در دنیای بلاکچین و ارزهای دیجیتال، الگوریتمهای اجماع بهعنوان یکی از ارکان اصلی و حیاتی این فناوری شناخته میشوند. این الگوریتمها به شبکههای توزیعشده کمک میکنند تا بدون نیاز به یک نهاد مرکزی، به توافق جمعی برسند و از صحت و امنیت تراکنشها و دادهها اطمینان حاصل کنند. در این مقاله، قصد داریم بهطور مفصل به بررسی الگوریتمهای اجماع، کاربردهای آنها در بلاکچین و انواع مختلف آنها بپردازیم. همچنین، بهطور ویژه به الگوریتمهایی که در شبکههای معروف بلاکچینی مانند بیتکوین و اتریوم استفاده میشوند، خواهیم پرداخت.
هدف این مقاله ارائه یک تحلیل جامع و بهروز در خصوص الگوریتمهای اجماع است که نهتنها در دنیای ارزهای دیجیتال بلکه در بسیاری از سیستمهای توزیعشده دیگر نیز کاربرد دارند. با توجه به رشد سریع فناوری بلاکچین، شناخت و درک الگوریتمهای اجماع برای کسانی که میخواهند وارد این حوزه شوند یا در آن فعالیت کنند، اهمیت زیادی دارد.
فهرست مطالب:
الگوریتم اجماع (Consensus Algorithms) چیست؟
الگوریتم اجماع مجموعهای از قواعد و پروتکلها است که به گرههای مختلف یک شبکه بلاک چین اجازه میدهد تا به توافق بر سر صحت دادهها و تراکنشها برسند. این الگوریتمها برای حل مشکلی بهنام «مشکل اعتماد» در شبکههای توزیعشده طراحی شدهاند. در شبکههای توزیعشده مثل بلاکچین، هیچ مرجع مرکزی وجود ندارد که بتواند دادهها را تایید کند. در اینگونه شبکهها، باید از مکانیزمهایی استفاده شود که بدون نیاز به یک نهاد مرکزی، بتوان به اجماع در مورد صحت تراکنشها رسید.
وظیفه الگوریتمهای اجماع این است که بهطور خودکار، با در نظر گرفتن همه گرهها، تراکنشها را تایید کنند. این الگوریتمها امنیت، شفافیت و قابلیت اعتماد در بلاکچینها را فراهم میکنند و مانع از هرگونه تقلب و دستکاری در دادهها میشوند. الگوریتمهای اجماع میتوانند به صورت توزیعشده عمل کنند و بدون نیاز به سرور مرکزی یا نهاد سوم، از یکپارچگی دادهها محافظت کنند.
آشنایی با کاربردهای الگوریتم اجماع در بلاک چین
الگوریتمهای اجماع در بلاکچین، اهمیت زیادی دارند زیرا آنها اساس امنیت و اعتبار تراکنشها را تشکیل میدهند. بهطور کلی، الگوریتمهای اجماع در بلاکچین چند کاربرد اصلی دارند:
۱- تاییدتراکنشها: الگوریتمهای اجماع به گرهها در شبکه بلاکچین کمک میکنند تا تراکنشها را تایید کنند و از این طریق از صحت و قانونی بودن تراکنشها اطمینان حاصل کنند.
۲- جلوگیری از حملات: با استفاده از این الگوریتمها، شبکه قادر است در برابر حملاتی نظیر حملات دوبارهپرداخت یا Double Spending مقاوم باشد و بهطور مؤثر از تقلب جلوگیری کند.
۳- توزیع اطلاعات: در شبکههای بلاکچین، اطلاعات بهطور همزمان در گرههای مختلف توزیع میشود. الگوریتمهای اجماع میتوانند این اطلاعات را در همه گرهها همزمان تایید کنند.
۴- امنیت شبکه: الگوریتمهای اجماع امنیت شبکههای بلاکچینی را تامین میکنند و باعث میشوند که حتی در صورت حمله به برخی گرهها، دادهها تغییر نکنند.
