الگوریتم های اثبات در ارزهای دیجیتال

🔸️ نوشته و تدوین: آرش احمدی

قبل از اینکه مطالعه این مطلب را آغاز کنیم، باید بدانیم شاخص هش ریت چیست؟. لطفاً روی لینک کلیک کنید و در حد ۵ دقیقه پیش‌نیاز مطلب را مطالعه بفرمایید.

🔸 الگوریتم اثبات کار (Proof of Work)

بیت کوین از یک سیستم اثبات کار به نام Hashcash استفاده می‌کند. روش کار بسیار ساده و نوعی بازی حدس زدن است؛ برای یافتن عددی که کمتر از یک هدف مشخص است، به متقاضی خدمات (که در مورد بیت کوین، ماینر است) نیاز دارد.

اثبات کار (PoW) مکانیسم اجماعی است که برای جلوگیری از حملات هرزنامه‌ای و وقفه در دسترسی کاربر مجاز به شبکه‌ی رایانه‌ای استفاده می‌شود. این کار با اصطلاحات بسیار ساده‌ای صورت می‌پذیرد و فرستنده‌ی پیام (درخواست‌کننده) را ملزم به انجام کارهایی می‌نماید که معمولاً شامل زمان پردازش رایانه است، قبل از اینکه پیام توسط گیرنده (ارائه‌دهنده) ارسال و تأیید گردد.

ویژگی اصلی سیستم اثبات کار، عدم تقارن آن می‌باشد؛ به این معنی که فرستنده‌ی پیام برای تهیه‌ی آن به مدتی زمان نیاز دارد تا ثابت کند که کار انجام شده است، اما گیرنده می‌تواند در زمان بسیار کمی تأیید نماید که کار توسط فرستنده انجام شده است.

بیت کوین به‌عنوان اولین بلاک چین کاربردی، از الگوریتم اجماع گواه اثبات کار (PoW) برای تأیید تراکنش‌ها و انتخاب نودهای مشارکت‌کننده در ساخت بلاک‌ها استفاده می‌کند. در این روش، نودهای شبکه با استفاده از توان پردازشی سخت‌افزاری خود، در حل معادلات رمزنگاری‌شده (مانند SHA-256) هر بلاک مشارکت کرده و در صورت موفقیت، قادر به ثبت بلاک جدید در شبکه خواهند بود. این روش با افزایش هزینه حملات هک، هک شدن را تقریباً غیرممکن کرده و امنیت شبکه بیت کوین را به‌طور کامل تأمین می‌کند. در مکانیسم اثبات کار، یک هکر با داشتن بیش از ۵۰٪ از محاسبات شبکه می‌تواند شبکه را نابود کند (حمله ۵۱ درصدی)؛ اما انجام این کار در این شبکه بسیار پرهزینه و زمان‌بر است، بنابراین امکان حمله ۵۱ درصدی عملاً غیرممکن می‌باشد.

⚠️ نکته مهم:

اگرچه حمله ۵۱ درصدی در تئوری ممکن است، اما هزینه‌ی سخت‌افزاری و انرژی مورد نیاز برای دستیابی به این میزان هش ریت در شبکه‌های بزرگی مانند بیت کوین، عملاً این حمله را از نظر اقتصادی غیرمنطقی و غیرممکن می‌سازد.

🔸 چرا از اثبات کار در بیت کوین استفاده می‌شود؟

در ارزهای دیجیتال مبتنی بر بلاک چین‌های عمومی، اثبات کار به عنوان مکانیسمی برای جلوگیری از هک شدن و فعالیت بازیگران مخرب در ایجاد و افزودن بلاک به بلاک چین مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بدون این مکانیسم، هرکسی می‌تواند بلاک چین را به دلخواه خود مرتب نموده و بلاک‌های قدیمی را بازنویسی کند. در واقع اثبات کار، روشی انگیزشی برای ماینرها جهت تولید بلاک و دریافت پاداش هزینه‌ی تراکنش‌ها است. پاداش بیت کوین پس از هاوینگ چهارم در آوریل ۲۰۲۴ (اردیبهشت ۱۴۰۳) به مقدار ۳.۱۲۵ BTC کاهش یافت و سختی استخراج به طور خودکار تنظیم می‌شود تا زمان تولید هر بلاک حدود ۱۰ دقیقه باقی بماند.

