الگوریتم اثبات سهام چیست؟

در دنیای دیفای، هر بلاک چین به مجموعه‌ای غیرمتمرکز و توزیع‌شده از رایانه‌ها متکی است که باید دربارهٔ درستی تراکنش‌ها و وضعیت شبکه با یکدیگر به توافق برسند. این کار از طریق یک مکانیسم اجماع ممکن می‌شود؛ سازوکاری که که چگونگی اعتبارسنجی تراکنش‌ها و افزودن آن‌ها به دفترکل توزیع‌شده (DLT) را به کاربران دیکته می‌کند.

الگوریتم اثبات سهام (PoS)، برخلاف اثبات کارِ بیت کوین، بسیار شبیه به یک انتخابات دموکراتیک برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها در شبکه بلاک چین عمل است. در این مکانیسم به‌جای نیاز به قدرت محاسباتی برای استخراج، کاربران با سپرده‌کردن دارایی‌هایشان در شبکه، می‌توانند برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها و دریافت پاداش انتخاب شوند.

الگوریتم اثبات سهام چیست؟

اثبات سهام (Proof of Stake) یا به اختصار PoS، یک سازوکار‌ اجماع است که مسئولیت ایجاد توافق میان میان مشارکت‌کنندگان در شبکه، اعتبارسنجی تراکنش‌ها و حفظ نسخه‌ای واحد از دفترکل بلاک چین را بر عهده دارد. این پروتکل به‌جای تکیه بر تأیید مصرف انرژی برای انجام محاسبات در الگوریتم اثبات کار (Proof of Work)، از رویکردی مبتنی بر مالکیت ارزهای دیجیتال استفاده می‌کند.

به گفته وب‌سایت اتریوم، اثبات سهام راهی است برای تأیید این مسئله که کاربران برای مشارکت در اداره بلاک چین، چیزی ارزشمند را در شبکه وثیقه کرده‌اند. اگر آن‌ها به‌طور صادقانه و بر اساس قوانین عمل کنند، می‌توانند دارایی‌های خود را پس بگیرند، اما درصورت انجام یک رفتار متقلبانه، مانند تلاش برای ثبت یک تراکنش جعلی، این دارایی‌ها از بین خواهد رفت. اگر شبکه بلاک چین را مانند یک حکومت و فرایند اعتبارسنجی تراکنش‌ها را همچون شیوهٔ اداره آن تصور کنید، اثبات سهام مانند یک انتخابات دموکراتیک است که امنیت و یکپارچگی این جامعه را حفظ می‌کند. بدون وجود یک سازوکار اجماع قوی قابل اعتماد، شبکه های بلاک چین در برابر حملات ۵۱درصدی، دوبار خرج‌کردن و سایر تهدیدات امنیتی آسیب‌پذیر خواهند بود.

در سازوکار اثبات سهام، هر گره‌ یا نود (Node) که دارایی بیشتری را به‌طور موقت در شبکه قفل کند شانس بیشتری برای انتخاب‌شدن به‌عنوان اعتبارسنج (Validator) دارد. در این الگوریتم، اعتبارسنج مانند ماینرها وظیفه تأیید تراکنش‌ها، ایجاد بلاک جدید و کسب پاداش در قالب کارمزد تراکنش‌ها و سکه‌های تازه ضرب‌شده را بر عهده دارند.

الگوریتم اثبات سهام چگونه کار می‌کند؟

الگوریتم اجماع اثبات سهام با تکیه بر مجموعه‌ای از قوانین و روش‌ها تعیین می‌کند که کدام گره‌ها می‌توانند بلاک‌های جدید را اعتبارسنجی و پاداش آن را کسب کنند. در ادامه به‌شکلی عمیق‌تر سازوکار اثبات سهام را بررسی می‌کنید:

سهام‌گذاری (Staking)

گره‌هایی که علاقمند به مشارکت و اعتبار‌سنجی تراکنش‌ها هستند، ابتدا باید مقدار مشخصی از ارز دیجیتال بومی بلاک چین را به‌عنوان وثیقه در شبکه سهام‌گذاری کنند. حداقل دارایی مورد نیاز برای سهام‌گذاری و تبدیل‌شدن به یک گره (Node) اعتبارسنج در پروتکل هر بلاک چین تعریف شده است. مثلاً، برای اجرای یک نود اعتبارسنج در شبکه اتریوم به‌حداقل ۳۲ اتر (ETH) نیاز دارید.

