الگوریتم اثبات سهام (PoS) در بلاک چین و ارز دیجیتال چیست؟

الگوریتم اثبات سهام (PoS) در بلاک چین و ارز دیجیتال چیست؟

لینک صفحه حلیه آقامیری

الگوریتم گواه اثبات سهام (Proof of Stake) یک مکانیزم اجماع است. اما روش سیستم گواهی اثبات سهام یا همان PoS چگونه و چطور کار می‌کند؟

ساتوشی ناکاموتو خالق بیت کوین، به دلایل مختلف نحوه استخراح این ارز دیجیتال را به گونه‌ای طراحی کرد تا به مرور زمان سخت‌تر و دشوارتر شود. از چند سال قبل، دیگر ماین کردن این رمز ارز با کامپیوترهای خانگی عادی امکان‌پذیر نیست و به این منظور به دستگاه‌های ماینر مخصوص با توان پردازشی بسیار بالا، و البته مصرف برق فوق‌العاده زیاد، نیاز داریم. این نحوه کار به خاطر استفاده از الگوریتم اجماع PoW بوده است که در بلاک چین‌های جدید نظیر کاردانو شاهد جایگزینی آن با الگوریتم اثبات سهام یا همان PoS هستیم.

امنیت بیت کوین، اتریوم و دیگر بلاک چین‌های بزرگ متکی بر PoW مثال‌زدنی و بی‌نظیر است، اما این امنیت مصرف بالای انرژی و آسیب‌ به محیط‌‌زیست را در پی داشته است. همین موضوع، یعنی مصرف بالای برق ماینرها و آلودگی محیطی، از جمله دلایل مخالفت تعداد زیادی از دولت‌ها، نهادها و افراد با ارزهای دیجیتال محسوب می‌شود. این مشکل با راه‌اندازی یک سیستم مبتنی بر الگوریتم اثبات سهام از بین خواهد رفت.

از طرفی دیگر، نیاز به خرید اسیک ماینرهای گران قیمت (برای استخراج بیت کوین) یا کارت‌های گرافیک دارای قیمت نجومی (برای استخراج اتریوم) سبب شده افراد کمتری قادر به فعالیت به عنوان یک نود در این شبکه‌ها باشند. در اثبات سهام این مشکل نیز برطرف شده است. در اینجا به سادگی خرید یک ارز دیجیتال و قفل کردن آن در یک کیف پول تبدیل به یک گره شده و پاداش دریافت می‌کنید. این عملیات استیکینگ نام دارد. جلوتر بیشتر به بررسی آن خواهیم پرداخت.

به طور خلاصه، روندی که برای رسیدن به اجماع در شبکه غیر متمرکز بیت کوین توسط ساتوشی ناکاموتو ابداع شد، با وجود خلاقانه، نوآورانه و امن بودن، دارای چند ایراد اساسی است. متخصصان بلاک چین تلاش کردند با توسعه یک الگوریتم اجماع دیگر به نام اثبات سهام (PoS) آن‌ها را برطرف کنند.

اتریوم به عنوان بزرگترین ارز دیجیتال بعد از بیت کوین (از نظر ارزش کل بازار) و بزرگترین بلاک چین کاربردی دنیا (بیت کوین فقط یک سیستم تبادل مالی است و امکان ساخت اپلیکیشن روی آن وجود ندارد)، در حال حاضر از PoW استفاده می‌کند، اما در نقشه راه آن حال حرکت از الگوریتم اثبات کار (Proof of Work) به سوی مکانیزم اجماع متفاوت گواه اثبات سهام (Proof of Stake) دیده می‌شود. از آنجایی که روش PoS بخش کلیدی مقیاس پذیری از طریق آپگرید اتریوم 2 محسوب می‌شود، همیشه در چشم‌انداز استراتژی جامعه این بلاک چین قرار داشته است. با این وجود، اجرای صحیح اثبات سهام یک چالش فنی بزرگ است و رسیدن به اجماع در کل شبکه به اندازه اثبات کار ساده نیست.

