مکانیسم های اجماع

مکانیسم های اجماع

به طور کلی به روشی که در آن همتایان یک شبکه بلاک چین درباره وضعیت فعلی داده ها در شبکه، به توافق می رسند، اجماع در بلاک چین گفته می شود و از این طریق، الگوریتم‌های اجماع ، اعتماد در شبکه بلاک چین را ایجاد می‌کنند.این مکانیسم‌ها جهت تأیید تراکنش‌ها و حفظ امنیت بلاک‌چین استفاده می‌شوند و انواع مختلفی دارد که هر کدام مزایا و معایبی دارند. اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) از پرکاربردترین مکانیسم‌های اجماع هستند.

به عبارتی دیگر اجماع فرآیندی است که طی آن گروهی از همتایان یا گره‌ها در یک شبکه تعیین می‌کنند که کدام تراکنش‌های بلاک چین معتبر یا نامعتبر است. مکانیسم های اجماع روش هایی هستند که برای دستیابی به این توافق استفاده می شوند و مجموعه قوانینی هستند که به محافظت از شبکه ها در برابر رفتارهای مخرب و حملات هک کمک می کند. با توجه به بلاک چین و کاربردهای  آن، انواع مکانیسم های اجماع وجود دارد.

انواع مکانیسم ها در مصرف انرژی، امنیت و مقیاس پذیری متفاوت هستند، ولی همه آنها یک هدف مشترک دارند، اطمینان از اینکه سوابق درست و صادقانه هستند.

نیاز بلاک چین ها به مکانیسم های اجماع

به طور کلی می توان گفت ستون فقرات همه بلاک‌چین‌های ارز دیجیتال ،مکانیسم‌های اجماع هستند و باعث ایمنی آن می شوند.این سیستم به ایمن سازی بلاک چین در برابر فعالیت های تقلبی کمک می کند و مشکل دوبار نقد شدن یک ارز دیجیتال  را برطرف می کند و هدف این مکانیسم ها مقاوم کردن سیستم در برابر خطا است.

به منظور تضمین اینکه همه شرکت‌کنندگان (گره‌ها) در یک شبکه بلاک چین بر روی یک نسخه از تاریخچه تراکنش توافق دارند، شبکه‌های بلاک چین مانند بیت‌کوین و اتریوم آنچه را که مکانیسم‌های اجماع نامیده می شود را اجرا می‌کنند.

انواع مکانیسم های اجماع

• اثبات کار (PoW)

مکانیسم اثبات کار (PoW) که توسط بیت‌کوین، اتریوم و بسیاری دیگر از بلاک چین‌های عمومی استفاده می‌شود، اولین مکانیسم اجماع ایجاد شده بود. به طور کلی این مکانیسم به عنوان ایمن ترین نظر گرفته می شود، اگرچه نگرانی هایی در مورد مقیاس پذیری آن وجود دارد. در حالی که اصطلاح “اثبات کار” برای اولین بار در اوایل دهه 1990 ابداع شد، این بنیانگذار بیت کوین، ساتوشی ناکاموتو بود که اولین بار این فناوری را در زمینه ارزهای دیجیتال به کار برد.

در این مکانیسم ، ماینرها با استفاده از رایانه های پرقدرت برای حل پازل های محاسباتی بسیار پیچیده با یکدیگر رقابت می کنند. اولین کسی که عدد 64 رقمی هگزادسیمال یا همان “هش” را ارائه می کند، حق تشکیل بلوک جدید و تایید تراکنش ها را به دست می آورد. ماینر موفق ، مقدار از پیش تعیین شده از رمزارز، که به عنوان “پاداش بلوک” شناخته می شود، پاداش می گیرد

از آنجایی که مقادیر زیادی منابع محاسباتی و انرژی برای تولید بلوک‌های جدید نیاز هست، هزینه‌های عملیاتی پشت PoW بسیار بالاست و همین امر مانعی است برای ورود ماینرهای جدید که منجر به نگرانی در مورد تمرکز و محدودیت های مقیاس پذیری می شود. رایج ترین انتقاد از PoW تأثیر مصرف برق بر محیط زیست و هزینه های بالا است. این امر باعث شده است که بسیاری به دنبال مکانیسم های اجماع پایدارتر و کارآمدتری مانند اثبات سهام (PoS)باشند.

