompensa de bloco”.

Uma vez que requer grandes quantidades de recursos computacionais e de energia para gerar novos blocos, os custos de funcionamento da PoW são notoriamente elevados. Isto actua como uma barreira de entrada para novos mineiros, levando a preocupações sobre a centralização e limitações de escalabilidade.

Mas não são apenas os custos que são elevados. A crítica mais comum ao PoW é o impacto que o consumo elétrico tem no ambiente. Isto levou muitos a procurar protocolos de consenso mais sustentáveis e energeticamente eficientes, como o Proof of Stake (PoS).

Prova de participação (PoS)

Como o nome sugere, este método popular de consenso gira em torno de um processo conhecido como“staking“. Num sistema de Proof of Stake (PoS), os “validadores” fazem uma aposta em moeda digital para terem a oportunidade de serem escolhidos aleatoriamente para validar um bloco, o que lhes dá uma recompensa. O processo não é muito diferente de uma lotaria, em que quanto mais moedas forem apostadas, melhores são as probabilidades.

Ao contrário do PoW, em que os mineiros são incentivados por recompensas de blocos (moedas recém-geradas), aqueles que contribuem para o sistema PoS ganham simplesmente uma taxa de transação.

O PoS é visto como uma alternativa mais sustentável e amiga do ambiente ao PoW, e mais segura contra ataques de 51%. No entanto, como o sistema favorece as entidades com um maior número de tokens, o PoS foi alvo de críticas devido ao seu potencial de centralização. As plataformas PoS proeminentes incluem Ethereum – que fez a transição de PoW para PoS em 2022 – Cardano (ADA), Solana (SOL) e Tezos (XTZ).

Prova de participação delegada (DPoS)

Uma modificação do mecanismo de consenso PoS, a Delegated Proof of Stake (DPoS) baseia-se num sistema de votação baseado na reputação para alcançar o consenso. Os utilizadores da rede “votam” para selecionar “testemunhas” (também conhecidas como “produtores de blocos”) para proteger a rede em seu nome. Apenas as testemunhas de topo (as que têm mais votos) ganham o direito de validar transacções na cadeia de blocos.

Para votar, os utilizadores adicionam os seus tokens a uma pool de staking. Os votos são então ponderados de acordo com o tamanho da participação de cada eleitor – quanto mais pele no jogo, mais poder de voto. As testemunhas eleitas que verificam com sucesso as transacções num bloco recebem uma recompensa, que é normalmente partilhada com aqueles que votaram nelas.

As testemunhas do primeiro escalão correm sempre o risco de serem substituídas por outras consideradas mais fiáveis, que obtêm mais votos. Podem mesmo ser afastados se não cumprirem as suas responsabilidades ou tentarem validar transacções fraudulentas. Isto ajuda a incentivar as testemunhas a permanecerem sempre honestas, garantindo a integridade da cadeia de blocos.

Embora menos prevalente do que o PdS, o PdS é considerado por muitos como sendo mais eficiente, democrático e financeiramente inclusivo do que o seu antecessor. É utilizado por Lisk (LSK), EOS.IO (EOS), Steem (STEEM), BitShares (BTS) e Ark (ARK).

Prova de atividade (PoA)

A prova de atividade (PoA) é um híbrido dos mecanismos de consenso PoW e PoS. É utilizado pelos projectos de cadeias de blocos Decred (DCR) e Espers (ESP).

Nos sistemas PoA, o processo de extração começa como o PoW, com os mineiros a competirem para resolver um problema matemático elaborado utilizando um imenso poder de computação. Uma vez que o bloco é extraído, no entanto, o sistema muda para se assemelhar ao PoS, com o cabeçalho do bloco gerado com sucesso transmitido para a rede PoA. Um grupo de validadores é então selecionado aleatoriamente para assinar o hash, validando assim o novo bloco. Tal como acontece com o PoS, quanto mais criptomoedas um validador detiver, maiores serão as suas hipóteses de ser selecionado. Quando todos os validadores escolhidos tiverem assinado o bloco, este é adicionado à rede blockchain e fica pronto para registar transacções. As recompensas do bloco são então partilhadas entre o mineiro bem sucedido e os validadores escolhidos.

Embora o sistema PoA tenha sido concebido com a intenção de combinar as melhores características do PoW e do PoS (evitando as suas deficiências), foi alvo de críticas devido à sua fase de extração intensiva de energia e à parcialidade inerente aos validadores que detêm um maior número de moedas.

Prova de autoridade (PoA)

Não confundir com a Prova de Atividade (também designada por “PoA”), a Prova de Autoridade (PoA) funciona seleccionando os seus validadores com base na reputação. Uma versão modificada do PoS, foi proposta pelo cofundador da Ethereum e antigo CTO Gavin Wood em 2017.

Na Prova de Autoridade, os validadores não apostam moedas. Em vez disso, têm de pôr em risco a sua reputação pelo direito de validar blocos. Esta cadeia de blocos autorizada, que exige que os participantes se identifiquem, é muito diferente da maioria dos protocolos de cadeia de blocos, que normalmente não exigem que um utilizador revele a sua identidade para participar.

Como este mecanismo não requer quase nenhuma capacidade de computação, é muito menos intensivo em termos de recursos do que alguns dos seus antecessores, em particular o PoW. É também uma das opções menos dispendiosas e muito utilizada em redes privadas, como a JPMorgan (JPMCoin). Outros projectos baseados em PoA incluem o VeChain (VET) e o Ethereum Kovan testnet.