🔸 مزایای الگوریتم اثبات کار:

از سال ۲۰۰۹ در شبکه بیت کوین مورد آزمایش قرار گرفته و تاکنون به قوت خود باقی مانده است؛ در واقع امتحان امنیت خود را با موفقیت پشت سر گذاشته است.
غیرمتمرکزترین و امن‌ترین مکانیسم اجماع شناخته شده تا به امروز است.

🔸 معایب روش اثبات کار:

سرعت پردازش تراکنش‌ها کند است.
مصرف انرژی بسیار بالایی دارد و برای محیط زیست چندان مناسب نیست.
در برابر مفهوم صرفه به مقیاس (Economies of Scale) حساس است و منجر به تمرکز استخراج در مزارع بزرگ می‌شود.

این روش در ماینرهای بیت کوین، لایت کوین، دوج کوین و مواردی دیگر مورد استفاده قرار گرفته است.

🔸 برترین توکن‌های روش اثبات کار (PoW)

مشاهده لیست کامل در CoinMarketCap

🔸 الگوریتم اثبات سهام (Proof of Stake)؛ دوست‌دار محیط زیست

الگوریتم اثبات سهام به عنوان جایگزینی برای الگوریتم اثبات کار ایجاد شد تا مشکلاتی مانند مصرف بالای انرژی را حل کند. در این الگوریتم، به جای استفاده از استخراج (Mining)، اعتبارسنج‌ها باید در سیستم مقداری سهم (سکه) داشته باشند. برای مثال، اگر ۱۰ درصد از کل سکه‌های در حال استیک را داشته باشید، احتمال انتخاب شما برای استخراج بلوک بعدی ۱۰ درصد خواهد بود.

در الگوریتم اثبات سهام، ماینرها با اعتبارسنج‌ها (Validators) جایگزین می‌شوند و دیگر نیاز به سخت‌افزارهای قدرتمند یا مصرف برق صنعتی نیست. دارندگان رمز ارزها، قسمتی از دارایی‌های دیجیتال خود را در شبکه قفل (Stake) می‌کنند و فرآیند اعتبارسنجی بلاک‌ها را آغاز می‌نمایند. حمله به یک سیستم اثبات سهام نیز پرهزینه‌تر است، زیرا مهاجم باید مقدار عظیمی از توکن‌ها را خریداری کند که خود باعث افزایش قیمت و در نتیجه پرهزینه‌تر شدن حمله می‌شود.

🔸 مزایای الگوریتم اثبات سهام:

بهره‌وری انرژی بسیار بالا و سازگاری با محیط زیست.
پرهزینه بودن حمله برای مهاجمان و امنیت بالا (با توجه به قدمت بیشتر PoW، امنیت آن همچنان تضمین‌شده‌تر است، اما PoS نیز بسیار امن است).
عدم حساسیت به صرفه به مقیاس (هر کسی با هر مقدار سرمایه می‌تواند مشارکت کند).
غیرمتمرکزتر بودن (در مدل‌های پیشرفته).
امکان مورد تعقیب قرار گرفتن از سمت SEC به علت اطلاق شدن به عنوان اوراق بهادار (Security)، در مقایسه با PoW کمتر است (هرچند همچنان چالش‌برانگیز است).

مقایسه الگوریتم‌های اثبات کار و اثبات سهام در ارزهای دیجیتال

🔸 معایب الگوریتم اثبات سهام:

مشکل Nothing-at-Stake: تولیدکنندگان بلوک ممکن است همزمان به چندین فورک بلاک چین رأی دهند، زیرا هیچ هزینه‌ای برای این کار متحمل نمی‌شوند و این موضوع می‌تواند رسیدن به اجماع را با تأخیر مواجه کند.
احتمال تمرکز ثروت: دارندگان بزرگ سکه، قدرت بیشتری در شبکه خواهند داشت.

