فصل ۲، درس ۳: قلب تپنده بلاکچین، مکانیزمهای اجماع را بشناسید
در درس سوم، به معرفی مکانیزمهای اجماع پرداخته‌ایم.
در دنیای بلاکچین، مکانیزمهای اجماع ستون فقرات شبکه‌های غیرمتمرکز هستند. این الگوریتم‌ها بدون نیاز به وجود یک مرجع مرکزی، وظیفه حیاتی تضمین صحت و ثبات داده‌ها را در سراسر شبکه بر عهده دارند.
در این درسنامه، به بررسی دو مکانیزم اصلی، یعنی اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) می‌پردازیم. سپس به بررسی چالش‌های ذاتی این سیستم‌ها، مانند مشکل فرماندهان بیزانسی می‌پردازیم و نشان می‌دهیم که چگونه مکانیزمهای اجماع این چالش‌ها را حل می‌کنند.
فلسفه اجماع
فرض کنید در یک جامعه، افراد برای سال‌ها در شب چهارشنبه آخر سال، آتش روشن می‌کنند و به آن چهارشنبه‌سوری می‌گویند. این رسم به مرور زمان به یک سنت تبدیل شده است و در این شب، اکثر مردم محله در خیابان‌ها جمع می‌شوند، آتش روشن می‌کنند و از روی آن می‌پرند.
در این مثال، می‌توان گفت که در مورد رسم چهارشنبه سوری در آن جامعه اجماع وجود دارد.
حال بیایید ببینیم چگونه در دنیای بلاکچین می‌توان به صورت غیرمتمرکز و بدون شناخت قبلی از طرفین، به توافق رسید.
مکانیز‌های اجماع در بلاکچین
مکانیزمهای اجماع در بلاکچین، روش‌هایی هستند که برای رسیدن به توافق میان شرکت‌کنندگان در یک شبکه غیرمتمرکز، بدون نیاز به اعتماد متقابل بکار می‌روند. اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) دو مکانیزم اصلی اجماع هستند. هر دو مکانیزم با هدف تأمین امنیت و ثبات شبکه طراحی شده‌اند اما با روش‌های متفاوت به این هدف می‌رسند.
اثبات کار (Proof of Work – PoW)
اثبات کار یکی از اولین مکانیزمهای اجماع است که توسط بیتکوین معرفی شد. در این مکانیزم، شرکت‌کنندگان (ماینرها) باید مسائل پیچیده ریاضی را حل کنند تا بلاک‌های جدیدی را به زنجیره بلاکچین اضافه کنند. این فرآیند به شرح زیر است:
- مسئله ریاضی: ماینرها باید یک مسئله ریاضی را حل کنند که به زمان و توان محاسباتی زیادی نیاز دارد.
- پاداش: اولین ماینری که مسئله را حل کند، پاداشی در قالب ارز دیجیتال دریافت می‌کند و بلاک جدید به زنجیره اضافه می‌شود.
- تضمین امنیت: پیچیدگی مسئله ریاضی تضمین می‌کند که حملات به شبکه بسیار پرهزینه خواهد بود.
اثبات سهام (Proof of Stake – PoS)
اثبات سهام یک مکانیزم اجماع جایگزین برای اثبات کار است که مصرف انرژی کمتری دارد. در این روش، اعتبارسنج‌ها (Validators) بر اساس تعداد ارزهای دیجیتالی که در اختیار دارند (سهامشان)، انتخاب می‌شوند. اعتبارسنج‌ها در واقع همان سهامداران هستند که وظیفه اعتبارسنجی یا بررسی صحت داده‌ها را برعهده دارند.
فرآیند اثبات سهام به این شکل است:
- انتخاب اعتبارسنج‌ها: اعتبارسنج‌ها بر اساس میزان سهامشان و به صورت تصادفی انتخاب می‌شوند تا بلاک جدید را ایجاد کنند.
- پاداش: اعتبارسنج‌ها به ازای اعتبارسنجی بلاک جدید، پاداش دریافت می‌کنند.
- امنیت: هر چه یک اعتبارسنج سهام بیشتری داشته باشد، احتمال انتخاب شدنش بیشتر است و در صورت تقلب، سهام او به عنوان جریمه ضبط می‌شود.
اتریوم یکی از ارزهای دیجیتال پیشرو بود که از مکانیزم اجماع اثبات کار (PoW) استفاده می‌کرد. با این حال، در پی تصمیم‌گیری جامعه و با هدف ارتقای کارایی و پایداری شبکه، به سمت مکانیزم اثبات سهام (PoS) تغییر مسیر داد.
تفاوت‌های کلیدی بین اثبات کار و اثبات سهام
- مصرف انرژی: اثبات کار نیازمند مصرف بالای انرژی است، در حالی که اثبات سهام انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کند.
- سخت‌افزار: اثبات کار به سخت‌افزار قدرتمند نیاز دارد اما اثبات سهام نیازی به سخت‌افزار خاصی ندارد.