انتخاب اعتبارسنج (Validator Selection)

هنگامی که زمان اعتبارسنجی بلاک جدیدی از تراکنش‌ها فرا می رسد، پروتکل‌های بلاک چین، فرایند انتخاب اعتبار‌سنج را با درنظرگرفتن ترکیبی از عواملی زیر انتخاب می‌کند:

• مقدار سهام‌گذاری: میزان ارز دیجیتالی که یک گره به‌عنوان وثیقه سهام‌گذاری کرده است. این مقدار هرچه بیشتر باشد، گره شانس بیشتری برای انتخاب‌شدن دارد.
• فرایند تصادفی‌سازی: بیشتر پروتکل‌های اثبات سهام از یک فرایند تصادفی‌ یا شبه تصادفی برای انتخاب اعتبارسنج استفاده می‌کنند که اغلب بر اساس تکنیک‌های پیچیده رمزنگاری طراحی شده است.
• رفتار گره: برخی از پروتکل‌های اثبات سهام رفتار یک گره در گذشته، مانند زمان فعال‌بودن، تاریخچه اعتبارسنجی‌ها و هرگونه فعالیت‌های مخرب احتمالی پیشین را در نظر می‌گیرند.
• طول عمر سهام‌گذاری: پروتکل‌های خاصی مانند اوروبوروس (Ouroboros) کاردانو به گره‌هایی را ترجیح می‌دهد که سرمایه‌های خود را برای مدت طولانی‌تری سهام‌گذاری کرده‌اند
• امتیاز اعتبارسنجی: پروتکل‌های پیچیده ممکن است از سیستم‌های رتبه‌بندی یا معیارهای امتیازدهی‌ای استفاده کنند که عملکرد کلی و شایستگی گره را به‌عنوان یک اعتبارسنج ارزیابی می‌کنند.
• هویت گره: برخی از مدل‌های اثبات سهام برای جلوگیری از متمرکز‌شدن شبکه از مدل‌های تصادفی‌سازی هویت/عملگر گره استفاده می‌کنند تا شانس انتخاب مکرر را محدود کنند.

هدف این فرایند‌ها انتخاب شبه تصادفی گره‌ها برای دستیابی غیرمتمرکز نگه‌داشتن شبکه است.

اعتبارسنجی بلاک (Block Validation)

گره منتخب برای اعتبارسنجی بلاک بعدی، داده‌های جدید (تراکنش‌ها) را از گره‌های دیگر دریافت می‌کند. سپس اعتبار هر تراکنش را بر اساس قوانین بلاک چین تأیید و هرگونه تعارضی را حل می‌کند و سپس یک بلاک معتبر جدید را می‌سازد.

انتشار بلاک (Block Broadcasting)

بلاک معتبر ساخته‌شده جدید برای تأیید و اضافه‌شدن به نسخه‌های دیگر گره‌ها از دفترکل بلاک چین در سراسر شبکه توزیع می‌شود.

اجماع (Consensus)

دیگر گره‌هایی که بلاک جدید را دریافت می‌کنند، پس از بررسی امضاها، اعتبارسنجی نود منتخب و اطمینان از معتبربودن تراکنش‌ها، درستی فرایند را تأیید می‌کنند. سپس توافق می‌کنند که این بلاک جدید با فرایند به‌روزرسانی بلاک چین معتبر است.

پاداش (Reward)

گره اعتبارسنج در ازای تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلاک، دو نوع پاداش دریافت می‌کند:

1. یک کارمزد از تمامی تراکنش‌های موجود در بلاک جدید
2. یک پاداش از ارز دیجیتال تازه استخراج‌شده

به‌روزرسانی سهام‌گذاری (Staking Update)

پس از انجام موفق فرایند اعتبارسنجی، دارایی سهام‌گذاری‌شده گره اعتبارسنج آزاد می‌شود و به همراه پاداش‌های دریافتی او به کیف پولش باز می‌گردد. این چرخه به‌طور مداوم تکرار می‌شود و گره‌های مختلف به‌صورت شبه‌ تصادفی انتخاب می‌شوند تا اعتبارسنجی و افزودن بلاک‌های جدید به بلاک چین را به شیوه‌ای غیرمتمرکز انجام دهند و در عین حال انگیزه‌ای مالی برای انجام این کار داشته باشند.

مزیت‌های اثبات سهام

اگرچه سازوکار اجماع سهام کار بیت کوین ثابت کرده است که روشی قابل اعتماد برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها و حفظ امنیت بلاک چین است، اما این پروتکل از نظر مصرف انرژی، مقیاس‌پذیری و سادگی به‌کارگیری با چالش‌های جدی روبه‌رو است.مدل اجماع اثبات سهام با تکیه بر مفهوم اقتصادی انگیزه‌ کسب سود و حفظ منافع ذینفعان رویکردی پایدارتر را معرفی می‌کند که مزیت‌هایش، آن را برای نیازهای بخشی از اکوسیستم درحال تحول بلاک چین مناسب می‌سازد. مزیت‌های کلیدی اثبات سهام عبارت‌اند از:

مصرف انرژی پایدار

الگوریتم اثبات سهام به فرایند انرژی‌بر استخراج نیاز ندارد. ویژگی که آن را به مکانیزم اجماعی سازگارتر با محیط زیست و پایدارتر در مقایسه با اثبات کار تبدیل می کند.