معرفی انواع الگوریتم اجماع
الگوریتمهای اجماع بهطور کلی به چند دسته مختلف تقسیم میشوند که هرکدام ویژگیهای خاص خود را دارند. در این بخش، به بررسی انواع اصلی الگوریتمهای اجماع میپردازیم:
اثبات کار (Proof of Work – PoW)
اثبات کار یکی از شناختهشدهترین الگوریتمهای اجماع است که در شبکه بیتکوین استفاده میشود. در این الگوریتم، گرهها باید مسائل پیچیده ریاضی را حل کنند تا بلوک جدیدی را به بلاکچین اضافه کنند. این عملیات بهعنوان «ماینینگ» یا همان استخراج شناخته میشود و برای حل مسئله، ماینرها باید قدرت محاسباتی زیادی صرف کنند.
این الگوریتم مزایای خاص خود را دارد، مانند امنیت بالا و جلوگیری از حملات دوبارهپرداخت، اما معایبی نیز دارد از جمله مصرف بالای انرژی و زمان زیاد برای حل مسائل ریاضی.
اثبات سهام (Proof of Stake – PoS)
در الگوریتم اثبات سهام، بهجای استفاده از قدرت محاسباتی، از میزان ارز دیجیتال موجود در اختیار کاربران برای انتخاب گرههای جدید استفاده میشود. این الگوریتم در شبکههایی مانند اتریوم 2.0 و Cardano استفاده میشود. در PoS، کاربران برای مشارکت در فرآیند تأیید تراکنشها باید بخشی از ارز دیجیتال خود را بهعنوان وثیقه در شبکه قفل کنند. این الگوریتم مزایای زیادی از جمله مصرف کمتر انرژی و کارایی بالا دارد.
اثبات سهام نمایندگی شده (Delegated Proof of Stake – DPoS)
در این الگوریتم، کاربران میتوانند نمایندگانی را برای تایید تراکنشها و ایجاد بلوکها انتخاب کنند. این نمایندگان بهطور دورهای برای انجام این وظایف برگزیده میشوند. از جمله مهمترین مزایای DPoS، سرعت بالا در تایید تراکنشها و مقیاسپذیری بیشتر است.
اثبات سهام استیجاری (Leased Proof of Stake – LPoS)
اثبات سهام استیجاری مشابه اثبات سهام است، با این تفاوت که در این الگوریتم، کاربران میتوانند سهام خود را به دیگران اجاره دهند تا این افراد از طرف آنها در فرآیند تایید تراکنشها مشارکت کنند.
الگوریتم اثبات اعتبار (Proof of Authority – PoA)
در الگوریتم اثبات اعتبار، گرهها بر اساس اعتبار خود در شبکه وظیفه تایید تراکنشها را بر عهده دارند. این الگوریتم در شبکههای خصوصی یا مجاز کاربرد دارد و امنیت آن بیشتر بر اساس اعتبار گرهها است تا توان محاسباتی یا میزان ارز دیجیتال.
تحمل خطای بیزانس (Byzantine Fault Tolerance – BFT)
این الگوریتم برای تحمل خطاهای ناشی از مشکلات گرهها در شبکههای غیرمتمرکز طراحی شده است. BFT اطمینان میدهد که حتی اگر تعدادی از گرهها به اشتباه عمل کنند، شبکه همچنان میتواند به اجماع برسد و بهدرستی کار کند.
تحمل خطای بیزانس عملی (Practical Byzantine Fault Tolerance – PBFT)
تحمل خطای بیزانس عملی، نسخه عملی از BFT است که در آن از روشهای پیچیدهتری برای رسیدن به اجماع استفاده میشود. این الگوریتم معمولاً در بلاکچینهای خصوصی و شبکههایی با گرههای محدود کاربرد دارد.
تحمل خطای بیزانس تفویضشده (Delegated Byzantine Fault Tolerance – dBFT)
dBFT نسخهای از PBFT است که از نمایندگان برای تصمیمگیری استفاده میکند. این الگوریتم بهویژه در شبکههایی مانند NEO کاربرد دارد.
