مکانیزم اثبات کار (PoW) چیست؟

اگرچه تاریخچه تراکنش‌های بیت کوین (BTC) به طور ایمن با استفاده از مکانیزم اثبات کار (PoW) اعمال شده است، اما برق زیادی مصرف می‌کند و تعداد تراکنش‌هایی که می‌تواند در آن واحد انجام دهد محدود است. در نتیجه، مکانیسم‌های اجماع جدیدی با تمرکز بر روش کم‌مصرف انرژی پدیدار شده‌اند که مدل اثبات سهام (PoS) یکی از برجسته‌ترین آنها است. این مکانیسم‌های اجماع شبکه‌های رایانه‌ای را قادر می‌سازد تا در عین ایمن ماندن با یکدیگر همکاری کنند.
شبکه های بلاک چین برای اینکه بتوانند به طور موثر عمل کنند باید چندین مشکل را حل کنند. برای مثال، بدون وجود یک مرجع مرکزی مانند بانک‌ها یا فین‌تک‌ها (مثلاً پی پال)، شبکه‌های ارزهای دیجیتال غیرمتمرکز باید اطمینان حاصل کنند که هیچ طرفی در یک شبکه پول یکسانی را چندین بار خرج نمی‌کند. علاوه‌بر این، مکانیسم توافق از خارج شدن شبکه از طریق یک هارد فورک جلوگیری می‌کند. در این مقاله به توضیح مفهوم اثبات کار می‌پردازیم.

اثبات کار چیست؟

مکانیزم اثبات کار برای اولین بار در سال 1993 برای مبارزه با ایمیل‌های اسپم در یک شبکه و حملات سرویس ارائه شد. مفهوم PoW سپس توسط ساتوشی ناکاموتو برای اعتبارسنجی بلوک‌های جدید در شبکه بیت کوین در سال 2008 رایج شد.

PoW بر اساس ظرفیت کاربران شبکه برای اثبات انجام یک کار محاسباتی است. برای پاسخ به یک معادله ریاضی، مقداری توان محاسباتی به نام گره به کار گرفته می‌شود و پس از حل معادله، یک بلوک جدید در زنجیره اعتبارسنجی می‌شود. گره هر وسیله فیزیکی مانند رایانه شخصی است که می‌تواند داده‌ها را در شبکه‌ای از ابزارهای دیگر دریافت، ارسال یا ارسال کند.

حل‌کننده‌ای که سریع‌ترین پاسخ به یک پازل ریاضی را می‌دهد، یک پیوند رمزنگاری بین بلوک‌های فعلی و قبلی ایجاد می‌کند و مقداری سکه رمزنگاری تازه استخراج شده به دست می‌آورد. این فرآیند به عنوان ماینینگ و حل کننده‌ها به عنوان ماینر شناخته می‌شوند. از طریق تلاش‌های مشترک آنها است که یک بلاک چین برای همه طرف‌های درگیر ایمن نگه داشته می‌شود. علاوه‌بر این، کار محاسباتی حل این معما خود مکانیزم اثبات کار نامیده می‌شود.

PoW چگونه کار می‌کند؟

بلاک چین سیستمی است که از مجموعه‌ای از بلوک‌ها تشکیل شده است که به ترتیب زمانی بر اساس یک ترتیب تراکنش به نام سفارش بلاک چین مرتب شده اند. بلوک پیدایش یا بلوک صفر، اولین بلوک در بلاک چین PoW است که در نرم افزار کدگذاری شده است. این بلوک، طبق تعریف، به بلوک قبلی اشاره نمی کند. بلوک‌های بعدی که در بلاک چین آپلود می‌شوند همیشه به بلوک‌های قبلی بازمی‌گردند و حاوی یک نسخه کامل و به‌روز شده دفتر کل هستند.

از طریق یک مسابقه رقابتی که در آن برخی از شرکت‌کنندگان یا ماینرها تشویق می‌شوند تا منابع محاسباتی را برای ارسال بلوک‌های قانونی و متناسب با مقررات شبکه صرف کنند، الگوریتم‌های PoW انتخاب می‌کنند که چه کسی می‌تواند دفتر کل را با ورودی‌های جدید اصلاح کند. دفتر کل همه تراکنش ها را پیگیری می‌کند و آنها را در بلوک‌های متوالی سازماندهی می‌کند تا هیچ کاربری نتواند وجوه خود را دو بار خرج کند. برای جلوگیری از دستکاری، دفتر کل توزیع می‌شود و به سایر کاربران امکان می‌دهد نسخه تغییر یافته را به سرعت رد کنند.

