Модель и алгоритм консенсуса Proof of Performance

Булгаков Владислав Дмитриевич ORCID: 0009-0006-2056-6169 аспирант; кафедра Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем; Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова 308012, Россия, Белгородская область, г. Белгород, ул. Костюкова, 46 Bulgakov Vladislav Dmitrievich Postgraduate student; Department of Computer Engineering and Automated Systems Software; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov 46 Kostyukova str., Belgorod, Belgorod region, 308012, Russia bulgakovvlad@yandex.ru

Гвоздевский Игорь Николаевич ORCID: 0000-0002-3235-3869 кандидат технических наук доцент; кафедра Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем; Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова 308012, Россия, Белгородская область, г. Белгород, ул. Костюкова, 36, оф. 421 Gvozdevsky Igor Nikolaevich PhD in Technical Science Associate Professor; Department of Computer Engineering and Automated Systems Software; Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov 308012, Russia, Belgorod region, Belgorod, Kostyukova str., 36, office 421 Gvozdevskiy.in@bstu.ru

Введение

Актуальность проблемы повышения производительности и масштабируемости блокчейн-сетей обусловлена растущими требованиями к обработке транзакций в высоконагруженных системах, таких как финансовые технологии, системы Интернета вещей (IoT) и децентрализованные приложения (dApps). Существующие алгоритмы консенсуса, включая Proof of Stake (PoS) на базе ядра Tendermint демонстрируют ограниченную пропускную способность, обусловленную высокой нагрузкой и ограниченными ресурсами производительности узлов-валидаторов сети. Эти ограничения создают узкие места в функционировании сетей и снижают их устойчивость к изменениям нагрузки^[1].

Цель данного исследования — разработка и анализ модели Proof of Performance (PoP), которая направлена на повышение эффективности и масштабируемости блокчейн-сетей посредством внедрения технологии горизонтального шардинга. В основе PoP лежит идея равновесного распределения транзакций между узлами, что позволяет снизить нагрузку на отдельные узлы-валидаторы и повысить общую производительность сети.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

• Разработка модифицированной структуры блока, обеспечивающей поддержку шардинга.
• Построение математической модели распределения нагрузки и расчёта производительности узлов.
• Экспериментальная проверка корректности работы модели PoP в развернутой тестовой сети.

Научная новизна работы заключается в предложении и описании новейшего алгоритма Proof of Performance, сочетающего адаптивное распределение нагрузки и учет производительности узлов, что позволяет существенно увеличить пропускную способность сети и её устойчивость к изменениям нагрузки.

Представленная работа закладывает основу для дальнейших исследований, направленных на интеграцию описанного алгоритма консенсуса в существующие блокчейн-системы и развитие технологий децентрализованного управления нагрузкой.

Описание модели Proof of Performance

В алгоритме консенсуса Proof of Stake узел, предлагающий блок (Block proposer) получает из пула транзакций (Transaction pool/mempool) определенное количество транзакций для обработки, чтобы в последующем опубликовать их в блоке, а, соответственно, в сети. Такой подход ограничивает количество транзакций, которые могут быть обработаны сетью за определенный момент времени, а также повышает нагрузку на узел, который является предлагающим в данной итерации создания блока. Более того, подход PoS к определению участника сети, который получит возможность добавить блок в сеть определяется количеством монет участника, что само по себе пагубно воздействует на философию децентрализации блокчейн-сети^[2].

Внедрение технологии горизонтального шардинга позволит снять нагрузку с узла, предлагающего блок и распределить ее равновесно на все узлы, являющимися шардами, то есть на узлы, предоставляющие свои вычислительные мощности для процесса обработки транзакций в сети^[3].

Далее представлена схема, которая описывает процесс обработки транзакций в алгоритмах консенсуса Proof of Stake (Рисунок 1) и Proof of Performance (Рисунок 2).

Рис.1 – Процесс обработки транзакций в алгоритме Proof of Stake

Рис.2 – Процесс обработки транзакций в алгоритме Proof of Performance

Основными преимуществами данного подхода являются:

· Единовременная обработка всех транзакций, находящихся в хранилище. В случае Proof of Stake, алгоритм не может прислать на обработку узлу количество транзакций, превышающее определенный порог, так как это пагубно скажется на производительности узла, предлагающего блок и может вызвать сбой в сети, в случае выхода этого узла из строя. В модели Proof of Performance алгоритм «достает» из хранилища все транзакции и распределяет их равновесно между шардами^[4].