نگاهی به نخستین الگوریتم، PoW

برای جلوگیری از حملاتی که دو بار خرج کردن وجوه را امکان‌پذیر می‌کنند، شبکه بیت کوین از الگوریتم اجماع اثبات کار (Proof of Work) بهره می‌برد. این سیستم کاربران را به استفاده از سخت‌افزار و انرژی برق با هدف کمک به پردازش تراکنش‌های شبکه ملزم می‌کند. در PoW، ماینرها (یا به عبارت دقیق‌تر کامپیوترهایشان)، درصدد حل پازل‌های دشوار برای تکمیل بلاکی از تراکنش‌ها هستند. کار این افراد به تایید صحت تراکنش‌ها کمک می‌کند. ماینرها برای جبران خدمت با رمز ارزی BTC پاداش‌دهی می‌شوند.

اثبات کار در طراحی شبکه بیت کوین به کار رفته است و دیگر بلاک چین‌ها مانند اتریوم نیز از آن کپی‌برداری کرده‌اند، هر چند اتریوم با پی بردن به مشکلات این سیستم در حال مهاجرت به الگوریتم اثبات سهام است. لزوم خرید دستگاه‌ها و مصرف بالای برق برای حل مسائل مربوط به استخراج سبب شده ماینینگ روز به روز سخت‌تر و چالش‌برانگیزتر شود. از جمله نتایج بد آن مقیاس پذیری ضعیف و کارمزد بالای تراکنش‌ها در Ethereum بوده است. فراموش نکنید پازل‌هایی که ماینرها برای یافتن پاسخ آن‌ها با هم رقابت می‌کنند، هدفی به جز تامین امنیت شبکه ندارند.

تایید اثبات کار

مخالفان، دائم این سوال را مطرح می‌کنند: آیا از طریق روشی جایگزین امکان تامین امنیت وجود ندارد؟ یعنی راهی برای تامین امنیت بدون این همه اتلاف انرژی وجود ندارد؟ هر چند در بالا بودن امنیت شبکه بیت کوین شکی نیست و این از جمله دلایل مطرح شدن آن به عنوان یک سیستم انتقال پول بی‌نظیر بوده است، اما همچنان به عقیده بسیاری، روند پردازش تراکنش‌ها و ایمن نگه داشتن این بلاک چین بدون دلیل پرمصرف طراحی شده است. در نقطه مقابل دوست‌داران مکانیزم PoW قرار دارند. به عقیده آن‌ها تامین امنیت شبکه بلاک چین کار ارزشمندی است، پس انجام این حجم از محاسبات به منظور تامین آن توجیه می‌شود. البته اکنون می‌بینیم مشکل امنیت حتی در سیستم کم‌مصرفی مثل لثبات سهام نیز برطرف شده است. پس نظر مخالفان درست است و راه جایگزینی وجود دارد!

الگوریتم گواه اثبات سهام چیست؟

روش PoS نوعی مکانیزم اجماع است که توسط شبکه‌های بلاک چینی جهت دستیابی به اجماع توزیع‌شده استفاده می‌شود. این الگوریتم کاربران را ملزم به استیک کردن (سهام‌گذاری) رمز ارزهای ETH می‌کند تا به یک ولیدیتور (Validator) یا همان اعتبارسنج در شبکه تبدیل شوند. ولیدیتورها مسئول همان عملیات مشابه ماینرها در الگوی اثبات کار هستند: انتخاب تراکنش‌ها و ساخت بلاک‌های جدید، تا تمام نودها قادر به توافق روی وضعیت شبکه باشند.

اثبات سهام چند مزیت و بهبود نسبت به سیستم اثبات کار دارد:

  • کارایی بهتر انرژی: نیازمند استفاده از مقدار بالای انرژی جهت ماین کردن بلاک‌ها نیستید.
  • موانع کمتر جهت ورود و کاهش الزامات سخت‌افزاری: برای داشتن شانس ساخت بلوک‌های جدید، نیازمند تهیه سخت‌افزارهای پیشرفته نیستید.
  • مصونیت قوی‌تر در برابر تمرکزگرایی: PoS باید به نودهای بیشتر در شبکه منجر شود.
  • پشتیبانی قوی‌تر برای زنجیره‌های شارد (Shard Chains): آپگریدی کلیدی در مقیاس پذیری شبکه اتریوم.

