Czym jest Ouroboros? Mechanizm konsensusu Cardano

Czym jest Ouroboros w Cardano?

Ouroboros to mechanizm konsensusu używany przez blockchain Cardano do weryfikacji transakcji i dodawania nowych bloków do blockchaina. W obrębie blockchaina Ouroboros określa, którzy uczestnicy otrzymują prawo do utworzenia nowego bloku oraz w jaki sposób uczestnicy sieci uzgadniają ważność transakcji i najnowszy stan rozproszonego rejestru.

Ouroboros działa jako mechanizm Proof of Stake (PoS), ale wyróżnia się podejściem opartym na badaniach akademickich i formalnie udowodnionych właściwościach matematycznych związanych z bezpieczeństwem.

Mechanizm został opracowany pod kierownictwem Charlesa Hoskinsona wraz z zespołem kryptografów i informatyków, a także badaczami z takich instytucji jak University of Edinburgh i IOHK (Input Output Hong Kong). To, co wyróżnia Ouroboros, to fakt, że był on jednym z pierwszych protokołów Proof of Stake, których bezpieczeństwo poddano recenzji w publikacjach naukowych.

Najważniejsze informacje

• Ouroboros to mechanizm konsensusu blockchaina Cardano, który określa, jak weryfikowane są transakcje i jak nowe bloki są dodawane do blockchaina.
• Protokół działa w strukturze czasowej opartej na epokach i slotach, a dla każdego slotu ustalane jest, który uczestnik otrzymuje prawo do utworzenia nowego bloku.
• Zamiast energochłonnego kopania, stosowanego w Proof of Work, bloki tworzą uczestnicy, którzy postawili ADA lub przekazali swoje ADA do puli stakingowej.
• Ouroboros został opracowany w oparciu o badania akademickie i należy do pierwszych protokołów Proof of Stake, których bezpieczeństwo było analizowane matematycznie i recenzowane.

Co oznacza Ouroboros?

Nazwa Ouroboros brzmi dość skomplikowanie. Już samo jej brzmienie może skłaniać do pytania: dlaczego wybrać tak trudną nazwę? Charles Hoskinson (założyciel Cardano) i jego zespół nie wybrali jej jednak przypadkowo. Ouroboros to starożytny symbol węża lub smoka gryzącego własny ogon i tworzącego okrąg. Symbolizuje on nieskończoność, cykliczność i ciągłe odradzanie się. Ponieważ stworzenie nieustannie konsumuje samo siebie i odtwarza się na nowo, często interpretuje się je jako przedstawienie wiecznego cyklu życia, śmierci i odrodzenia.

Symbol ten pojawia się w kilku starożytnych kulturach, w tym w tradycji egipskiej, greckiej i alchemicznej.

W kontekście blockchainów ta symbolika dobrze współgra z ideą systemu, który nieustannie tworzy nowe bloki i stale się odnawia. Blockchain nieustannie rośnie wraz z dodawaniem nowych bloków, a sieć podtrzymuje swoje działanie dzięki mechanizmom konsensusu.

W tym kontekście nie dziwi fakt, że taka nazwa została nadana mechanizmowi konsensusu blockchaina. Właśnie dlatego Cardano wybrało nazwę Ouroboros.

Pomysł stojący za Ouroboros

Twórcy Ouroboros i Cardano chcieli zbudować blockchain, który będzie bezpieczny, skalowalny i energooszczędny, a być może najważniejsze — mechanizm konsensusu, którego bezpieczeństwo da się matematycznie udowodnić. Za pomocą Ouroboros próbowali stworzyć alternatywę dla energochłonnych blockchainów, takich jak Bitcoin i Litecoin, które wykorzystują Proof of Work (PoW).

Te blockchainy opierają się na górnikach, którzy zużywają ogromne ilości mocy obliczeniowej do weryfikacji transakcji i dodawania nowych bloków. Ten model jest bezpieczny, ale zużywa bardzo dużo energii.

Ouroboros stara się osiągnąć ten sam poziom bezpieczeństwa bez tak energochłonnej rywalizacji. Zamiast tego protokół opiera konsensus na ekonomicznym udziale w sieci. Prawdopodobieństwo, że uczestnik utworzy nowy blok, zależy od ilości ADA, które stakuje. Nazywa się to stakingiem.

Model ten ma naukowe podstawy. Badacze stworzyli dowody matematyczne pokazujące, że sieć pozostaje bezpieczna, dopóki większość postawionych ADA zachowuje się uczciwie.

Ouroboros działa jako mechanizm konsensusu wykorzystujący tzw. epoki i sloty. System stosuje stałą strukturę czasową, aby określić, kto może dodać blok do blockchaina. Zamiast górników konkurujących mocą obliczeniową, jak w Proof of Work, Ouroboros wybiera uczestników, którzy mogą tworzyć bloki, na podstawie ilości postawionych ADA.