· Распределение нагрузки. Отсутствие диверсификации в процессе обработки транзакций являет собой большую проблему в сфере блокчейна^[5]. Выход из строя узла, на котором лежит задача создания нового блока увеличивает время его создания, а в случае, если все узлы сети не справились с этой задачей, вызывает блокировку сети. Введение понятия шардов, описание их алгоритма работы и внедрение их в существующую систему позволит узлу, занятому процессом создания блоков не тратить свои вычислительные мощности на обработку транзакций. Ему предстоит лишь получить эти данные от шардов, проверить их и опубликовать в блоке.

Структура блока в модели Proof of Performance

Так как процесс учета и контроля шардинга представляет собой новую задачу, для децентрализованного хранения результатов ее решения необходимо модифицировать имеющуюся структуру блока. На данный момент, в сетях Proof of Stake преобладает следующая структура, состоящая из 15–ти полей:

· Block #N: Номер блока. Это уникальный идентификатор блока в блокчейне, указывающий на его позицию в цепочке.

· Version: Версия программного обеспечения или протокола, используемого для создания этого блока.

· ChainID: Идентификатор сети, к которой относится данный блок.

· Height: Высота блока. Это порядковый номер блока в блокчейне, начиная с генезис–блока (нулевого блока).

· Time: Временная метка, указывающая время создания блока.

· LastBlockID: Идентификатор предыдущего блока в цепочке. Это значение используется для связывания блоков в единую цепь.

· LastCommitHash: Хэш последнего подтвержденного блока. Это значение используется для проверки корректности предыдущего блока.

· DataHash: Хэш данных блока. Это значение представляет собой криптографический хэш всех транзакций, включенных в блок.

· ValidatorsHash: Хэш валидаторов. Это значение представляет собой криптографический хэш списка валидаторов, участвующих в валидации блока.

· NextValidatorsHash: Хэш следующих валидаторов. Это значение представляет собой криптографический хэш списка валидаторов, которые будут участвовать в валидации следующего блока.

· ConsensusHash: Хэш консенсуса. Это значение представляет собой криптографический хэш параметров консенсусного алгоритма, используемого для достижения соглашения между валидаторами.

· AppHash: Хэш приложения. Это значение представляет собой криптографический хэш состояния приложения после выполнения всех транзакций в блоке.

· LastResultsHash: Хэш результатов последнего выполнения. Это значение представляет собой криптографический хэш результатов выполнения транзакций в предыдущем блоке.

· EvidenceHash: Хэш доказательств. Это значение представляет собой криптографический хэш всех доказательств, включенных в блок, которые могут быть использованы для выявления злонамеренных валидаторов.

· ProposerAddress: Адрес предлагающего блока. Это уникальный идентификатор участника сети, который предложил данный блок для добавления в цепочку.

Данная структура в виде таблицы, составляющей блок, продемонстрирована на рисунке 3.

Рис.3 – Структура блока в алгоритме Proof of Stake

Так как данная структура нуждается в доработке и добавлении параметров для учета процесса шардинга, то структура блока в модели Proof of Performance будет включать в себя следующие дополнительные параметры:

· ShardsHash: Хэш списка шардов. Криптографический хэш, представляющий список всех узлов, которые являются шардами в сети.

· CurrentShardsHash: Хэш текущих шардов. Криптографический хэш, представляющий список шардов, участвовавших в обработке транзакций в данном блоке.

· NextShardsHash: Хэш следующих шардов. Криптографический хэш состояния шардов, которые будут участвовать в процессе обработки транщакций в следующем блоке.

· ShardsEvidenceHash: Хэш доказательств шардов. Криптографический хэш всех доказательств, включенных в блок, которые могут быть использованы для выявления злонамеренных шардов.

· DataAccordanceShardsHash: Хэш соответствия данных шардов. Криптографический хэш, обеспечивающий согласованность данных между разными шардами. Данное поле содержит хэш соответствия между шардами и обработанными ими транзакциями.