• اثبات سهام (PoS)

همانطور که از نام آن پیداست، این روش محبوب اجماع، حول فرآیندی به نام سهامداری می چرخد. در یک سیستم اثبات سهام (PoS)، ماینرها ملزم هستند سهمی از ارز دیجیتال خود را گرو بگذارند تا به‌عنوان اعتبارسنج، به طور تصادفی انتخاب شود. این روند بی شباهت به قرعه کشی نیست که در آن هر چه سکه های بیشتری را شرط بندی کنید، شانس شما بیشتر است.

برخلاف PoW که در آن ماینرها با پاداش های بلاک (سکه های تازه تولید شده) تشویق می شوند، کسانی که به سیستم PoS کمک می کنند به سادگی ، کارمزد تراکنش دریافت می کنند.

PoS به عنوان یک جایگزین پایدارتر و سازگار با محیط زیست برای PoW در نظر گرفته می شود و در برابر حملات 51 درصد ایمن تر است.

(حمله 51 درصدی: حمله به یک بلاک چین ارز دیجیتال توسط گروهی از ماینرها است که بیش از 50 درصد از نرخ هش ماینینگ شبکه را کنترل می کنند. داشتن 51 درصد از گره های شبکه به طرف های کنترل کننده قدرت تغییر زنجیره بلوکی را می دهد)

با این حال، از آنجایی که سیستم از نهادهایی با تعداد توکن‌های بالاتر حمایت می‌کند، PoS انتقاداتی را به دلیل پتانسیل آن برای متمرکز شدن به خود جلب کرده است. پلتفرم های برجسته PoS عبارتند از Cardano (ADA)، Solana (SOL) و Tezos (XTC).

• اثبات سهام واگذار شده (DPoS)

اثبات سهام واگذار شده (DPoS) که اصلاح شده ی مکانیسم اثبات سهام است ، از یک سیستم رأی گیری مبتنی بر شهرت برای دستیابی به اجماع ، استفاده می کند. کاربران شبکه برای انتخاب «شاهدان» رای می‌دهند تا از طرف آنها شبکه را ایمن کنند. فقط شاهدان رده بالا (کسانی که بیشترین رای را دارند) حق اعتبارسنجی تراکنش های بلاک چین را کسب می کنند.

برای رای دادن، کاربران توکن های خود را به یک استخر سهام اضافه می کنند. سپس آرا با توجه به اندازه سهام هر رای دهنده وزن می شود  بنابراین هر چه سهم گذاری بیشتر باشد، قدرت رای بیشتر می شود. شاهدان منتخب که با موفقیت تراکنش‌ها را در یک بلوک تأیید می‌کنند، پاداشی دریافت می‌کنند که معمولاً با کسانی که به آنها رای داده‌اند تقسیم می‌شود.

• اثبات فعالیت (PoA)

اثبات فعالیت (PoA) ترکیبی از مکانیسم‌های اجماع PoW و PoS است. این مکانیسم توسط پروژه های بلاک چین Decred (DCR) و Espers (ESP) استفاده می شود. در سیستم‌های PoA، فرآیند ماینینگ (استخراج) مانند PoW آغاز می‌شود و ماینرها برای حل یک مسئله ریاضی پیچیده با استفاده از قدرت محاسباتی بسیار رقابت می‌کنند. با این حال، هنگامی که بلوک استخراج شد، سیستم تغییر می‌کند تا شبیه PoS شود و هدر بلوکی که با موفقیت تولید شده است ، در شبکه PoA پخش می‌شود. سپس گروهی از اعتبارسنجی‌ها به‌طور تصادفی انتخاب می‌شوند تا هش را امضا کنند و بلوک جدید را تأیید کنند.

مانند PoS، هر چه اعتباردهنده ها ، رمز ارز بیشتری داشته باشند، شانس انتخاب شدن آنها بیشتر است. هنگامی که هرکدام از اعتبارسنج های انتخاب شده،  بلوک را امضا کردند،  بلوک به شبکه بلاک چین اضافه می‌شود و آماده ثبت تراکنش‌ها است. سپس پاداش های بلوک بین ماینر و اعتبار سنج به اشتراک گذاشته می شود.

سیستم PoA با هدف ترکیب بهترین ویژگی‌های PoW و PoS طراحی شده است، اما اگرچه از کاستی‌های آن‌ها اجتناب می‌کند، اما به دلیل استخراج انرژی بر آن و جانبداری از اعتبارسنجی‌هایی که تعداد بیشتری سکه در اختیار دارند، انتقاداتی را به دنبال داشته است.