استیکینگ و ولیدیتورهای اثبات سهام

گواه Proof of Stake مکانیزمی است که در ازای استیک کردن مقدار کافی از یک ارز خاص، کاربران را به اعتبارسنج تبدیل می‌کند. مثلا در شبکه اتریوم 2.0، کاربران برای تبدیل شدن به ولیدیتور، به استیک کردن حداقل 32 واحد ارز دیجیتال اتر نیاز دارند. سپس اعتبارسنج‌ها به صورت تصادفی جهت ساخت بلاک‌ها انتخاب شده و مسئول بررسی و تایید بلاک‌های حاوی تراکنش‌ها خواهند شد. استیکینگ به زبان ساده، نگه داشتن مقداری از یک ارز دیجیتال در یک کیف پول است. به همین سادگی، بدون دردسر خرید، راه‌اندازی و نگهداری دستگاه‌های ماینر، شما تبدیل به یک گره شبکه بلاک چین خواهید شد.

در اثبات سهام استخراج‌کنندگان (ماینرها) با اعتبارسنج‌ها (ولیدیتورها) جایگزین شده‌اند. این فقط یک تغییر اسم است و در عمل، هر دو مورد گره‌های بررسی‌کننده تراکنش‌ها و سازنده‌ی بلاک‌ها محسوب می‌شوند.

از رمز ارزهای استیک‌شده یک کاربر همچنین به‌عنوان روشی جهت ایجاد انگیزه برای رفتار خوب ولیدیتورها استفاده می‌شود. مثلا ممکن است کاربران در مواردی همچون آفلاین شدن (عدم توانایی اعتبارسنجی)، بخش یا کل مقدار سهام‌گذاری‌شده خود را به خاطر تبانی عمدی از دست بدهند.

یک سوال متداول، تفاوت استیک کردن و هولد کردن است. به ظاهر، در هر دو مقداری رمز ارز را در یک کیف پول نگه می‌داریم، اما چرا این دو متفاوت هستند؟ بعد از استیکینگ، برخلاف زمان هولدینگ، دارایی‌تان قفل شده و دیگر نمی‌توانید آزادانه از آن استفاده کنید. در عوض، با هولد کردن چیزی به دارایی‌تان اضافه نمی‌شود، اما با استیک کردن در الگوریتم اثبات سهام جایزه، چیزی شبیه سود سپرده‌گذاری در یک بانک، دریافت می‌کنید. از طرفی دیگر، اگر به جز کسب درآمد شیفته‌ی تکنولوژی به خصوص دنیای بلاک چین باشید، به وسیله Staking در تامین امنیت، افزایش کارایی، بهره‌وری و غیر متمرکزتر شدن شبکه بلاک چین رمز ارز مورد نظر نیز مشارکت خواهید داشت

چرا الگوی PoS ساخته شد؟

پروتکل Proof of Stake توسط توسعه‌دهنده مشهور به نام سانی کینگ (Sunny King) در سال 2011 ساخته شد. در سال 2012، آقای کینگ به صورت رسمی وایت پیپر اثبات سهام را منتشر کرد. هدف این مکانیزم، حل برخی از مشکلات شناخته‌شده اثبات کار بود. برخی از این مشکلات به شرح زیر هستند:

  • سرعت پایین و مقیاس پذیری ضعیف: این ویژگی در فرایند ماینینگ، تاخیر بالایی را برای تایید تراکنش‌ها و تولید بلاک‌های جدید ایجاد می‌کند. اما PoS متضاد این امر است. در بلاک چین‌هایی که از اثبات سهام استفاده می‌کنند، تایید تراکنش‌ها توسط نودهای دارای مقادیر رمز ارز بالا صورت می‌گیرد. در این حالت، تاییدها با سرعت انجام شده و تاثیر مثبتی روی مقیاس پذیری و سرعت شبکه خواهد داشت.
  • مصرف بالای انرژی فرآیند ماینینگ: فرایند استخراج در اثبات کار نیازمند مصرف بالای انرژی است. انرژی برق مصرفی دستگاه‌های ماینر غالبا بالاست. اما PoS این روند را با تغییر فرایند ماینینگ به سوی یک فرایند مشارکتی، متحول کرده است. این سهم، در دارایی رمز ارزی یا زمان حضور در شبکه منعکس می‌شود.
  • تمرکزگرایی (متمرکز شدن) شبکه: این امر، مشکل بزرگ شبکه‌های مبتنی بر PoW امروزی است. این حقیقت خصوصا در هنگام حضور گروه‌های بزرگ ماینینگ، قابل لمس‌تر می‌شود. این مشکل در واقع شبکه را در دستان یک گروه اقلیتی متمرکز می‌سازد. اما PoS با تنوع‌بخشی و دموکراتیک کردن دسترسی مشترکان به وظایف مختلف شبکه، به دنبال رفع این مسئله است.
  • سود مالی در حمله 51 درصد: اتک 51 درصد از جمله نگرانی‌های حال حاضر شبکه‌های مبتنی بر اثبات کار هستند. کافی است یک گروه ماینر، 51 درصد از قدرت محاسباتی شبکه را برای ایجاد فاجعه در اختیار داشته باشد. این گروه ماینینگ با چنین ظرفیتی، قادر به دستکاری بلاک چین خواهد بود. اما در سیستم اثبات سهام، این کار تنها در صورت در اختیار داشتن 51 درصد از تمام رمز ارزهای استیک‌شده امکان‌پذیر است. این امر، به‌عنوان یک عامل بازدارنده در برابر این حملات عمل کرده و امنیت شبکه را حفظ می‌کند.

روش اثبات سهام چگونه کار می‌کند؟

در گواه PoS برخلاف اثبات کار، اعتبارسنج‌ها به خاطر انتخاب‌شدن به صورت تصادفی و عدم رقابت، نیازمند استفاده از مقدار بالای قدرت محاسباتی نیستند. ولیدیتورها به ماین کردن بلاک‌ها نیازی ندارند، بلکه صرفا در هنگام انتخاب‌شدن بلوک‌ها را ساخته و در صورت عدم انتخاب، بلاک‌های پیشنهادی را تایید می‌کنند.

این اعتبارسنجی با عنوان «گواهی دادن (Attesting)» شناخته می‌شود. می‌توانید گواهی دادن را مشابه جمله «این بلاک به نظر من خوب است» در نظر بگیرید. ولیدیتورها برای پیشنهاد دادن بلاک‌های جدید و گواهی دادن به بلوک‌های دیگر، پاداش می‌گیرند.

اگر شما به بلاک‌های مخرب گواهی خوب بودن بدهید، ارزهای استیک‌شده خود را از دست خواهید داد.

پروتکل کسپر اتریوم

بیکین چین (Beacon Chain)

با جایگزینی اثبات سهام به جای اثبات کار، پیچیدگی شارد چین‌ها نیز به شبکه اضافه خواهد شد. زنجیره‌های شارد در واقع بلاک چین‌های مجزایی هستند که برای پردازش تراکنش‌ها و ساخت بلوک‌های جدید، به ولیدیتورها نیاز دارند. برنامه اتریوم 2، داشتن 64 شارد چین است که همگی آن‌ها درک مشترکی از وضعیت شبکه خواهند داشت. در نتیجه، به هماهنگی بیشتری نیاز است و این کار از طریق بیکن چین انجام می‌شود.

بیکن چین اطلاعات وضعیت را از شاردها می‌گیرد و با ارسال آن به دیگر شاردها، باعث هماهنگی سیستم می‌شود. بیکن چین همچنین مدیریت اعتبارسنج‌ها، از ثبت واریزی استیک‌های آن‌ها گرفته تا پرداخت پاداش و اعمال جریمه را در دست خواهد داشت. در این قسمت، نحوه کار را توضیح می‌دهیم.

نحوه کار اعتبارسنجی

در هنگام ثبت یک تراکنش روی یک شارد، ولیدیتوری مسئول اضافه کردن آن تراکنش به بلاک شارد خواهد بود. اعتبارسنج‌ها نیز به صورت الگوریتمی توسط بیکن چین جهت پیشنهاد بلوک‌های جدید انتخاب می‌شوند.

گواهی

اگر ولیدیتوری برای پیشنهاد دادن یک بلاک جدید در شارد انتخاب نشود، باید به پیشنهاد یک ولیدیتور دیگر گواهی داده و درست بودن همه چیز را تایید کند. در واقع، به جای خود تراکنش، همین گواهی است که روی بیکن چین ثبت می‌شود.