Согласно обновленной структуре, модель блока в алгоритме Proof of Performance, реализующим процесс горизонтального шардинга, будет выглядеть следующим образом:

Рис.4 – Структура блока в алгоритме Proof of Performance

Эти нововведения позволяют сети учитывать вклад каждого шарда в обработку транзакций, обеспечивать безопасность данных и распределять нагрузку между узлами пропорционально их производительности.

Необходимость таких изменений обусловлена следующими факторами:

1. Проблемы текущей структуры блоков:

• Отсутствие поддержки горизонтального шардинга.
• Концентрация нагрузки на узле-валидаторе.
• Повышенная вероятность сбоя из-за перегрузки одного узла.

2. Преимущества модифицированной структуры:

• Равномерное распределение транзакций между узлами.
• Возможность адаптации к изменениям нагрузки.
• Повышение устойчивости сети за счёт децентрализации обработки данных.

Таким образом, предложенные изменения в структуре блока обеспечивают основу для эффективной реализации модели PoP и её дальнейшей интеграции в блокчейн-системы.

Распределение весов

Для того, чтобы обеспечить справедливую оценку и распределение нагрузки между шардами, алгоритм Proof of Performance берет на себя роль арбитра и обеспечивает процесс управления процедурами назначения, поощрения и наказания шардов в зависимости от их производительности.

В основе алгоритма Proof of Performance лежит система оценки производительности (Performance) каждого шарда.

Для определения производительности используются следующие параметры, влияющие на конечный результат вычислений веса шарда:

· Performance (P): Производительность шарда в обработке транзакций. Оценивается на основе успешности выполнения транзакций в текущем и предыдущих блоках.

· Weight (W): Вес шарда, определяющий уровень его конкурентной способности обрабатывать транзакции в следующем блоке.

· Penalty (Penalty): Штраф за несвоевременную или неуспешную обработку транзакций

· Reward (Reward): Поощрение за успешную обработку транзакций.

Оценка производительности происходит по следующей формуле:

,

где – общее количество транзакций, назначенных шарду , – количество транзакций, успешно обработанных шардом;

Определение веса шарда является одной из главных задач алгоритма, так как неверно определенный вес может пагубно отразиться на производительности сети (например, если шард, обладающий небольшими вычислительными мощностями получит большой вес). Для определения веса () используется следующая формула:

,

где – вес шарда в данном блоке, – коэффициент поощрения для шарда , а – коэффициент штрафа (наказания) для шарда .

Коэффициенты поощрения и штрафа определяются следующим образом:

,

где и – константы, задающие влияние поощрений и штрафов на вес шарда.

После подсчета весов для следующей итерации, их необходимо нормализовать, чтобы сумма весов всех шардов не превышала 1, то есть 100%. Для этого используются следующие формулы:

,

где – сумма всех ненормализованных весов шардов, а – нормализованный вес для шарда .

Для распределения транзакций между шардами в следующем блоке используется взвешенный случайный выбор на основе обновленных нормализованных весов . Общее количество транзакций делится между шардами пропорционально их весам на основе следующей формулы:

где – количество транзакций, назначаемых шарду в следующем блоке.

Работоспособность алгоритма

Алгоритм работы Proof of Performance будет состоять из следующих шагов:

1. Инициализация. На этом шаге устанавливаются начальные веса всех шардов. Данный шаг выполняется только на первой итерации работы алгоритма, то есть при создании генезис (нулевого) блока;

2. Сбор транзакций. Все входящие от пользователей сети транзакции собираются в общий пул (хранилище);

3. Распределение транзакций. Транзакции распределяются между шардами на основе текущих (или первоначальных) весов;

4. Обработка транзакций. Каждый шард обрабатывает назначенные ему транзакции;

5. Оценка производительности. Производительность каждого шарда оценивается по формуле ^[6].

6. Обновление весов. Веса шардов обновляются с учетом поощрений и штрафов.

Рис.5 – Алгоритм обработки транзакций в модели Proof of Performance

Доказательство корректности работы алгоритма

Допустим, в сети имеются три шарда с текущими весами . Допустим, что значения коэффициентов поощрения и наказания и .