در عمل، کاربران دستکاری را با استفاده از هش‌ها شناسایی می‌کنند، که رشته‌های طولانی اعداد هستند که به عنوان مکانیزم اثبات کار عمل می‌کنند. تابع هش یک تابع یک طرفه است، به این معنی که فقط می‌توان از آن برای بررسی اینکه داده‌هایی که هش را ایجاد کرده‌اند با داده‌های اصلی مطابقت دارند استفاده کرد.

پس از آن، گره‌ها تراکنش‌ها را تأیید می‌کنند، از هزینه مضاعف جلوگیری کرده و تصمیم می‌گیرند که آیا بلوک‌های پیشنهادی باید به زنجیره اضافه شوند یا خیر. انجام دوبار پرداخت با یک واحد پولی برای فریب گیرنده آن وجوه به عنوان خرج مضاعف شناخته می‌شود. هزینه‌های اضافی می‌تواند شبکه را ویران کند و یکی از با ارزش‌ترین ویژگی‌های آن را از بین ببرد: تغییر ناپذیری، تمرکززدایی و بی اعتمادی.

مکانیزم اثبات کار، هزینه مضاعف را بسیار دشوار می کند، زیرا تغییر هر بخشی از بلاک چین مستلزم استخراج مجدد تمام بلوک‌های بعدی است. از آنجایی که ماشین آلات و توان لازم برای اجرای توابع هش گران هستند، انحصار ظرفیت پردازش شبکه را برای کاربران غیرممکن می کند.

علاوه‌بر این، برای ایجاد اجماع و ایمن‌سازی مشروعیت تراکنش‌های ثبت شده در بلاک چین، یک پروتکل PoW قدرت محاسباتی را با رمزنگاری ترکیب می‌کند.

ماینرها برای ایجاد پاسخ صحیح به مسائل ریاضی در طول فرآیند هش برای تولید بلوک‌های جدید با یکدیگر رقابت می‌کنند. ماینرها با حدس زدن یک هش که رشته‌ای از اعداد شبه تصادفی است به این امر دست می‌یابند. هش رمزنگاری (به عنوان مثال، SHA-256) نوعی امضای متن یا فایل داده است. برای یک متن، SHA-256 یک امضای تقریباً منحصر به فرد 256 بیتی (32 بایتی) ارائه می‌دهد.

هنگامی که با داده های موجود در بلوک همراه می شود و از طریق یک تابع هش پردازش می شود، هش باید نتیجه ای ایجاد کند که الزامات بیان شده پروتکل را برآورده کند.

ماینرهایی که هش را بردند سپس آن را به شبکه پخش کردند و به ماینرهای دیگر اجازه می‌دهند تا بررسی کنند که آیا پاسخ صحیح است یا خیر. اگر پاسخ دقیق باشد، بلاک به بلاک چین اضافه می شود و ماینر پاداش بلاک را دریافت می کند. به عنوان مثال، پاداش بلاک فعلی برای استخراج بیت کوین 6.25 بیت کوین است.

مزایا و معایب PoW

در PoW، ماینرها برای حل پازل های پیچیده ریاضی و پردازش یک بلوک در شبکه باید پول زیادی برای برق بپردازند. از الکتریسیته برای تامین انرژی ماشین‌هایی استفاده می‌شود که دارایی‌های دیجیتالی را از طریق فرآیند تأیید تراکنش‌ها تولید می‌کنند که استخراج نامیده می‌شود. علاوه بر این، هزینه انرژی برای امنیت شبکه بسیار مهم است، زیرا به آن اجازه می دهد تا رکورد دقیق تراکنش ها را حفظ کند و به یک سیاست پولی مشخص و معتبر پایبند باشد.

علاوه بر این، شبکه ایمن نگه داشته می‌شود، زیرا کلاهبرداری از زنجیره به یک عامل مخرب نیاز دارد که 51 درصد از قدرت محاسباتی شبکه را در اختیار بگیرد. اگر یک بلاک چین در یک سیستم مکانیزم اثبات کار فورک شود، ماینرها باید انتخاب کنند که آیا به شبکه بلاک چین فورک شده جدیدتر منتقل شوند یا به پشتیبانی از بلاک چین اصلی ادامه دهند.

