الگوریتم اجماع اثبات سهام (PoS) چگونه کار می‌کند؟

الگوریتم اجماع اثبات سهام (Proof of Stake) یکی از روش‌های تأمین امنیت در بلاک چین است. وجود یک نهاد مرکزی در سیستم‌های متمرکز معایب بسیاری دارد، اما چند مزیت وجود این نهادها به اندازه‌ای مهم هستند که نمی‌توان آن‌ها را نادیده گرفت.

تأمین امنیت و اطمینان از اعتبار تراکنش‌ها دو مورد از این مزیت‌های مهم هستند. در بلاک چین‌های غیرمتمرکز برای تأمین امنیت و اعتبار تراکنش‌هایی که در شبکه انجام می‌شود، به الگوریتم‌های اجماع نیاز داریم؛ آن‌ها انواع مختلفی دارند و هرکدام از آن‌ها به شیوه‌ای منحصر به فرد امنیت شبکه را تأمین می‌کنند. الگوریتم اثبات کار (Proof of Work) و الگوریتم اثبات سهام (Proof of Stake) در بلاک چین، دو مورد از مشهورترین الگوریتم‌های اجماع هستند. در این مقاله قصد داریم بررسی کنیم اثبات سهام چطور کار می‌کند و چه تفاوتی با PoW دارد. اطلاعات این مقاله به زبان ساده نوشته شده است و برای درک آن‌ تنها کافی است با مفهوم بلاک چین و هش‌گذاری آشنا باشید.

مکانیزم اجماع اثبات سهام از یک فرآیند انتخابات شبه-تصادفی استفاده می‌کند تا هر بار یک نود را برای تایید بلاک بعدی برگزیند. فرآیند انتخاب گره‌های تایید کننده یا ولیدیتورها (Validators) از این جهت “شبه” تصادفی است که علی رغم انتخاب رندوم آن‌ها، معیارهایی مانند مقدار رمز ارز استیک شده توسط آن‌ها و مدت زمان استیکینگ هم بسیار مهم است؛ بزرگ‌تر بودن این مقادیر احتمال انتخاب شدن نود را افزایش می‌دهد و به عبارتی، احتمال انتخاب شدن یک گره به عنوان تایید کننده وقتی 1000 توکن بومی‌ آن شبکه را به مدت یک ماه استیک کرده، بیشتر از گره دیگر با 100 توکن قفل شده در مدت یک هفته است.

قابل ذکر است که استفاده از واژه استخراج یا ماینینگ (mining) در شبکه‌های مبتنی بر الگوریتم PoS مرسوم نیست و به جای آن معمولا از واژه تایید کردن یا ساختن بلاک استفاده می‌شود. فورج (Forge) در مکانیزم PoS به معنی تایید کردن بلاک و فورجر (Forger) به معنی همان اعتبار سنج (ولیدتور) تراکنش‌ها و در نهایت تایید کننده بلاک است. بعلاوه، ماهیت کار ماینرها و فورجر هم کمی‌ متفاوت است؛ استخراج کنندگان با به کار گیری قدرت پردازش دستگاه‌های ماینر خود، برای کسب پاداش بلاک و استخراج کوین‌های جدید با هم رقابت می‌کنند، در حالی که اعتبار سنجان رسما با هم مسابقه نمی‌دهند و فرآیند انتخاب شدنشان به عوامل دیگر متکی است. به علاوه، در شبکه‌های مبتنی بر الگوریتم PoW به ماینرها پاداشی در غالب مجموعی از کوین‌های جدید و کارمزد تراکنش‌ها پرداخت می‌شود، اما در شبکه‌های مبتنی بر اثبات سهام تنها کارمزد تراکنش‌ها به گره‌های تایید کننده پرداخت می‌شود. بنابراین بلاک چین‌هایی که از مکانیزم اجماع اثبات سهام استفاده می‌کنند معمولا در ابتدا با مقداری توکن از پیش استخراج شده (pre-mined) راه اندازی می‌شوند یا اول با PoW کار را شروع می‌کنند و بعدا به مدل PoS تغییر می‌کنند.