После создания блока заметим, что:

· обработал 90% назначенных ему транзакций ();

· обработал 70% ();

· обработал 80% ().

Тогда:

;

;

;

Аналогично для :

;

;

.

;

;

.

Нормализация весов:

;

;

;

.

Тогда новая сумма весов всех шардов: , а новый вес каждого шарда:

;

;

.

После обновления весов, транзакции распределяются пропорционально новым весам, обеспечивая справедливую и эффективную обработку транзакций в следующем блоке.

Допустим, публикации в сеть ожидает 1000 транзакций. Тогда, на основе новых весов, каждый шард получит:

;

;

.

Сравнение скорости обработки транзакций в сетях Proof of Stake и Proof of Performance

Рассмотрим пример, в котором в двух сетях (A и B) существует по 5 узлов, которые поддерживают их работоспособность.

Сеть A работает на алгоритме консенсуса Proof of Stake. Условимся, что каждый валидатор (узел) имеет техническое оснащение, позволяющее обработать 1000 транзакций за 1 блок. Тогда, при предложении нового блока, валидатор обрабатывает 1000 транзакций и помещает их в блок, то есть скорость обработки: 1000транз/блок или 167 транз/сек (при среднем времени блока 6 секунд).

В то же время в сети B, которая поддерживается алгоритмом консенсуса Proof of Performance при возникновении задачи по генерации нового блока каждый шард берет на себя задачу по обработке 1000 транзакций. При условии, что шардов в сети 5, то скорость обработки транзакций будет: 5000транз/блок или же 833транз/сек. То есть производительность сети на основе алгоритма консенсуса Proof of Performance в X раз больше, чем в сетях на основе Proof of Stake, где X – количество шардов в сети.

Применение алгоритма консенсуса Proof of Performance

Алгоритм PoP может быть внедрен и оказывать положительное влияние на производительность тех блокчейн–сетей, в которых важна высокая пропускная способность при обработке транзакций, а также масштабируемость.

Алгоритм может быть полезен в сетях следующих типов:

· Сети с большим количеством децентрализованных приложений (dApps)^[7];

· Системы IoT (Интернет вещей)^[8];

· Глобальные платежные сети^[9];

· Системы управления цепочками поставок^[10].

Моделирование работы алгоритма Proof of Performance и анализ его влияния на производительность

Для оценки влияния алгоритма Proof of Performance (PoP) на производительность блокчейн-сети был проведен эксперимент, в ходе которого копия сети Polkadot, развернутая на локальном оборудовании, подвергалась нагрузке и замерам метрик производительности сети. После замеров, сеть была обновлена и в нее был внедрен алгоритм Proof of Performance на замену Proof of Stake, который использовался изначально.

Polkadot использует модель парачейнов, где несколько независимых блокчейнов подключаются к основной сети (релейной цепочке) и используют ее вычислительные мощности для функционирования. При текущей архитектуре нагрузка от парачейнов концентрируется на одном узле в момент создания блока, что может приводить к узким местам и задержкам при обработке транзакций.

Эксперимент состоял из следующих этапов:

1. Создание копии сети Polkadot и запуск парачейнов:

• Развёртывание сети: запущена тестовая сеть, основанная на исходном коде Polkadot, с использованием алгоритма консенсуса PoS.
• Парачейны: развёрнуто 5 парачейнов, имитирующих различные децентрализованные приложения (dApps) с высокой активностью транзакций. Для имитации органической нагрузки на сеть использовались генераторы транзакций, которые публиковали в сеть определенное количество транзакций, создавая нагрузку на узлы сети.
• Конфигурация узлов: сеть состояла из 10 валидаторов для имитации реальной распределённой сети.

2. Измерение производительности сети на PoS:

• Пропускная способность транзакций: по итогам генерации сетью 50 блоков (примерно 5 минут) было обработано 15934 события (транзакции). Средняя пропускная способность составила 53 транзакции в секунду.
• Отказоустойчивость: при отключении 20% валидаторов производительность сети снизилась до 34 транзакций в секунду в течении следующих 50-ти блоков.
• Загрузка узлов: нагрузка центральных процессоров вычислительных машин, на которых располагались узлы-валидаторы находилась на уровне 90-95%, в случае, если валидатор, который располагался на данной машине, был выбран в качестве предлагающего данный блок и 10-15% в случае ожидания очереди на генерацию блока.