الگوریتم تحمل خطای بیزانس سادهشده (Simplified Byzantine Fault Tolerance – SBFT)
این الگوریتم، نسخه سادهتر PBFT است که پیچیدگیهای آن را کاهش میدهد و به همین دلیل برای شبکههای بلاکچینی با مقیاس بزرگ مناسبتر است.
گراف جهتدار غیرمدور (Directed Acyclic Graph – DAG)
الگوریتم گراف جهتدار غیرمدور بهجای استفاده از بلاکها، از گرافهای جهتدار برای ثبت تراکنشها استفاده میکند. DAG سرعت پردازش تراکنشها را افزایش میدهد و در شبکههایی مانند IOTA بهکار میرود.
اثبات ظرفیت (Proof of Capacity – PoC)
اثبات ظرفیت یک الگوریتم اجماع است که در آن از فضای ذخیرهسازی کاربران برای تأیید تراکنشها استفاده میشود. این الگوریتم مصرف انرژی کمتری نسبت به PoW دارد.
اثبات سوزاندن (Proof of Burn – PoB)
در این الگوریتم، کاربران مقداری از ارز دیجیتال خود را بهصورت دائمی «میسوزانند» تا بتوانند در فرآیند اجماع شرکت کنند.
اثبات هویت (Proof of Identity – PoI)
اثبات هویت بر اساس هویت واقعی کاربران برای تایید تراکنشها است. این الگوریتم معمولاً در سیستمهای بلاکچینی که نیاز به تایید هویت دارند استفاده میشود.
اثبات فعالیت (Proof of Activity – PoA)
الگوریتم اثبات فعالیت (PoA) ترکیبی از دو الگوریتم اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) است و برای بهبود امنیت و کاهش مشکلات مصرف انرژی طراحی شده است. این الگوریتم نخستین بار توسط تیمی از محققان با هدف ارتقاء کارایی و امنیت در بلاکچینهای عمومی معرفی شد.
در PoA، فرآیند تأیید تراکنشها با استفاده از اثبات کار آغاز میشود. ماینرها شروع به استخراج بلوکهای اولیهای میکنند که فقط شامل هدر بلاک و اطلاعات پایهای است. سپس، پس از استخراج این بلوکها، مکانیسم اثبات سهام وارد عمل میشود و ماینرها بر اساس میزان سهام یا سرمایهای که در اختیار دارند، بلوکها را به بلاکچین اضافه میکنند. این ترکیب از دو الگوریتم، مزایای PoW در امنیت و مزایای PoS در کاهش مصرف انرژی را بهطور همزمان ارائه میدهد.
اثبات زمان سپری شده (Proof of Elapsed Time – PoET)
الگوریتم اثبات زمان سپری شده (PoET) یکی از الگوریتمهای اجماع مورد استفاده در شبکههای بلاکچین خصوصی است که توسط اینترسان (Intel) برای پلتفرم هایپرلجر (Hyperledger) طراحی شده است. این الگوریتم بهجای استفاده از منابع محاسباتی یا سرمایه، از زمان سپری شده برای رسیدن به اجماع بهره میبرد.
در PoET، هر گره یک زمان انتظار تصادفی تعیین میکند و گرهای که کمترین زمان انتظار را دارد، میتواند بلوک جدید را به بلاکچین اضافه کند. این زمان انتظار در سطح سختافزار تأیید میشود تا امکان تقلب وجود نداشته باشد.
اثبات اهمیت (Proof of Importance – PoI)
الگوریتم اثبات اهمیت (PoI) نخستین بار توسط پلتفرم NEM برای بلاکچین خود این پلتفرم معرفی شد. این الگوریتم بر پایه الگوریتم اثبات سهام (PoS) است، اما بهجای تنها در نظر گرفتن میزان ارز دیجیتال موجود در کیف پول کاربر، عوامل دیگری مانند تعداد تراکنشها و تعاملات کاربر را نیز بهعنوان معیار اهمیت در نظر میگیرد. در PoI، کاربرانی که فعالیت بیشتری در شبکه دارند، اهمیت بیشتری پیدا میکنند و شانس بالاتری برای تایید تراکنشها و دریافت پاداش دارند.