مشارکت کنندگانی که قصد تبدیل شدن به یک گره تایید‌ کننده یا فورجر را دارند، ملزم به استیک کردن (قفل کردن) مقدار حداقلی از ارز شبکه مورد نظر هستند. همانطور که گفته شد، هرچه که مقدار و زمان استیکینگ بیشتر باشد، شانس انتخاب شدن بیشتر است. از سویی برای اینکه فرآیند انتخابات تنها به نفع گره‌های ثروتمندتر تمام نشود، این شبکه‌ها به روش‌های مختلفی متصول می‌شوند؛ دو راه حل که اصطلاحا به آن‌ها “انتخاب رندوم بلاک” (Randomized Block Selection) و “انتخاب بر اساس سن کوین” (Coin Age Selection) می‌گویند، انتخابات در مکانیزم PoS را به نفع همه گره‌ها و عادلانه‌تر می‌کند.

با استفاده از انتخابات رندوم، شبکه به دنبال نودهایی می‌گردد که کمترین مقدار هش و بیشترین مقدار استیک شده را داشته باشند. البته چون مقدار رمز ارز استیک شده توسط مشارکت کنندگان برای همه نمایش داده می‌شود و آمار شفافی دارد، معمولا حدس زدن اینکه چه کسی ولیدیتور بعدی است کار آسانی است. پس فاکتور دیگری هم در فرآیند انتخابات دخیل می‌شود تا سن کوین‌های استیک شده (Age) را هم در نظر بگیرد؛ Age اینجا حاصل ضرب مدت زمان قفل کردن رمز ارز در شبکه و تعداد آن توکن‌هاست.

نکته جالب اینجاست که پس این که یک نود به عنوان فورجر انتخاب شد، سن استیکینگ او صفر می‌شود و به عبارتی موقتا شانس مجددا برگزیده شدن او کم‌تر می‌شود. این روش انتخابات را عادلانه‌تر می‌کند و ازینکه فرآیند تایید بلاک‌ها تحت سلطه تنها یک سری گره خاص قرار گیرد، جلوگیری می‌کند. البته هر پروژه رمز ارزی که از PoS به عنوان مکانیزم اجماع بلاک چین خود استفاده می‌کند، می‌تواند مجموع قوانین و ابداعات خاصی داشته باشد.

مثلا در مواردی، چنانچه کسی بخواهد شانسش را در شبکه مبتنی بر الگوریتم PoS برای برگزیده شدن به عنوان یک ولیدیتور و کسب پاداش افزایش دهد، یا دارایی‌اش مقدار حداقلی پروتکل را برای تبدیل شدن به یک اعتبار سنج ارضا نکند، می‌تواند با شرکت در یک استخر استخراج (Staking pool)، پاداش کسب کند. می‌توانید این طور تصور کنید که در این استخرها، به نسبت توکن‌های استیک شده توسط هر نفر، قسمتی از پاداش تایید بلاک توسط مجموعه استخر، به او هم تعلق می‌گیرد.

خلاصه اینکه، زمانی که یک گره به عنوان تایید کننده انتخاب می‌شود، وظیفه بررسی کردن اعتبار و صحت تراکنش‌های موجود در آن بلاک به عهده وی است. در صورت تایید، بلاک به اصطلاح امضا می‌شود و به زنجیره اضافه می‌شود. در نهایت به عنوان پاداش، کارمزد کل تراکنش‌های آن بلاک به ولیدیتور پرداخت می‌شود. چناچه یک گره دیگر نخواهد فورجر باشد و در انتخابات کاندید شود، مقدار رمز ارزی که در شبکه قفل کرده و همچنین کل پاداش‌هایی که تا بحال گرفته است بعد از مدت معینی آزاد شده و در اختیارش قرار می‌گیرد. مدت زمانی که به آن اشاره شد برای این است که شبکه فرصت داشته باشد صداقت نود را بسنجد و اگر خرابکاری انجام داده باشد، می‌تواند دارایی او را ضبط کند. الگوریتم اجماع اثبات سهام (Proof Of Stake) یا PoS از انواع مکانیزم ها برای رسیدن به توافق بین نودهای یک شبکه بلاک چین‌ است.

الگوریتم‌های اجماع برای رسیدن به توافق بین نودهای یک شبکه بلاک چین استفاده می‌شوند و انواع مختلفی دارند. به طور خلاصه مکانیزم‌های اجماع در یک بلاک چین به کار گرفته می‌شود تا به موجب آن‌ها فرآیند تایید و نهایی کردن بلاک‌ها ممکن و در نهایت امنیت شبکه هم تامین شود. در حالی که بیت کوین به عنوان اولین ارز دیجیتال جهان با الگوریتم اثبات کار (PoW) معرفی شد، عده‌ای آن را به علت مصرف زیاد انرژی، هزینه‌بر بودن فرآیند استخراج بلاک‌ها و سرعت پایین تایید تراکنش‌ها مورد انتقاد قرار داده و در ادامه، روش‌های جایگزین برای آن ابداع شدند. الگوریتم اجماع اثبات سهام ((PoS) Proof of Stake) به عنوان اولین و البته تنها یکی از انواع روش‌های جایگزین PoW معرفی شده است.