3. Миграция сети на алгоритм Proof of Performance:

• Сохранение текущего состояния: создан хеш текущего состояния сети для обеспечения целостности данных после перехода на новую модель консенсуса.
• Внесение предложения об обновлении: инициировано предложение об обновлении алгоритма консенсуса, которое было одобрено участниками сети.
• Обновление программного обеспечения: в исходный код ядра внесены изменения, реализующие минимальные возможности работы сети на алгоритме Proof of Performance. Обновлен алгоритм выбора шардов для обработки транзакций, а также механизм наказаний и поощрений шардов.
• Запуск обновленной сети: проведен запуск сети на основе PoP с перенесенными парачейнами.

4. Измерение производительности сети на PoP:

• Пропускная способность транзакций: по итогам генерации 50-ти блоков пропускная способность сети увеличилась до 259 транзакций в секунду, что является приростом на 487%.
• Отказоустойчивость: при отключении 20% шардов производительность снизилась примерно на 20%.
• Загрузка узлов: нагрузка центральных процессоров вычислительных машин, на которых располагались узлы-валидаторы находилась на уровне 40-60% в течении всего времени замера.

5. Сравнительный анализ результатов:

6. Выводы:

• Повышение производительности: внедрение PoP значительно повышает эффективность сети, делая ее более подходящей для приложений с высокой нагрузкой.
• Масштабируемость: PoP обеспечивает лучшую масштабируемость без необходимости увеличения вычислительных ресурсов отдельных узлов.
• Улучшение пользовательского опыта: снижение задержек и увеличение скорости подтверждения транзакций повышает удовлетворенность пользователей.

Сценарии внедрения алгоритма Proof of Performance

1. Децентрализованные приложения (dApps)

Сценарий внедрения:

В высоконагруженных dApps (децентрализованных приложениях), таких как децентрализованные биржи, игры или социальные сети, количество транзакций может быть очень высоким, что создает значительную нагрузку на сеть. Узлы сети могут не справляться с обработкой большого объема данных, особенно если они обладают небольшими вычислительными ресурсами.

Рекомендации по применению:

• Использование алгоритма PoP целесообразно в ситуациях, когда dApps генерируют большое количество транзакций, и требуется высокая пропускная способность сети. Обычно, в подобных ситуациях при применении алгоритма PoS индикатором того, что сеть не справляется с нагрузкой, может служить большое время ожидания подтверждения транзакций или увеличение времени генерации блока.
• Если узлы сети имеют слабые вычислительные мощности, PoP поможет распределить нагрузку и обеспечить стабильную работу приложения.

Потенциальные проблемы и вызовы:

• Синхронизация данных между шардами: возможны сложности с обеспечением согласованности данных.
• Сложность настройки: требуется настройка сети, что включает в себя изменение программного кода ядра и других сетевых параметров для поддержки шардинга и PoP.

Возможные решения:

• Внедрение эффективных алгоритмов консенсуса между шардами для обеспечения согласованности данных.
• Предоставление инструментов и документации для упрощения процесса настройки и интеграции PoP.

2. Системы Интернета вещей (IoT)

Сценарий внедрения:

В IoT-сетях множество устройств генерируют данные, которые необходимо обрабатывать в реальном времени. Ограниченные вычислительные ресурсы устройств и высокая скорость генерации данных требуют эффективного решения для обработки транзакций.

Рекомендации по применению:

• Применение PoP в крупных IoT-сетях с высокой плотностью устройств и большими объемами данных.
• Использование PoP для распределения обработки данных между узлами с более высокими вычислительными мощностями.

Потенциальные проблемы и вызовы:

• Ограниченные ресурсы устройств: IoT-устройства могут не поддерживать необходимую вычислительную нагрузку.
• Безопасность данных: обеспечение безопасности и конфиденциальности данных в распределенной сети.

Возможные решения:

• Использование промежуточных узлов или шлюзов с достаточными ресурсами для обработки данных от IoT-устройств.
• Внедрение протоколов шифрования и аутентификации для защиты данных.