🔸 برترین توکن‌های روش اثبات سهام (PoS)

مشاهده لیست کامل در CoinMarketCap

🔸 مدل‌های مختلف اثبات سهام

اثبات سهام دارای روش‌های متنوع و پیچیده‌ای است. در ادامه به دو مورد مهم آن اشاره می‌کنیم و سپس سایر موارد را به صورت خلاصه و تیتروار بیان خواهیم کرد.

🔸 اثبات سهام (PoS)

برخی از بلاک چین‌های پس از بیت کوین، برای بهبود مقیاس‌پذیری شبکه، الگوریتم اجماع گواه اثبات سهام (PoS) را جایگزین روش اثبات کار کرده‌اند (مانند اتریوم پس از آپدیت Merge). در این روش، نودهای اعتبارسنج شبکه با گروگذاشتن بخشی از دارایی‌های خود، حق اعتبارسنجی تراکنش‌ها و کسب پاداش بلاک‌ها را به دست می‌آورند.

🔸 اثبات سهام نمایندگی‌شده (DPoS) یا تأخیر در کار (Delayed Proof of Work)

اثبات تأخیر کار یک روش ترکیبی اجماع است که امکان استفاده یک بلاک چین از امنیتی که توسط توان هش یک بلاک چین ثانویه تأمین شده است را فراهم می‌کند. اولین بلاک چینی که از این روش استفاده کرد، کومودو بود که به بلاک چین بیت کوین پیوست شد.

پلتفرم ایاس (EOS) هم به‌منظور تأمین سرعت و مقیاس‌پذیری موردنیاز در اپلیکیشن‌های غیرمتمرکز، از الگوریتم اجماع «اثبات سهام نمایندگی‌شده (DPoS)» استفاده می‌کند. در این مکانیسم دموکراتیک، دارندگان کوین‌ها با سهام‌گذاری دارایی خود، نمایندگانی را برای اعتبارسنجی انتخاب می‌کنند. قدرت رأی هر شرکت‌کننده متناسب با تعداد کوین‌های سهام‌گذاری‌شده است.

در مدل DPoS، تعداد نودهای اعتبارسنج شبکه معمولاً محدود (مثلاً ۲۱ نفر در EOS) است و رأی‌گیری به‌صورت پیوسته ادامه دارد. اگر نماینده‌ای کار خود را درست انجام ندهد، در رأی‌گیری بعدی حذف و با نماینده دیگری جایگزین می‌شود. این کار سرعت تراکنش‌ها را افزایش و کارمزد را کاهش می‌دهد، چیزی که در نئو (Neo) نیز تقریباً شاهد آن هستیم.

🔸 مزایای الگوریتم‌های PoS و DPoS:

انرژی بهینه (مصرف انرژی بسیار کمتر به دلیل حذف فرآیند استخراج).
افزایش سرعت و مقیاس‌پذیری (تأیید تراکنش‌های بیشتر در زمان کمتر).
تاییدکنندگان می‌توانند با هر میزان سرمایه‌ای در فرآیند اعتبارسنجی مشارکت کنند.

🔸 معایب الگوریتم DPoS:

تمرکزگرایی بیشتر: قدرت شبکه در اختیار تعداد محدودی از نودها است که در صورت تبانی، می‌توانند از اختیارات خود سوءاستفاده کنند.
فقط بلاک چین‌هایی که از اثبات کار یا اثبات سهام استفاده می‌کنند می‌توانند بخشی از اجماع ترکیبی باشند.

نمودار الگوریتم اثبات سهام نمایندگی شده DPoS

🔸 تفاوت اثبات سهام نمایندگی‌شده (DPoS) با اثبات سهام (PoS) چیست؟

به عبارت ساده، بر خلاف سیستم اثبات سهام که همه دارندگان توکن می‌توانند به طور مستقیم در تأیید بلاک‌ها نقش داشته باشند و پاداش دریافت کنند، در سیستم اثبات سهام نمایندگی‌شده، کاربران به طور خودکار به تعداد محدودی نماینده (مثلاً ۲۰ یا ۲۱ نفر) رأی می‌دهند.