• اثبات اعتبار (PoA)

این مکانیسم نباید به علت داشتن علامت اختصار مشابه با اثبات فعالیت اشتباه شود، اثبات اعتبار (PoA) اعتباردهنده های خود را بر اساس شهرت انتخاب می کند. این مکانیسم یک نسخه اصلاح شده از PoS است که توسط بنیانگذار اتریوم و مدیر ارشد سابق شرکت گاوین وود در سال 2017 پیشنهاد شد.

در PoA، اعتبار سنج ها ، سکه ها را گرو نمی گذارند درعوض، آنها باید شهرت خود را به خاطر حق اعتبارسنجی بلوک‌ها به خطر بیندازند. این روش با اکثر پروتکل‌های بلاک چین بسیار متفاوت است که معمولاً برای مشارکت در اجماع ، نیازی به افشای هویت خود ندارند.

از آنجایی که این مکانیسم تقریباً به هیچ قدرت محاسباتی نیاز ندارد، نسبت به برخی از پیشینیان خود، به ویژه PoW، بسیار کمتر از منابع انرژی بر استفاده می کند. همچنین یکی از گزینه‌های کم‌هزینه است که آن را به یک راه‌حل بسیار مطلوب برای شبکه‌های خصوصی، مانند JP Morgan (JPMCoin) تبدیل می‌کند. سایر پروژه های مبتنی بر PoA شامل VeChain (VET) و شبکه آزمایشی Ethereum Kovan است.

اگرچه این مکانیسم بسیار مقیاس پذیر است، اما مشکل اساسی آن عدم تمرکز است، زیرا فقط تعداد معدودی می توانند در اجماع شبکه شرکت کنند. علاوه بر این، الزام به قابل شناسایی بودن اعتباردهنده ها نیز، خطر فساد و اعمال نفوذ شخص ثالث را افزایش می دهد.

• اثبات سوختن (PoB)

یکی دیگر از جایگزین های پایدارتر برای الگوریتم PoW ، اثبات سوختن (PoB) است. در PoB، ماینرها با سوزاندن (از بین بردن) مقداری از توکن‌های از پیش تعیین‌شده به شیوه‌ای قابل تأیید ، بلوک ها را استخراج می کنند، یعنی بلوک ها را به یک «آدرس خورنده » می فرستند که در آنجا قابل بازیابی یا خرج کردن نیستند.

هر چه تعداد سکه های بیشتری بسوزانید، شانس انتخاب شدن به صورت تصادفی بیشتر می شود. برخلاف PoS که استخراج‌کنندگان می‌توانند در صورت خروج از شبکه، سکه‌های سهام گذاری شده خود را بازیابی کنند یا بفروشند، سکه‌های سوخته به ‌طور جبران‌ناپذیری گم می‌شوند.

این روش که ماینرها را ملزم به قربانی کردن ثروت خود به صورت کوتاه مدت برای به دست آوردن امتیاز مادام العمر برای ایجاد بلوک های جدید می کند، ماینرها را تشویق به تعهد طولانی مدت می کند. عمل سوزاندن سکه همچنین منجر به کمبود سکه، محدود کردن تورم و افزایش تقاضا می شود. ارزهای دیجیتالی که از پروتکل اثبات سوختگی استفاده می کنند عبارتند از Slimcoin (SLM)، Counterparty (XCP) و Factom (FCT).

• اثبات ظرفیت / اثبات فضا (PoC / PoSpace)

برخلاف اکثر روش های پیشین که حقوق استخراج را بر اساس قدرت محاسباتی یا سکه‌های موجود اعطا می‌کنند، اثبات ظرفیت (PoC) که به عنوان اثبات فضا (PoSpace) نیز شناخته می‌شود  الگوریتم ماینینگ خود را بر اساس میزان فضای موجود در هارد دیسک استخراج‌کننده قرار می‌دهد.

در PoC، ماینرها لیستی از تمام هش‌های ممکن را از قبل در فرآیندی به نام «طرح‌بندی» تولید می‌کنند. سپس این نمودارها روی هارد دیسک ذخیره می شوند. هر چه یک ماینر ظرفیت ذخیره سازی بیشتری داشته باشد، راه حل های ممکن بیشتر است. هر چه تعداد راه حل ها بیشتر باشد، شانس داشتن ترکیب صحیح هش ها و برنده شدن جایزه بیشتر می شود.

از آنجایی که روش  PoCبه تجهیزات گران قیمت یا تخصصی نیاز ندارد، فرصت هایی را برای افراد عادی برای مشارکت در شبکه باز می کند. به این ترتیب، جایگزینی با انرژی کمتر و غیرمتمرکزتر برای مکانیسم های است که تا به اینجا مورد بررسی قرار گرفت. با این حال، هنوز توسعه‌دهندگان زیادی این سیستم را انتخاب نکرده‌اند و نگرانی‌هایی در مورد حساسیت آن به حملات بدافزار وجود دارد.