3. Глобальные платежные сети

Сценарий внедрения:

Международные платежные системы требуют высокой скорости обработки транзакций и способности масштабироваться под растущие объемы операций. Задержки и низкая пропускная способность могут негативно влиять на пользовательский опыт и доверие к системе.

Рекомендации по применению:

• Внедрение PoP для ускорения обработки транзакций и увеличения пропускной способности сети.
• Использование PoP в системах с большим количеством микроплатежей, где скорость подтверждения транзакции критична.

Потенциальные проблемы и вызовы:

• Регуляторные требования: необходимо соблюдать правила KYC (знай своего клиента) и AML (противодействие отмыванию денег).
• Безопасность транзакций: обеспечение защиты от мошеннических действий и атак.

Возможные решения:

• Интеграция механизмов идентификации и верификации пользователей в систему.
• Реализация дополнительных уровней безопасности и мониторинга транзакций.

Рекомендации по интеграции алгоритма Proof of Performance в существующие блокчейн-инфраструктуры

Рекомендации по применению алгоритма PoP.

Для повышения производительности и устранения проблем, вызванных недостатком мощности отдельных узлов, следует рассмотреть для интеграции алгоритм Proof of Performance в следующих случаях:

• В сетях с высоким объемом транзакций и требованием к высокой пропускной способности.
• В случае, если узлы сети обладают небольшими вычислительными ресурсами и не справляются с нагрузкой.
• При необходимости повышения масштабируемости и отказоустойчивости сети.

Использование алгоритма может быть необязательным:

• В небольших сетях с низким объемом транзакций, где стандартные алгоритмы консенсуса, такие как PoS, удовлетворяют требованиям.
• В случаях, если требования к производительности и скорости обработки не являются критичными.

Внедрение алгоритма Proof of Performance (PoP) в существующую сеть на Proof of Stake (PoS) требует поэтапного подхода и взаимодействия с участниками сети. Ниже представлен общий алгоритм внедрения PoP:

1. Анализ и подготовка.

• Изучите текущую инфраструктуру PoS, определите цели перехода на PoP (повышение производительности, масштабируемость).
• Выявите возможные узкие места и требования к ресурсам.
• Информируйте валидаторов, разработчиков и пользователей о планах.

2. Разработка и тестирование PoP.

• Разработайте версию PoP, совместимую с архитектурой и смарт-контрактами сети.
• Создайте тестовую сеть для испытаний PoP без воздействия на основную сеть.
• Проведите нагрузочные тесты и аудиты безопасности.

3. Сохранение состояния сети.

• Создайте резервную копию текущего состояния сети.
• Сгенерируйте контрольный хеш для проверки целостности после миграции.

4. Предложение обновления консенсуса.

• Используйте механизмы голосования сети для принятия решения об обновлении сети.
• Обеспечьте достижение необходимого кворума.

5. Обновление узлов и программного обеспечения.

• Подготовьте обновленные версии ПО узлов с интегрированным PoP.
• Обеспечьте обратную совместимость для плавного перехода.
• Проведите бета-тестирование с участием ограниченного числа узлов.

6. Развёртывание обновлений

• Определите последовательность обновления узлов.
• Установите мониторинг для отслеживания процесса и быстрого реагирования.
• Предоставьте подробные руководства по обновлению.

7. Запуск обновлённой сети на PoP

• После обновления достаточного числа узлов и получения консенсуса, убедитесь в корректной работе сети.
• Сравните текущий хеш состояния сети с контрольным для подтверждения целостности данных.

8. Мониторинг:

• Обеспечьте мониторинг ключевых метрик сети: пропускную способность, время блоков, нагрузку на узлы.

Внедрение алгоритма Proof of Performance в сеть, работающую на Proof of Stake, представляет собой сложный, но управляемый процесс, который при должной подготовке и реализации может привести к значительным улучшениям производительности и масштабируемости сети.