الگوریتم اجماع اثبات سهام (PoS) برای اولین بار در سال 2011 و به منظور حل برخی از مشکلات PoW در فوروم معروف بیت کوین تاک (Bitcointalk) معرفی شد. البته ایده اولیه آن رسما توسط سانی کینگ (Sunny King) و اسکات نادال (Scott Nadal) در سال 2012 در وایت پیپر پی پی کوین (PPCoin) آمده است. همانطور که گفتیم، در اصل، هدف استفاده از هر دو مکانیزم (اثبات کار و سهام) رسیدن به اجماع در بلاک چین است، درحالی که نحوه رسیدن به این اجماع در آن‌ها کاملا متفاوت است.

چنین ادعا می‌شود که استفاده از الگوریتم اجماع اثبات سهام، در نهایت شبکه را سریع‌تر و مقیاس پذیر‌تر می‌کند و از سوی دیگر، هزینه تراکنش‌ها و مصرف انرژی را پایین می‌آورد. در ادامه در مورد مکانیزم PoS بیشتر صحبت می‌کنیم

مزایا استفاده از مکانیزم اجماع اثبات سهام (PoS) چیست؟

بزرگترین مزیت الگوریتم اثبات سهام نسبت به مکانیزم اثبات کار صرفه‌جویی در مصرف انرژی و امنیت آن است. این شبکه‌ها در نهایت می‌توانند در مواردی امن‌تر باشند، چرا که تبدیل شدن یک نود در شبکه‌ای که با مکانیزم PoS کار می‌کند به مراتب آسان‌تر از PoW است؛ هر چه تعداد مشارکت کنندگان بیشتر باشد، توزیع شدگی و تمرکز زدایی بیشتر شده و در نهایت احتمال اینکه عده‌ای خاص بر سیستم مسلط شوند پایین می‌آید. بر خلاف سیستم‌های مبتنی بر اثبات کار که مقدار برق زیادی برای استخراج بلاک‌ها مصرف می‌شود، در سیستم اثبات سهام نیاز به مصرف برق و هزینه‌های کلان برای راه انداختن تجهیزات استخراج وجود ندارد و این مهم در افزایش علاقه و توانایی کاربران برای تبدیل شدن به یک نود دخیل است.

بعلاوه انتخابات رندوم و صفر شدن Age استیکینگ هر گره بعد از هربار برگزیده شدن به عنوان ولیدیتور، به خودی خود قدرت استخرهای استیکینگ و مشارکت کنندگان ثروتمندتر را بسیار محدود می‌کند. این برخلاف بلاک چین‌های مبتنی بر الگوریتم اثبات کار است که استخرهای ماینینگ، مزارع استخراج و غیره ممکن است هر آن بر شبکه مسلط شوند.

به طور کلی سرمایه گذاران ممکن است به دلایلی از کوین‌های بومی‌ شبکه‌هایی که با مکانیزم اجماع اثبات سهام کار می‌کنند بیشتر استقبال کنند. مثلا ممکن است قیمت توکن بومی‌ بلاک چینی که با مکانیزم PoS کار می‌کند به مراتب پایدار‌تر باشد، چون احتیاج کمتری به انتشار کوین‌های جدید در این شبکه‌ها به منظور پاداش دهی وجود دارد. از سوی دیگر، هزینه شبکه‌های مبتنی بر الگوریتم اجماع اثبات سهام می‌تواند به مراتب پایین‌تر از شبکه‌های PoW باشد. این شبکه‌ها از روش اعتبار سنجی کارآمدتری استفاده می‌کنند که در نهایت کارمزد تراکنش‌ها را بسیار کم می‌کند.

همه این مزایا در کنار سرعت تراکنش بالاتر و مقیاس پذیری گسترده‌تر بلاک چین‌هایی که با مکانیزم PoS کار می‌کنند، آن‌ها و توکن‌های بومی‌شان را برای کاربران جذاب‌تر می‌کند. بعلاوه، امکان کسب سود غیر فعال از دارایی که برای نگهداری در بلند مدت خریداری شده، بسیار جذاب و هیجان انگیز است؛ علی رغم هزینه‌های گزاف برای خرید دستگاه‌های ماینر و اثرات مخرب محیط زیستی در روش‌های PoW، یک کاربر تنها با قفل کردن دارایی‌اش برای مدتی اختیاری، می‌تواند شبکه رمز ارز محبوبش را امن‌تر و نا متمرکزتر کرده و بدون خرج اضافه، پاداش هم بگیرد.