Epoka to dłuższy okres w obrębie sieci. Taka epoka składa się z dużej liczby slotów. Slot to krótki przedział czasu, w którym zasadniczo może zostać utworzony jeden blok.

W obrębie epoki nowe bloki są rozdzielane pomiędzy sloty. W ramach takiego slotu ustala się, kto może zweryfikować i dodać nowy blok zawierający transakcje do rozproszonego rejestru.

Ouroboros uwzględnia udział puli stakingowej. Im większy udział postawionych ADA w puli stakingowej, tym większa szansa, że pula otrzyma prawo do utworzenia bloku w określonym slocie. W rezultacie tworzenie bloków jest powiązane z interesem ekonomicznym w sieci, a nie z mocą obliczeniową.

Ponieważ producent bloku jest wybierany na podstawie postawionych ADA, w praktyce powstało wiele pul stakingowych. Pula stakingowa zarządza techniczną infrastrukturą potrzebną do przetwarzania transakcji i tworzenia nowych bloków. Użytkownicy mogą delegować ADA do takiej puli, co zwiększa prawdopodobieństwo, że bloki będą mogły być tworzone z wykorzystaniem ich postawionych tokenów ADA. Zdelegowane ADA pozostaje własnością użytkownika, ale wlicza się do łącznego stake’u danej puli. Im większy stake reprezentuje pula, tym większa szansa, że zostanie wybrana jako producent w wielu slotach.

Gdy pula stakingowa zostanie wybrana dla konkretnego slotu, może ona utworzyć nowy blok w tym przedziale czasu. Taki blok zawiera poprawne transakcje, które nie zostały jeszcze dodane do blockchaina. Następnie pula rozgłasza blok do reszty sieci. Inne węzły następnie weryfikują, czy blok jest poprawny. Sprawdzają na przykład, czy transakcje są prawidłowe, czy nie dochodzi do podwójnego wydania (double spending) oraz czy blok został utworzony zgodnie z zasadami protokołu. Jeśli nowy blok jest poprawny, dodają go do własnej wersji blockchaina.

Ważnym aspektem Ouroboros jest to, że bezpieczeństwo sieci zależy od uczciwej większości stake’u. Dopóki większość postawionych ADA jest kontrolowana przez uczciwych uczestników, sieć pozostaje niezawodna, a manipulowanie blockchainem przez złośliwe podmioty staje się skrajnie trudne. To podstawowa różnica względem Proof of Work, gdzie bezpieczeństwo zależy głównie od większości mocy obliczeniowej.

Czym różni się Ouroboros od tradycyjnego Proof of Stake?

Ouroboros jest formą Proof of Stake (PoS), ale pod wieloma względami różni się od innych modeli PoS, takich jak ten stosowany przez Ethereum.

Jedną z kluczowych różnic jest to, że Ouroboros został opracowany na podstawie badań naukowych. Protokół został zaprojektowany przez badaczy, a następnie poddany recenzji przez innych naukowców. Wiele starszych systemów Proof of Stake było tworzonych przede wszystkim przez deweloperów, bez wcześniejszych szerokich badań akademickich nad ich bezpieczeństwem.

Ponadto Ouroboros wprowadził czytelną strukturę czasową opartą na epokach i slotach, co sprawia, że tworzenie bloków jest bardziej przewidywalne i uporządkowane. W niektórych tradycyjnych systemach PoS tworzenie bloków odbywa się w mniej uporządkowany sposób, na przykład przez losowy wybór walidatorów na podstawie ich stake’u. Tacy walidatorzy otrzymują potem możliwość utworzenia bloku, gdy protokół ich wybierze.

Kolejną różnicą jest wykorzystanie pul stake’owych. Ouroboros wspiera decentralizację poprzez pule stakingowe, umożliwiając użytkownikom delegowanie ADA bez konieczności samodzielnego uruchamiania węzła.

Aktualizacje Ouroboros

Od czasu powstania Ouroboros i Cardano protokół Ouroboros był kilkukrotnie ulepszany. Każda aktualizacja przyczyniła się do poprawy bezpieczeństwa, skalowalności i stabilności. Poniżej przedstawiamy najważniejsze aktualizacje.

Ouroboros Classic

Ouroboros Classic to oryginalna wersja protokołu, zaprezentowana w 2017 roku w publikacji akademickiej. Był to jeden z pierwszych systemów Proof of Stake, których bezpieczeństwo zostało matematycznie udowodnione. Ta wersja stanowiła podstawę oryginalnej sieci Cardano.

Protokół wprowadził koncepcję epok i slotów oraz wykorzystuje ilość postawionych ADA do określenia, który węzeł może utworzyć blok.

Ouroboros BFT

Ouroboros BFT (Byzantine Fault Tolerance) był tymczasową aktualizacją stosowaną podczas przejścia od pierwszej wersji Cardano do w pełni zdecentralizowanej sieci.