• اثبات زمان سپری شده (PoET)

اثبات زمان سپری شده (PoET) که معمولاً در شبکه‌های بلاک چین مجاز (آنهایی که نیاز به شناسایی شرکت‌کنندگان دارند) استفاده می‌شود، برای ساخت بلوک ،زمان‌های انتظار تصادفی را با استفاده از محاسبات قابل اعتماد اعمال می‌کند. این روش در اوایل سال 2016 توسط شرکت اینتل و براساس مجموعه ای خاص از دستورالعمل های CPU به نام افزونه های محافظ نرم افزار اینتل (SGX) توسعه یافت.

الگوریتم اجماع مبتنی بر قرعه‌کشی زمان (PoET) ، با تخصیص تصادفی زمان‌های انتظار به هر گره در شبکه، کار می‌کند. در طول دوره انتظار، هر یک از این گره ها برای مدت زمان مشخص شده به حالت “خواب” می روند. اولین کسی که بیدار می شود (یعنی کسی که کمترین زمان انتظار را دارد) حقوق ماینینگ را دریافت می کند. این تصادفی‌سازی تضمین می‌کند که احتمال برنده شدن تمام شرکت‌کنندگان به یک اندازه است و عدالت را در شبکه تضمین می‌کند.این مکانیسم بسیار کارآمد، کم‌مصرف منابع و مقیاس‌پذیر است و دربلاکچین Hyperledger’s Sawtooth پیاده سازی شده است.

• اثبات تاریخ (PoH)

همانطور که از نام آن پیداست، اثبات تاریخ (PoH) اثبات وقایع تاریخی را ارائه می دهد. PoH که توسط Solana توسعه داده شده است، اجازه می دهد تا «مهرهای زمانی» در خود بلاک چین ساخته شود و گذر زمان بین تراکنش ها را بدون نیاز به تکیه بر گره های دیگر تأیید کند.

این روش مهر زمانی با تابعی به نام SHA-256 یک تابع تأخیر قابل تأیید با هش متوالی (VDF) فعال می شود. مکانیسم آن با گرفتن خروجی تراکنش و استفاده از آن به عنوان ورودی برای هش بعدی کار می کند، که به همه امکان می دهد به وضوح ببینند کدام رویداد در یک توالی خاص رخ داده است.

از آنجایی که VDF ها تنها با یک امتیاز CPU قابل حل هستند، روش PoH وزن پردازش بلاک چین را به شدت کاهش می دهد و آن را سریعتر و از نظر انرژی کارآمدتر از بسیاری از همتایان خود می کند. از آنجایی که PoH فقط توسط Solana استفاده می شود، هنوز در مقیاس بزرگ آزمایش نشده است.

• اثبات اهمیت (PoI)

این مکانیسم برای اولین بار توسط شبکه NEM (XEM) معرفی شد، اثبات اهمیت (PoI) ماینرهای خود را براساس معیارهای خاصی در فرآیندی به نام “برداشت” انتخاب می کند. فاکتورهای معمول شامل تعداد و اندازه تراکنش ها در 30 روز گذشته، میزان ارز اختصاص یافته و فعالیت شبکه است. براساس این عوامل است که یک امتیاز اهمیت به گره ها نسبت داده می شود. هر چه امتیاز بالاتر باشد، احتمال انتخاب شدن برای برداشت یک بلوک و دریافت کارمزد تراکنش همراه آن بیشتر است.

اگرچه این روش مشابه روش PoS است، اما با معیارهای بیشتری که برای اجماع اضافه کرده است تنها تمایل ندارد که به ثروتمندان پاداش دهد و حمایت کلی شرکت کنندگان از شبکه را نیز در نظر می گیرد. به این ترتیب، صرفاً گرو گذاشتن سهم زیاد در POI شانس برنده شدن بلوک را تضمین نمی کند.

نتیجه گیری

وقتی نوبت به تأیید درستی پلتفرم های بلاک چین توزیع شده می رسد، رویکرد یکسانی وجود ندارد. هر مکانیسم اجماع مجموعه ای از مزایا ی خاص خود را دارد. در حالی که PoW و PoS مطمئناً رایج‌ترین الگوریتم‌ها هستند، انواع الگوریتم‌های جدید و در حال تکامل همچنان در حال ظهور هستند.