- امنیت: اثبات کار از طریق پیچیدگی مسائل ریاضی امنیت را تضمین می‌کند، در حالی که اثبات سهام با ضبط سهام تقلب‌کنندگان این کار را انجام می‌دهد.
- تمرکززدایی: در اثبات کار، ماینرهای بزرگ ممکن است قدرت بیشتری به دست آورند اما در اثبات سهام، دارندگان بزرگ سهام ممکن است تأثیر بیشتری داشته باشند.
آشنایی با الگوریتم تحمل خطای بیزانس
حمله فرماندهان بیزانسی یک مسئله کلاسیک در علوم کامپیوتر است که به مشکل توافق بین چندین طرف در شرایطی که ممکن است برخی از آنها خرابکار باشند، می‌پردازد. در این مسئله، تعدادی فرمانده باید تصمیم بگیرند که حمله کنند یا عقب‌نشینی کنند، اما برخی از فرماندهان ممکن است اطلاعات نادرست بدهند. هدف این است که همه فرماندهان وفادار به یک توافق مشترک برسند، حتی اگر برخی از آنها خرابکار باشند.
در امنیت شبکه‌های بلاکچین، این مسئله به این شکل مطرح می‌شود که چگونه همه گره‌های شبکه به یک توافق واحد در مورد وضعیت بلاکچین برسند، حتی اگر برخی از گره‌ها خرابکار یا معیوب باشند. مکانیزمهای اجماع مثل اثبات کار و اثبات سهام برای حل این مشکل طراحی شده‌اند، به طوری که شبکه می‌تواند به توافق برسد و از خرابکاری جلوگیری کند.
انواع مکانیزمهای اجماع
درست است که اثبات سهام (PoS) و اثبات کار (PoW) دو مورد از معروف‌ترین مکانیزمهای اجماع در بلاکچین هستند، اما به غیر از این دو، الگوریتم‌های جایگزین دیگری نیز وجود دارند که هر کدام مزایا و معایب مختص به خود را دارند.
در اینجا به چند نمونه از این الگوریتم‌ها اشاره می‌کنم:
- اثبات اعتبار (Proof-of-Authority – PoA): در این الگوریتم، قدرت محاسباتی یا دارایی کاربران برای تأیید تراکنش‌ها ملاک نیست، بلکه از هویت از پیش تعیین‌شده تعدادی از گره‌های معتبر استفاده می‌شود. این روش برای شبکه‌های خصوصی که اعضای شناخته شده‌ای دارند، مناسب‌تر است.
- اثبات زمان سپرده (Proof-of-Elapsed-Time – PoET): در این روش، از توابع تأخیر تصادفی برای انتخاب گره‌ای که بلاک بعدی را اضافه می‌کند، استفاده می‌شود. این الگوریتم به مراتب کم‌مصرف‌تر از PoW است و می‌تواند به‌عنوان جایگزینی برای آن در نظر گرفته شود.
- اثبات ظرفیت (Proof-of-Capacity – PoC): در این الگوریتم، از فضای ذخیره‌سازی بلااستفاده هارد دیسک‌ها برای حل مسائل رمزنگاری استفاده می‌شود. گره‌هایی که فضای ذخیره‌سازی بیشتری دارند، شانس بیشتری برای حل مسائل و تأیید تراکنش‌ها خواهند داشت.
- اثبات ذخیره‌سازی (Proof of Storage): در این الگوریتم، از فضای ذخیره‌سازی بلااستفاده برای ذخیره داده‌ها در شبکه استفاده می‌شود. گره‌هایی که فضای ذخیره‌سازی بیشتری دارند، پاداش بیشتری دریافت می‌کنند.
جمع‌بندی:
مکانیزمهای اجماع در بلاکچین نقش حیاتی در تضمین امنیت، ثبات و عملکرد شبکه‌های غیرمتمرکز ایفا می‌کنند. اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) دو روش اصلی هستند که با رویکردهای متفاوت به هدف مشترک رسیدن به توافق میان گره‌های شبکه و جلوگیری از تقلب و حملات می‌پردازند. در حالی که اثبات کار با استفاده از توان محاسباتی بالا و مصرف انرژی، امنیت شبکه را تأمین می‌کند، اثبات سهام با کارایی بیشتر و مصرف انرژی کمتر، از طریق تشویق اقتصادی و جریمه‌های مالی این کار را انجام می‌دهد. هر دو مکانیزم مزایا و معایب خود را دارند و انتخاب بین آنها بستگی به نیازها و اهداف خاص هر شبکه دارد. با این حال، با توجه به افزایش اهمیت مسائل زیست‌محیطی و هزینه‌های انرژی، تمایل به سمت استفاده از اثبات سهام و دیگر مکانیزمهای کم‌مصرف‌تر در حال افزایش است. به طور کلی، مکانیزمهای اجماع همچنان به عنوان یکی از ستون‌های اصلی فناوری بلاکچین به توسعه و پیشرفت این فناوری کمک می‌کنند.