Ta wersja umożliwiła bezpieczne przejście między różnymi protokołami bez konieczności ponownego uruchamiania blockchaina lub utraty jego historii. Była używana głównie w fazach Byron i Shelley Cardano.

Ouroboros Praos

Ouroboros Praos to wersja protokołu, która obecnie stanowi podstawę sieci Cardano. Ta aktualizacja przede wszystkim poprawiła bezpieczeństwo oraz sposób wyboru producentów bloków.

Praos sprawił również, że atakującym trudniej jest z wyprzedzeniem przewidzieć, który węzeł utworzy blok, ponieważ wybór slotu pozostaje częściowo ukryty. Ulepszono także losowość w procesie wyboru, co pomaga chronić sieć przed manipulacją.

Ouroboros Genesis

Ouroboros Genesis to kolejne ulepszenie Praos, skoncentrowane głównie na węzłach, które są nowe w sieci lub ponownie łączą się po długim czasie.

Zwykle nowy węzeł musi zsynchronizować cały blockchain. Genesis wprowadza mechanizmy, które zapobiegają wprowadzeniu takiego węzła w błąd przez złośliwą stronę próbującą przedstawić alternatywny, fałszywy blockchain (tzw. atak long range). Dzięki temu nowe węzły mogą bezpieczniej dołączać do sieci.

Zalety Ouroboros

Ouroboros ma kilka zalet:

• Niskie zużycie energii
  Ouroboros wykorzystuje Proof of Stake zamiast energochłonnego kopania. W efekcie sieć zużywa znacznie mniej energii elektrycznej niż blockchainy korzystające z Proof of Work.
• Wysoki poziom decentralizacji
  Użytkownicy mogą delegować swoje ADA do różnych pul stakingowych, co wzmacnia decentralizację sieci. Dzięki temu wielu uczestników może współtworzyć sieć bez konieczności samodzielnego uruchamiania węzła.
• Projekt oparty na badaniach naukowych
  Protokół został opracowany w oparciu o badania akademickie i zrecenzowany przez naukowców. Pomaga to zwiększyć bezpieczeństwo i niezawodność sieci.
• Skalowalność
  Dzięki wykorzystaniu epok i slotów tworzenie bloków może być efektywnie uporządkowane.

Wady Ouroboros

Oprócz zalet Ouroboros ma również wady i ryzyka:

• Złożoność protokołu
  Ouroboros jest technicznie dość złożony i opiera się na zaawansowanej kryptografii. Może to utrudniać pełne zrozumienie systemu.
• Ryzyko centralizacji
  Jeśli duże pule stakingowe otrzymają wiele delegacji, stosunkowo niewielka liczba pul może tworzyć dużą część nowych bloków, co może wywierać presję na decentralizację.
• Zależność od zachęt ekonomicznych
  System działa najlepiej, gdy uczestnicy zachowują się uczciwie, ponieważ mają finansowy interes w rozwoju sieci. Jeśli duże ilości stake’u są kontrolowane przez złośliwe podmioty, może to generować ryzyko.
• Wolniejsze tempo rozwoju
  Ponieważ Cardano mocno koncentruje się na badaniach akademickich i recenzjach naukowych, nowe funkcje mogą być czasem wprowadzane wolniej niż w niektórych innych projektach blockchain.

Podsumowanie

Ouroboros to mechanizm konsensusu, który stanowi fundament blockchaina Cardano i określa, w jaki sposób transakcje są weryfikowane, a nowe bloki dodawane. W przeciwieństwie do energochłonnych systemów takich jak Proof of Work, Ouroboros wykorzystuje Proof of Stake, w którym uczestnicy mają możliwość tworzenia bloków na podstawie ilości postawionych ADA. Dzięki zastosowaniu epok i slotów sieć może organizować tworzenie bloków w uporządkowany i efektywny sposób.

To, co wyróżnia Ouroboros na tle wielu innych mechanizmów konsensusu, to silny nacisk na badania akademickie i formalne dowody bezpieczeństwa. Protokół został zaprojektowany przez badaczy i opisany w recenzowanych publikacjach, co oznacza, że bezpieczeństwo systemu ma matematyczne podstawy. Dodatkowo pule stakingowe umożliwiają użytkownikom łatwy udział w sieci bez konieczności samodzielnego zarządzania węzłem.

Jednocześnie Ouroboros wiąże się również z wyzwaniami. Techniczna złożoność protokołu może utrudniać pełne zrozumienie systemu, a duża koncentracja stake’u w dużych pulach stakingowych może wywierać presję na decentralizację. Mimo tych kwestii Ouroboros jest powszechnie uznawany za ważny przykład tego, jak badania naukowe i technologia blockchain mogą zostać połączone, aby stworzyć bezpieczny i energooszczędny mechanizm konsensusu.