معایب استفاده از الگوریتم PoS کدامند؟

در شبکه‌های مبتنی بر مکانیزم اجماع اثبات سهام، مقدار ارز نگهداری شده توسط گره‌ها به منظور انتخاب شدن به عنوان گره تایید کننده می‌تواند به عنوان یک وثیقه عمل کند. به عبارتی، در صورتی که یک گره تایید کننده خرابکاری کند و تراکنش‌های جعلی را تایید کند، شبکه مقدار ارز نگهداری شده توسط گره را به صورت خودکار ضبط خواهد کرد. احتمال روی دادن این قبیل خرابکاری‌ها زیاد نیست، چرا که اگر کارمزد تراکنش‌های یک بلاک دستکاری شده کمتر از مقدار ارز استیک شده توسط گره باشد، گره متخلف متضرر خواهد شد.

نظر به این نکات، حمله 51 درصدی به سیستم‌های مبتنی بر اثبات سهام نیز تقریبا غیر عملی به نظر می‌رسد. روی دادن چنین تهاجمی‌ به این معنی است که شبکه در اختیار یک گره (که معمولا استخرهای استخراج یا استیکینگ هستند) قرار گرفته و او به راحتی می‌تواند تراکنش‌های جعلی صادر و تایید کند. یک گره متخلف برای اینکه بتواند اتک اکثریت را در شبکه‌های PoS اجرا کند، باید 51 درصد از کل قدرت شبکه (کل رمز ارزهای استیک شده) را در اختیار داشته باشد. این تهاجم، به خصوص اگر کوین‌ها بسیار ارزشمند باشند و قیمت بالایی داشته باشند، سرمایه گزافی احتیاج دارد.

اما در مواردی که شبکه توزیع شدگی کمتری دارد و ارزش توکن‌هایی که باید استیک شوند هم آنقدر زیاد نیست، احتمال وقوع حمله اکثریت در یک بلاک چین مبتنی بر الگوریتم PoS زیاد می‌شود. یک مهاجم به راحتی می‌تواند مقدار بالایی کوین بخرد و استیک کند و در نهایت قدرت اکثریت را بدست آورد. از این مهم می‌شود اینطور نتیجه گرفت که بنابر نوع شبکه رمز ارزی، PoS می‌تواند آن را یا امن‌تر کند یا آسیب پذیرتر.

کدام بلاک چین‌ها از مکانیزم PoS استفاده می‌کنند؟

اتریوم به عنوان شبکه دومین رمز ارز محبوب جهان، با اینکه به عنوان یک بلاک چین مبتنی بر الگوریتم اجماع اثبات کار راه اندازی شد، با راه اندازی زنجیره بیکن (Beacon) در پاییز سال 1399، حالا رسما روی پروژه اتریوم 2 (Ethereum 2.0) کار می‌کند که مبتنی بر الگوریتم اجماع اثبات سهام است.

در این زنجیره جدید، مشارکت‌کنندگان باید حداقل 32 اتر (ETH) را برای تبدیل شدن به یک ولیدیتور استیک کنند. در این بلاک چین چنانچه یک گره به عنوان ولیدیتور انتخاب شود و بنا به هر دلیلی مدتی آفلاین شود، مقداری از دارایی قفل شده‌اش را از دست می‌دهد. همچنین اگر نودی مرتکب خرابکاری شود، شبکه می‌تواند تمام وثیقه‌اش را ضبط و او را از شبکه بیرون کند.

البته موارد بسیار معروف دیگری چون کاردانو (Cardano)، پولکادات (Polkadot)، ایاس (EOS)، الگورند (Algorand)، تزوس (Tezos)، کازموس (Cosmos)، و ترون (Tron) هم از روش‌های خاصی برای رسیدن به اجماع در شبکه خود استفاده می‌کنند که با کمی‌ اغماض، همه آن‌ها نوعی الگوریتم اثبات سهام هستند.

مثلا کاردانو، ایاس و تزوس از الگوریتم اجماع اثبات سهام نمایندگی شده (DPoS) استفاده می‌کنند که می‌توان آن را شاخه‌ای از PoS تصور کرد. در DPoS نقش استیک کنندگان از کاندیداتوری در انتخابات اعتبار سنجی، به رای دهندگان این انتخاب تقلیل داده شده است. استیک کنندگان با قفل کردن مقداری کوین در شبکه می‌توانند به نمایندگان (دلیگیت‌ها) رای داده و آن‌ها را به عنوان گواهانی که تراکنش‌ها را تایید می‌کنند برگزینند.