نمایندگان از ایجاد بلاک، پاداش خوبی دریافت می‌کنند و انگیزه برای نماینده شدن زیاد است. برای نماینده شدن باید شرایطی خاص مانند قدرت پردازش CPU بالا و تعداد زیادی توکن فراهم باشد. بنابراین رقابت برای بهتر بودن و جلب رضایت کاربران ایجاد می‌شود. اگر نماینده‌ای کار خود را درست انجام ندهد، در رأی‌گیری حذف و با نماینده دیگری جایگزین می‌شود.

تفاوت اثبات سهام و اثبات سهام نمایندگی شده

سایر الگوریتم‌های اجماع در بلاک چین که به صورت خلاصه بیان می‌شوند (ممکن است موارد جدید توسط تیم‌های توسعه‌دهنده به جامعه معرفی گردد):

🔸 اثبات مسئولیت (Proof of Authority - PoA)

در شبکه‌های مبتنی بر PoA، تراکنش‌ها و بلوک‌ها توسط حساب‌های تأییدشده به نام «تأییدکنندگان معتبر» شناخته می‌شوند. این فرایند به شکل خودکار انجام شده و نیازی به نظارت دائمی تاییدکنندگان بر کامپیوترهایشان نیست.

🔸 اثبات وزن (Proof of Weight)

این الگوریتم توسط آلگورند (Algorand) استفاده شده است. در حالی که در PoS درصد توکن‌های تحت تملک نشانگر احتمال یافتن بلوک بعدی است، در سیستم اثبات وزن از مقادیر وزنی نسبی (مانند اثبات شهرت یا اثبات فضا) استفاده می‌شود.

🔸 اثبات شهرت (Proof of Reputation)

این الگوریتم توسط گوچین (GoChain) استفاده شده است. یک شرکت‌کننده باید آنقدر شهرت داشته باشد که در صورت تقلب، با عواقب مالی و تجاری چشمگیری روبرو شود.

🔸 اثبات زمان سپری شده (PoET)

مزایا: هزینه کم مشارکت، غیرمتمرکز بودن و آسان بودن تأیید مشروعیت انتخاب رهبر برای همه شرکت‌کنندگان.

🔸 اثبات ظرفیت یا اثبات فضا (Proof of Space/Capacity)

مشابه اثبات کار است اما به جای رایانش از فضای ذخیره‌سازی هارد دیسک استفاده می‌کند. بنابراین با محیط زیست سازگارتر است و می‌تواند برای تمهیدات ضداسپم به کار گرفته شود.

🔸 اثبات اهمیت (Proof of Importance)

شبکه اجماع NEM نه تنها بر تعداد سکه‌ها، بلکه به احتمال اینکه اقدام سیستم مولد باید پاداش بگیرد وابسته است (شامل اعتبار، موجودی و تعداد تراکنش‌ها).

🔸 اثبات سوزاندن (Proof of Burn)

در این روش، به جای خرید تجهیزات گران‌قیمت، سکه‌ها با ارسال به آدرسی که غیرقابل برگشت است «سوزانده» می‌شوند. این کار امتیاز مادام‌العمر استخراج در سیستمی مبتنی بر گزینش تصادفی را ایجاد می‌کند.

🔸 اثبات فعالیت (Proof of Activity)

این روش توسط دیکرد (Decred) مورد استفاده قرار می‌گیرد و رویکردی ترکیبی از اثبات کار و اثبات سهام است.

🔸 تحمل خطای بیزانس (Byzantine Fault Tolerance - BFT)

این سیستم توسط استلار، ریپل و هایپرلجر فابریک به کار گرفته شده است. dBFT (تحمل نیابتی خطای بیزانس) توسط نئو استفاده می‌شود و امکان مشارکت گسترده از طریق رأی‌گیری واسطه‌ای را فراهم می‌کند.