به حداقل 128 اعتبارسنج برای گواهی دادن روی یک بلاک شارد نیاز است. جمع این ولیدیتورها، با عنوان «کمیته» شناخته می‌شوند.

حالا این کمیته برای پیشنهاد دادن و تایید یک بلوک شارد در مکانیزم اثبات سهام، یک بازه زمانی مشخص دارد. به این بازه زمانی، «اسلات (Slot)» می‌گویند. در هر اسلات، تنها یک بلاک معتبر ساخته می‌شود و در هر «ایپاک (تلفظ بریتیش)» یا اِپک (تلفظ آمریکن)» (Epoch) 32 اسلات وجود دارد. اپک در واقع یک دوره زمانی خاص در هر شبکه است. مثلا در شبکه بیت کوین، هر اپک بر اساس تعداد بلاک‌ها (210,000) برابر با تقریبا 4 سال اتفاق می‌افتد. اما در اتریوم 2، پس از 32 اسلات که تقریبا 6.4 دقیقه طول می‌کشد، یک اپک وجود خواهد داشت.

پس از هر اپک، کمیته مربوطه منحل شده و با اعضای جدید و تصادفی، کمیته جدیدی تشکیل می‌شود. این فرایند به محافظت شاردها در برابر کمیته‌های متشکل از بازیگران بد کمک می‌کند.

کراس‌لینک‌ها (Crosslinks)

پس از دریافت تعداد کافی گواهی‌ها در یک بلوک شارد، یک «کراس‌لینک» تشکیل می‌شود که گنجانده‌شدن آن بلاک و تراکنش شما در بیکن چین را تایید می‌کند. پس از تشکیل کراس‌لینک، ولیدیتور پیشنهاددهنده آن بلاک، پاداش خود را دریافت می‌کند.

فاینالیتی (Finality) یا نهایی‌سازی

در شبکه‌های توزیع‌شده، تراکنش‌ها پس از تبدیل شدن به بخشی از بلاک که امکان تغییر در آن وجود ندارد، دارای چیزی به نام «فاینالیتی» خواهند بود.

برای انجام این کار در مکانیزم اثبات سهام، کسپر (Casper) که یک پروتکل فاینالیتی در شبکه اتریوم است، ولیدیتورها را به توافق روی وضعیت یک بلاک در یک زمان خاص ملزم می‌کند. تا زمانی که دو سوم اعتبارسنج‌ها توافق داشته باشند، بلاک مربوطه نهایی‌سازی می‌شود. ولیدیتورها در صورت تلاش و معکوس کردن آن از طریق حمله 51 درصدی، تمام استیک خود را از دست خواهند داد.

به گفته ولاد زمفیر (Vlad Zamfir)، این کار شبیه به شرکت یک ماینر در حمله 51 درصد و سوزاندن سریع سخت‌افزار ماینینگ خود است.

مثالی از نحوه کار Proof of Stake

فرض کنید شما بخشی از یک شبکه 100 نفره از سرمایه‌گذاران هستید. از این شبکه، اولین گروه 50 نفره هر کدام دارای 1000 رمز ارز هستند. یک گروه 30 نفره دیگر، هر کدام 2,500 واحد کوین در اختیار دارند. گروه 20 نفره آخر نیز هر کدام 10،000 ارز دیجیتال دارند. در جدول زیر، داده‌های مربوط به هر کدام از این گروه‌ها و وزن مشارکت‌شان در شبکه را مشاهده می‌کنید.

گروه های اثبات سهام

بنابراین، مشخص است که گروه C با 200,000 کوین، بیشترین مشارکت برابر با 61.54 درصد را خواهد داشت. اکنون، نوبت به مرحله انتخاب تصادفی ولیدیتورها در شبکه می‌رسد. حالا این اعداد و ارقام، به معنای شانس بیشتر گروه C برای انتخاب شدن است. اما تنها این افراد انتخاب نمی‌شوند، بلکه گروه A و B هم در میان اعتبارسنج‌ها حضور خواهند داشت. این امر برای دموکراتیک و غیر متمرکز کردن شبکه انجام می‌شود.