Анализ преимуществ и недостатков алгоритма Proof of Performance

Преимущества алгоритма Proof of Performance по сравнению с другими алгоритмами консенсуса:

1. Улучшенная масштабируемость и пропускная способность

• Горизонтальный шардинг: использование PoP позволяет эффективно распределять обработку транзакций между шардами, что значительно повышает масштабируемость сети. В отличие от PoS, где нагрузка сосредоточена на узлах-валидаторах, PoP распределяет нагрузку равномерно, позволяя обрабатывать больше транзакций в единицу времени.
• Параллельная обработка: благодаря параллельной обработке транзакций в шардах, сеть может достигать высокой пропускной способности без необходимости увеличения вычислительных ресурсов отдельных узлов.

2. Повышенная отказоустойчивость и надежность сети

• Распределение нагрузки: в PoP выход из строя отдельного шарда не приводит к значительному снижению производительности сети, поскольку другие шарды могут компенсировать нагрузку.
• Снижение рисков перегрузки узлов: отсутствие концентрации обработки на отдельных узлах снижает риски перегрева и сбоев, что повышает общую стабильность сети.

3. Энергоэффективность

• Отказ от ресурсоемких вычислений: в отличие от Proof of Work (PoW), PoP не требует решения сложных криптографических задач, что снижает энергопотребление и делает сеть более экологичной и экономичной.
• Оптимизация ресурсов: узлы используют вычислительные мощности более эффективно, что снижает затраты на поддержание сети.

4. Стимулирование высокой производительности узлов

• Механизмы поощрения и штрафов: PoP мотивирует узлы поддерживать высокую производительность через систему вознаграждений и штрафов, основанных на их эффективности.

5. Гибкость и адаптивность

• Динамическое распределение нагрузки: PoP позволяет динамически изменять распределение транзакций в зависимости от текущей производительности шардов.
• Адаптация к изменяющимся условиям: сеть может быстро реагировать на изменения нагрузки и ресурсов, поддерживая оптимальную производительность.

Недостатки алгоритма Proof of Performance:

1. Сложность реализации и интеграции

• Технические сложности: Внедрение PoP требует значительных изменений в архитектуре сети и глубокого понимания механизмов шардинга.
• Необходимость разработки новых инструментов: требуется создание специальных инструментов и протоколов для обеспечения эффективной работы PoP.

2. Потенциальные риски безопасности

• Уязвимости в шардинге: распределение данных между шардами может создать дополнительные векторы атаки, если не обеспечена надлежащая безопасность.
• Сложности в согласовании данных: обеспечение консистентности и целостности данных между шардами требует надежных механизмов консенсуса.

3. Требования к ресурсам узлов

• Разнородность узлов: узлы с различными вычислительными возможностями могут испытывать сложности в поддержании необходимой производительности.
• Необходимость постоянного мониторинга: для поддержания оптимальной работы сети требуется постоянный мониторинг и управление ресурсами.

4. Сопротивление со стороны сообщества

• Изменение устоявшихся процессов: переход на PoP может встретить сопротивление от участников сети, привыкших к текущим алгоритмам.
• Обучение и адаптация: требуется время и ресурсы для обучения разработчиков и операторов узлов новым методам работы.

Сравнение с другими алгоритмами консенсуса:

1. Proof of Work (PoW):

Преимущества PoP над PoW:

• Более высокая энергоэффективность.
• Лучшая масштабируемость и пропускная способность.
• Отсутствие необходимости в дорогостоящем оборудовании для майнинга.

Недостатки PoP по сравнению с PoW:

• Более сложная система достижения консенсуса.

2. Proof of Stake (PoS):

Преимущества PoP над PoS:

• Улучшенная масштабируемость за счет горизонтального шардинга.
• Более равномерное распределение нагрузки между узлами.
• Меньшая зависимость от стейка (количества токенов) для участия в консенсусе.

Недостатки PoP по сравнению с PoS:

• Сложность внедрения в существующие сети.
• Требует более сложных механизмов для обеспечения безопасности и согласованности данных.

3. Delegated Proof of Stake (DPoS):

Преимущества PoP над DPoS:

• Более децентрализованный подход без концентрации власти у делегатов.
• Стимулирование производительности каждого узла, а не только избранных.

Недостатки PoP по сравнению с DPoS:

• Более сложная система управления узлами и нагрузкой.
• Возможные трудности в достижении консенсуса между большим количеством шардов.