Embora altamente escalável, está comprometido na área da descentralização, uma vez que apenas um número restrito de pessoas pode participar na rede. Além disso, a exigência de que os validadores sejam identificáveis também aumenta o risco de corrupção e de manipulação por parte de terceiros.

Prova de combustão (PoB)

Outra alternativa mais sustentável ao algoritmo PoW da Bitcoin é a Proof of Burn (PoB), em que os mineiros ganham o poder de minerar um bloco “queimando” (destruindo) uma quantidade pré-determinada de tokens de uma forma verificável – nomeadamente, enviando-os para um “endereço eater” onde não podem ser recuperados ou gastos. Quanto mais moedas um mineiro queima, maiores são as suas hipóteses de ser selecionado aleatoriamente.

Ao contrário do que acontece no PoS, em que os mineiros podem recuperar ou vender as suas moedas bloqueadas se alguma vez saírem da rede, as moedas queimadas são irrecuperáveis. Este método de exigir que os mineiros sacrifiquem a riqueza a curto prazo para ganhar o privilégio vitalício de criar novos blocos ajuda a incentivar o compromisso a longo prazo dos mineiros. O ato de queimar moedas também leva à escassez de moedas, limitando a inflação e aumentando a procura.

As criptomoedas que usam o protocolo PoB incluem Slimcoin (SLM), Counterparty (XCP) e Factom (FCT).

Prova de capacidade/prova de espaço (PoC/PoSpace)

Ao contrário da maioria dos seus antecessores, que concedem direitos de mineração com base no poder computacional ou nas moedas apostadas, a Prova de Capacidade (PoC) – também conhecida como Prova de Espaço (PoSpace) – baseia o seu algoritmo de mineração na quantidade de espaço disponível no disco rígido de um mineiro.

Na PoC, os mineiros geram previamente uma lista de todos os hashes possíveis num processo designado por “plotting”. Estes gráficos são depois armazenados num disco rígido. Quanto maior for a capacidade de armazenamento de um mineiro, maior será o número de soluções possíveis; e quanto maior for o número de soluções, maiores serão as hipóteses de possuir a combinação correcta de hashes e ganhar a recompensa.

Uma vez que não requer equipamento dispendioso ou especializado, a PoC abre oportunidades para que o cidadão comum participe na rede. Como tal, é uma alternativa menos intensiva em energia e mais descentralizada a alguns dos mecanismos de consenso prevalecentes acima referidos. No entanto, até à data, poucos programadores optaram por adotar o sistema e existem preocupações quanto à sua suscetibilidade a ataques de malware. O mecanismo é atualmente utilizado pela Signum (SIGNA) – anteriormente Burstcoin (BURST) – Storj (STORJ) e Chia (XCH).

Prova de tempo decorrido (PoET)

A Prova de Tempo Decorrido (PoET), geralmente usada em redes de blockchain com permissão, aproveita a computação confiável para impor tempos de espera aleatórios para a construção de blocos. Foi desenvolvido pela Intel no início de 2016 e baseia-se num conjunto especial de instruções da CPU denominado Intel Software Guard Extensions (SGXs).

O PoET, um algoritmo de consenso baseado em lotaria de tempo, funciona atribuindo aleatoriamente tempos de espera diferentes a cada nó da rede. Durante o período de espera, cada um destes nós fica a “dormir” durante o período especificado. O primeiro a acordar (ou seja, aquele que tiver o menor tempo de espera) recebe os direitos de extração. Esta aleatorização garante que cada participante tem a mesma probabilidade de ser o vencedor, assegurando a equidade na rede.

O mecanismo de consenso PoET é altamente eficiente, menos intensivo em recursos e escalável. Foi implementado no Sawtooth do Hyperledger.

Prova de História (PoH)

Como o nome sugere, a Proof of History (PoH) fornece provas de acontecimentos históricos. Desenvolvido por Solana, o PoH permite que os “carimbos de tempo” sejam incorporados na própria cadeia de blocos, verificando a passagem do tempo entre as transacções sem ter de depender de outros nós.

Este método de registo de data e hora é ativado pelo que é conhecido como SHA-256, a Função de Atraso Verificável (VDF) de hashing sequencial. Funciona pegando no resultado de uma transação e utilizando-o como entrada para o hash seguinte, o que permite a qualquer pessoa ver claramente qual o evento que teve lugar numa determinada sequência. Como os VDFs só podem ser resolvidos por uma única pontuação de CPU, o PoH reduz severamente o peso de processamento do blockchain, tornando-o mais rápido e mais eficiente em termos de energia do que muitos de seus contemporâneos.

Como a PoH só é utilizada por Solana, ainda não foi testada em grande escala.

Prova de importância (PoI)

Introduzida pela primeira vez pela rede NEM (XEM), a Proof of Importance (PoI) selecciona os seus mineiros com base em determinados critérios num processo denominado “harvesting”. Os factores comuns incluem o número e a dimensão das transacções nos 30 dias anteriores, a quantidade de moeda adquirida e a atividade da rede. Com base nestes factores, é atribuída uma pontuação de importância aos nós. Quanto maior a pontuação, maior a probabilidade de um nó ser escolhido para colher um bloco e receber a taxa de transação que o acompanha.

Embora semelhante ao PdS, a utilização de métricas adicionais pelo PdI elimina a tendência do primeiro para recompensar inerentemente os ricos, tendo em conta o apoio global dos participantes à rede. Como tal, o simples facto de apostar alto no PoI não garante necessariamente uma hipótese de ganhar o bloco.

Conclusão

Não existe uma abordagem única quando se trata de verificar a autenticidade de plataformas de cadeias de blocos distribuídas. Cada mecanismo de consenso tem o seu próprio conjunto de vantagens e de compromissos.

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