بنابراین استیک بیشتر تضمینی برای انتخاب شدن به‌عنوان یک نود نیست، اما فرصت بیشتری را فراهم می‌کند. به همین خاطر، تمام افراد حاضر در شبکه سود خواهند برد. علاوه بر این، هر کدام از سرمایه‌گذاران گروه A و B قادر به سرمایه گذاری بیشتر رمز ارز و افزایش سطح مشارکت خود هستند. پس از انتخاب، سرمایه گذاران توانایی انجام وظایف محول‌شده خود را دارند. این افراد برای دریافت انگیزه و درآمد به نسبت مشارکت خود در سیستم، این وظایف را انجام می‌دهند. پس از اتمام دوره، فرایند انتخاب دوباره آغاز شده و سرمایه گذاران جدید شرکت داده خواهند شد.

علاوه بر این موارد، وجوه استفاده‌شده به عنوان استیک، تا مدت مشخصی قابل برداشت نبوده و باید در بلاک چین قفل شوند. این امر از بودن رمز ارزها به‌عنوان تضمینی جهت انجام اعتبارسنجی توسط نودها، اصمینان حاصل می‌کند. با این وجود، نودها در هر زمانی برای افزایش سطح مشارکت خود، قادر به اضافه کردن ارزهای دیجیتال جدید هستند.

الگوریتم اثبات سهام و امنیت

تهدید حمله 51 درصد در الگوی PoS هم وجود دارد، اما انجام آن برای مهاجمان دارای ریسک بیشتری است. برای این کار، شما نیازمند کنترل حداقل 51 درصد از رمز ارزهای ETH استیک‌شده هستید. نه تنها این امر پول زیادی می‌طلبد، بلکه به احتمال فراوان باعث ریزش قیمت اتر نیز خواهد شد. بنابراین انگیزه کمی در تخریب ارزش رمز ارزی که دارای سهام زیادی در آن هستید، وجود دارد. به همین خاطر، مشوق‌های امن و سالم نگه داشتن شبکه قوی‌تر هستند.

از بین رفتن رمز ارزهای استیک‌شده، اخراج و دیگر جریمه‌ها که همگی توسط بیکن چین انجام می‌شوند، برای جلوگیری از رفتار بد طراحی شده‌اند. ولیدیتورها همچنین مسئول گزارش دادن اینگونه حوادث هستند.

مزایا و معایب گواه اثبات سهام

مزایا معایب
اجرای نود توسط استیک کردن ارز دیجیتال راحت‌تر است. این فرایند نیازمند سرمایه گذاری بالا در سخت‌افزار یا انرژی نیست و در صورت نداشتن ETH کافی، قادر به پیوستن به یک استخر استیکینگ هستید. اثبات سهام همچنان در ابتدای راه خود است و در مقایسه با اثبات کار، چالش‌های کمتری را پشت‌سر گذاشته است.
استیکینگ غیر متمرکزتر است. این روش باعث مشارکت بیشتر می‌شود و حضور نودهای بیشتر، به معنای بازده بالاتر همانند ماینینگ نیست.
استیکینگ باعث شاردینگ امن می‌شود. زنجیره‌های شارد به اتریوم اجازه می‌دهند تا همزمان به ساخت بلاک‌ها پرداخته و توان عملیاتی تراکنش‌ها را افزایش دهد. اما شارد کردن شبکه در یک سیستم اثبات کار، قدرت مورد نیاز جهت به خطر انداختن بخشی از شبکه را کاهش خواهد داد.

آینده

اتریوم 2 تنها استفاده‌کننده الگوریتم اثبات سهام نیست. رمز ارزهایی مانند الگورند (Algorand)، کاردانو (Cardano)، کازموس (Cosmos)، ایاس (EOS)، پولکادات (Polkadot) و تزوس (Tezos) نیز همگی نسخه‌ای از اثبات سهام را پیاده‌سازی کرده‌اند.

شبکه اتریوم هم‌اکنون در فاز 1 مهاجرت به Ethereum 2.0 قرار دارد و اجرای فاز 1.5، برای اواخر سال 2021 یا اوایل 2022 برنامه‌ریزی شده است. پس از آن، فاز دوم و نهایی آپگرید به اتریوم 2 اجرا خواهد شد.

منابع:

  • Ethereum.org
  • Decrypt
  • Bit2Me Academy

برچسب‌ها:

افزودن نظر