یک ماینر باید منابع محاسباتی خود را بین دو طرف فورک تقسیم کند تا از هر دو بلاک چین پشتیبانی کند. در نتیجه، از طریق یک انگیزه اقتصادی، سیستم‌های مکانیزم اثبات کار به طور طبیعی از فورک دائمی جلوگیری می‌کنند و از ماینرها می‌خواهد طرفی را انتخاب کنند که نمی‌خواهد به شبکه آسیب برساند. از سوی دیگر، اگر در برابر حمله 51 درصدی آسیب‌پذیر هستید یا اگر از مهم‌ترین دارنده سکه برای هیچ الگوریتم هش قابل تعویض نیستید، افراد روی یک سکه بزرگ‌تر ممکن است سخت‌افزار خود را علیه شما بچرخانند و شما را بیرون کنند. دیگر نمی تواند انگیزه ای کسب کند.

این ویژگی‌ها به تئوری بازی کمک می‌کنند، که در آن ماینرها باید استراتژیک عمل کنند تا بازده سرمایه‌گذاری خود را بهینه کنند. مردم، مانند حالت های عقلانیت محدود، همیشه ساده ترین راه حل را انتخاب می کنند. حرکت به زنجیره جدیدتر کار را دشوارتر می کند. بنابراین، نظریه بازی به انحصارطلبی ها کمک می کند تا از فساد داخلی اجتناب کنند و تصمیمات منطقی بگیرند.

علیرغم مزایای فوق، PoW می تواند از نظر استفاده از منابع بسیار پرهزینه و ناکارآمد باشد. ماینرها باید با هزینه‌های مختلفی از جمله آخرین تجهیزاتی که به سرعت فرسوده می‌شوند، کنار بیایند. ماینینگ تمایل به تولید گرمای زیادی دارد و بسته به محل معدن‌کار، می‌تواند الکتریسیته گزافی تولید کند. علاوه بر این، کارمزد تراکنش های سیستم با بارگذاری بیش از حد شبکه افزایش می یابد.

چه زمانی باید از مکانیزم اثبات کار یا مکانیزم اثبات سهام استفاده کرد؟

مکانیسم اجماع برای طراحی توزیع‌شده یک شبکه بلاک چین بسیار مهم است زیرا تمرکز نهادهای مسئول اعتبارسنجی تراکنش ها را کاهش می‌دهد. برای حفظ ویژگی‌های تغییرناپذیر، غیرقابل اعتماد و توزیع‌شده یک شبکه بلاک چین، نیاز به یک مکانیسم اجماع کاملاً کارآمد دارد.

نوع اجماع لازم به نیازهای یک شبکه بستگی دارد. به عنوان مثال، اثبات کار برای پیشگیری از تقلب، امنیت و ایجاد اعتماد در یک شبکه مورد نیاز است. ماینرها (یا پردازشگرهای مستقل داده) را نمی‌توان در مورد یک تراکنش به دلیل محافظت ارائه شده توسط PoW گمراه کرد. مکانیزم اثبات کار روشی برای ایمن کردن تاریخچه تراکنش یک دارایی رمزنگاری است و در عین حال دشواری تغییر داده‌ها را در طول زمان افزایش می‌دهد.

الزام یک گره شرکت‌کننده که نشان می‌دهد کار تکمیل و ارسال شده است، واجد شرایط آن است که تراکنش‌های جدیدی به بلاک چین اضافه و از هرگونه فعالیت مخرب محافظت کند.

اگر نسخه‌های متعددی از بلاک چین در شبکه وجود داشته باشد، PoW به شناسایی قانونی‌ترین نسخه کمک می‌کند. در نهایت، مکانیزم اثبات کار برای ساخت یک ساعت توزیع‌شده ضروری است که به استخراج‌کنندگان اجازه می‌دهد آزادانه وارد شبکه شده و از آن خارج شوند و در عین حال نرخ عملیاتی ثابتی را حفظ کنند.

به طور مشابه، عملکرد و امنیت شبکه پیامدهای مهم استفاده از مکانیزم مبتنی بر PoS است. PoS زمانی استفاده می‌شود که برای تراکنش‌های زنجیره‌ای در ثانیه و تسویه واقعی انتقال شبکه به سرعت تراکنش بالا نیاز باشد. علاوه‌بر این، اعتبار سنجی‌ها احتمالاً دارای مقادیر قابل توجهی از توکن شبکه هستند که از نظر مالی آنها را تشویق می‌کند تا زنجیره را ایمن نگه دارند.

با این حال، تردیدهایی در مورد قدرت امنیت PoS و PoW در برابر تهدیدات وجود دارد. بنابراین، یک مکانیسم اعتبار سنجی به نام اثبات فضا یا (پروژه چیا) برای اعتبارسنجی ایمن تراکنش‌ها ایجاد می شود. چیا از مکانیزم اجماع اثبات فضا و اثبات زمان برای حل برخی از مشکلات تمرکزی که گریبانگیر بلاک چین‌های PoW و PoS است استفاده می‌کند.