Проблемы рассмотренных алгоритмов, решение, предложенное алгоритмом PoP, доказательство решения и выводы представлены в следующей таблице:

Сравнение взглядов отечественных и зарубежных исследователей на проблему масштабирования блокчейн-сетей

Научные исследования в области алгоритмов консенсуса и масштабируемости блокчейн-сетей активно развиваются как в зарубежной, так и в отечественной литературе. Однако подходы к решению данных вопросов существенно различаются.

1. Зарубежные исследования.

Зарубежные работы, такие как исследование «Sharding-Based Proof-of-Stake Blockchain Protocols: Key Components & Probabilistic Security Analysis» акцентируют внимание на безопасности и вероятностной оценке устойчивости алгоритмов консенсуса. Основное внимание уделяется их применимости в условиях высокой нагрузки на сеть и возможности работы с большим количеством активных узлов. В их исследовании модели PoS процесс увеличения производительности сети рассматривается через внедрение шардинга^[11].

Другим примером изучения процесса масштабирования блокчейн-сетей является работа Ittay Eyal, Adem Efe Gencer, Emin Gün Sirer и Robbert van Renesse « Bitcoin-NG: A Scalable Blockchain Protocol», в которой авторы представляют протокол Bitcoin-NG. Он предлагает деление блокчейна на микро- и макроблоки для ускорения обработки транзакций. Однако в нём отсутствуют механизмы динамического распределения нагрузки между узлами, что делает его уязвимым к перегрузкам^[12].

2. Отечественные исследования.

В работе Абдулжалилова А.З. «Методы и стратегии масштабируемости блокчейн-технологий: анализ, сравнение и перспективы» автор рассматривает несколько методов, которые обеспечивают увеличение ключевых параметров производительности сети через распределенные системы управления списками, использования шардинга, применение sidechains и внедрение алгоритмов консенсуса, дружественным к процессу масштабирования^[13].

Большое внимание поиску решения проблемы масштабируемости в блокчейн сетях выделяет Грепан В.Н. в своей работе «Практические проблемы использования блокчейн-технологий». В своей работе он рассматривает возможность увеличения размера блоков, использование алгоритмов консенсуса с повышенной производительностью, шардирование, развитие межблокчейных решений и оптимизацию протоколов и алгоритмов как способы решения проблемы масштабирования блокчейн-сетей^[14].

3. Основные различия.

Согласно рассмотренным взглядам на решение проблемы масштабируемости блокчейн-сетей, становится понятно, что имеет смысл поиск метода, который бы удовлетворял сразу нескольким задачам при построении процесса масштабируемости.

Модель Proof of Performance (PoP) предлагает несколько нововведений, которые вносят значительный вклад в развитие алгоритмов консенсуса и масштабировании блокчейн-сетей:

1. Интеграция горизонтального шардинга:

• В отличие от большинства существующих решений, PoP сочетает шардинг с адаптивным управлением узлами, что позволяет одновременно увеличивать пропускную способность и сохранять устойчивость сети.

2. Система динамического распределения нагрузки:

• PoP вводит механизм расчёта производительности узлов и адаптивного обновления их весов, чего нет в традиционных подходах.

3. Устойчивость к сбоям:

• Эксперименты показывают, что PoP сохраняет производительность сети даже при выходе из строя до 20% узлов, что превосходит показатели других алгоритмов, таких как PoS.

4. Практическая применимость:

• Модель PoP разработана с учётом ограниченных вычислительных ресурсов, что делает её особенно актуальной для внедрения в Российской Федерации, включая государственные и коммерческие проекты.

Таким образом, сравнение отечественных и зарубежных исследований показало, что модель PoP не только решает многие известные проблемы алгоритмов консенсуса, но и предлагает новые подходы, которые могут быть полезны в условиях реальных ограничений. Прирост научного знания заключается в разработке гибкой системы управления узлами, повышающей производительность и устойчивость блокчейн-сетей.

Заключение

В статье рассмотрен принцип работы модели Proof of Performance, учтены и описаны ее особенности, приведен разбор и пример работы алгоритма. Проведен анализ скорости обработки транзакций и определены возможные пути ее применения.

Представленная и описанная модель позволит внедрить адаптивный подход к потреблению ресурсов, а также найти компромисс между потребностями в производительности сети и затратами на поддержание ее работоспособности.