همچنین پولکادات روش Nominated Proof of Stake (NPOS) را ابداع کرده و الگورند الگوریتم مخصوص اثبات سهام خود را Pure Proof of Stake نامیده است.

امروزه به جز سه روشی که در این مقاله از آن‌ها نام بردیم (مکانیزم PoW، PoS و DPoS) الگوریتم‌های اجماع دیگری هم در فناوری بلاک چین استفاده می‌شوند. مثلا اثبات اعتبار (Proof of authority)، اثبات توکن سوزی (Proof of burn)، اثبات ظرفیت (Proof of capacity) و اثبات فضا-زمان (Proof of Spacetime) (این مورد در شبکه‌هایی که با هدف ذخیره فایل توزیع شده به وجود آمدند، استفاده دارد) و بسیاری ابداعات دیگر در فضای رو به رشد ارزهای دیجیتال کاربرد دارند و هر یک به نوبه خود مشکلی را حل کرده و به منظور خاصی توسعه داده شده‌اند.

مقایسه PoW و PoS

اثبات کار اولین الگوریتم اجماعی بود که ساتوشی ناکاماتو برای بیت کوین از آن استفاده کرد. در اثبات کار دستگاه‌هایی وجود دارد که قدرت پردازش خود را در اختیار شبکه قرار می‌‌دهند و با هش‌گذاری بلاک‌ها، آن‌ها را به بلاک چین اضافه می‌کنند و پاداش می‌گیرند.

الگوریتم PoW به سخت‌افزارهای قدرتمند زیادی برای تایید تراکنش‌ها نیاز داشت، به همین دلیل برق زیادی مصرف می‌کرد و به محیط زیست آسیب می‌رساند. این موضوع به مرور زمان باعث اعتراض مردم و جوامع مختلف به استخراج ارزهای دیجیتال شد.

الگوریتم PoS به عنوان جایگزینی برای Proof of Work ارائه شد تا مشکل مصرف برق را حل کند و با کم‌ترین میزان انرژی برای تایید تراکنش‌ها مورد استفاده قرار گرفت. مصرف برق پایین یکی از علت‌های محبوبیت این الگوریتم اجماع و کاربرد آن در بلاک چین‌های مختلف بود.

در ادامه به سایر شباهت‌ها و تفاوت‌های دو الگوریتم می‌پردازیم و مقایسه PoW و PoS را از جوانب مختلف انجام خواهیم داد.

توزیع درآمد عادلانه

در بسیاری از بلاک چین‌هایی که از الگوریتم اجماع اثبات کار استفاده می‌کنند، توکن‌های جدید به ماینرها پاداش داده می‌شود؛ اما اعتبارسنج‌های اثبات سهام بخشی از کارمزد تراکنش را به عنوان پاداش دریافت می‌کنند. البته بلاک چین‌هایی مانند بیت کوین اعلام کرده‌اند بعد از استخراج همه ۲۱ میلیون کوین، کارمزد تراکنش را به عنوان پاداش به ماینرها خواهد داد.

با وجود اینکه نودهای اعتبارسنج در بلاک چین‌های اثبات سهام نیازی به خرید سخت‌افزارهای گران قیمت ندارند، اما باز هم درآمد بیشتر به افرادی می‌رسد که بودجه بیشتری برای خرید سهام اختصاص می‌دهند. استخرهای سهام‌گذاری بزرگ شانس بیشتری برای انتخاب شدن به عنوان نود اعتبارسنج و تایید تراکنش خواهند داشت.

به همین دلیل به نظر می‌رسد مشکلات توزیع درآمد ناعادلانه تا حدودی بین هر دو الگوریتم مشترک باشد.

بسیاری از تریدرها و سرمایه‌گذاران هنگام انتخاب بلاک چین و ارز دیجیتال برای سرمایه‌گذاری، به الگوریتم اجماع آن هم توجه دارند. PoS هنوز به صورت گسترده مورد استفاده قرار نگرفته است، اما انتظار می‌رود با راه‌اندازی اتریوم ۲.۰ پذیرش بیشتری به دست آورد و تریدرها از آن استقبال کنند.

کارشناسان داموند اطلاعات بروز و کاربردی درباره بلاک چین و بازار ارزهای دیجیتال را از منابع معتبر جمع‌آوری می‌کنند