کدام یک از انواع الگوریتم اجماع محبوبتر هستند؟
در حال حاضر، الگوریتم اثبات کار (PoW) همچنان در شبکههایی مانند بیتکوین استفاده میشود و امنیت بالایی دارد، اما به دلیل مصرف زیاد انرژی و محدودیت در مقیاسپذیری، مشکلاتی به همراه دارد. به همین دلیل، الگوریتم اثبات سهام (PoS) که انرژی کمتری مصرف میکند و مقیاسپذیری بهتری دارد، به سرعت محبوبیت پیدا کرده و شبکههایی مانند اتریوم 2.0 به این روش روی آوردهاند.
علاوه بر این، الگوریتمهای جدیدتری مانند اثبات سهام نمایندگی شده (DPoS) و تحمل خطای بیزانس عملی (PBFT) در برخی شبکهها برای افزایش سرعت و مقیاسپذیری استفاده میشوند. این الگوریتمها به شبکهها کمک میکنند که تراکنشها را سریعتر و با کارایی بالاتر پردازش کنند و گزینه مناسبی برای شبکههای نیازمند به عملکرد بهتر محسوب میشوند.
جمع بندی
الگوریتمهای اجماع نقش حیاتی در تامین امنیت، شفافیت و کارایی شبکههای بلاکچینی دارند. هر کدام از این الگوریتمها، از جمله اثبات کار (PoW)، اثبات سهام (PoS) و نسخههای پیشرفتهتری مانند اثبات سهام نمایندگی شده (DPoS) و تحمل خطای بیزانس عملی (PBFT)، با توجه به نیازهای مختلف شبکهها و کاربران طراحی شدهاند. در حالی که PoW امنیت بالایی ارائه میدهد، اما مصرف انرژی زیادی دارد. در مقابل، PoS و الگوریتمهای جدیدتر با بهینهسازی مصرف انرژی و افزایش مقیاسپذیری، در حال جذب توجه شبکههای بزرگ مانند اتریوم هستند. هر یک از این روشها، با توجه به ویژگیهای منحصربهفرد خود، نقشی اساسی در شکلدهی به آینده فناوری بلاکچین دارند و به توسعهدهندگان و کاربران این امکان را میدهند که به تناسب اهداف خود، بهترین الگوریتم را انتخاب کنند.
سوالات متداول
1. الگوریتم اجماع چیست؟
الگوریتم اجماع مجموعهای از قوانینی است که گرهها در شبکه بلاکچین برای رسیدن به توافق و تایید تراکنشها از آن استفاده میکنند.
2. چرا الگوریتم اجماع در بلاکچین اهمیت دارد؟
این الگوریتمها به شبکه بلاکچین کمک میکنند تا از صحت دادهها و تراکنشها اطمینان حاصل کرده و از حملات احتمالی جلوگیری کنند.
3. الگوریتم اثبات کار چیست؟
اثبات کار الگوریتمی است که در آن ماینرها مسائل پیچیده ریاضی را حل کرده و در ازای آن حق اضافه کردن بلوک به بلاک چین را به دست میآورند.
4. چه تفاوتی بین اثبات سهام و اثبات کار وجود دارد؟
اثبات سهام بر اساس مقدار ارز دیجیتال در اختیار کاربران عمل میکند، در حالی که اثبات کار به قدرت محاسباتی نیاز دارد.5. آیا الگوریتمهای اجماع در بلاکچین فقط برای ارزهای دیجیتال استفاده میشوند؟
خیر، این الگوریتمها علاوه بر ارزهای دیجیتال، در بسیاری از سیستمهای توزیعشده دیگر نیز کاربرد دارند.