سادگی مشارکت

برخلاف الگوریتم اثبات کار که به سخت‌افزار استخراج تخصصی و گران‌قیمت نیاز دارد، اثبات سهام به هر کسی که دارایی‌های خود را در شبکه سهام‌گذاری کرده است، اجازه می‌دهد تا در فرایند اعتبارسنجی شرکت کند. این دموکراتیزه‌کردن فرایند اجماع با اصول اصلی فناوری بلاک چین و ایجاد اکوسیستمی عادلانه‌تر هم‌سو است.مدل امنیتی انگیزه‌محوربا الزام اعتبارسنج‌ها به وثیقه‌کردن بخشی از دارایی‌های خود، الگوریتم اثبات سهام یک انگیزه اقتصادی قدرتمند برای حفظ یکپارچگی شبکه ایجاد می‌کند. گره‌های اعتبارسنجی که تلاش می‌کنند تراکنش‌های جعلی را تأیید یا بلوک‌های نامعتبر ایجاد کنند، با خطر از‌دست‌دادن دارایی خود مواجه می‌شوند.

پتانسیل مقیاس‌پذیری

اثبات سهام پتانسیل دستیابی به توان عملیاتی بالاتر برای پردازش سریع‌تر تراکنش‌ها را در مقایسه با مدل اثبات کار دارد؛ زیرا به فرایندهای استخراج مبتنی بر انجام محاسبات پیچیده متکی نیست. با توجه به توسعه فناوری بلاک چین و افزایش تقاضا برای پردازش حجم بیشتری از تراکنش‌، مقیاس‌پذیری یک مزیت مهم خواهد بود.

پاداش به سهام‌گذاری

در یک سیستم مبتنی بر الگوریتم اثبات سهام، اعتبارسنج‌ها برای شرکت در فرایند اجماع با دریافت پاداش‌هایی در قالب ارز دیجیتال تشویق می‌شوند. این سیستم پاداش‌دهی، اعتبارسنج‌ها را تشویق می‌کند تا دارایی‌های خود را در شبکه به اشتراک بگذارند و فعالانه به حفظ امنیت و یکپارچگی بلاک چین کمک کنند.

مشکلات الگوریتم اثبات سهام

باوجود مزیت‌های مکانیسم اثبات سهام نسبت به اثبات کار، این الگوریتم اجماع بدون چالش و مشکل نیست:

ریسک و مسئولیت نامتقارن

برخلاف الگوریتم اثبات کار، گره‌های اعتبارسنج با اعتبارسنجی هم‌زمان تراکنش‌ها در چندین زنجیره چیزی از دست نمی‌دهند؛ زیرا دارایی‌هایی که سهام‌گذاری کرده‌اند مستقیماً در فرایند اعتبارسنجی مصرف نمی‌شود. در سازوکار اثبات کار، اگر یک ماینر تصمیم بگیرد که قدرت هش (قدرت محاسباتی) خود را بین دو زنجیره تقسیم کند، شانس او را برای استخراج یک بلاک کاهش خواهد یافت. این مسئله می‌تواند منجر به وضعیتی شود که مشارکت‌کنندگان منافع خود را بر منافع شبکه ترجیح دهند و به‌طور بالقوه امنیت بلاک چین و اجماع را به‌خطر بیندازند.

خطر تمرکز قدرت

اگرچه اثبات سهام روند مشارکت برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها را ساده می‌کند، اما این خطر وجود دارد که مشارکت‌کنندگان ثروتمند در طول زمان دارایی‌های بیشتری را سهام‌گذاری کنند که به‌طور بالقوه خطر تمرکز قدرت در دست گروهی کوچک را افزایش می‌دهد. مسئله که اصل غیرمتمرکزبودن، یکی از اصول زیربنایی فناوری بلاک چین را تضعیف می‌کند. مکانیسم‌هایی مانند واگذاری قدرت سهام‌گذاری، محدودیت‌ اعتبارسنجی و ارائه مشوق‌هایی برای ذینفعان کوچک‌تر با هدف مقابله با این مشکل طراحی شده‌اند.

آسیب‌پذیری در برابر حملات دوربرد

بلاک چین‌های مبتنی بر اثبات سهام می‌توانند در برابر حملات دوربرد (Long-Range Attack) آسیب‌پذیر باشند. در این حملات یک مهاجم با سهام‌گذاری مقدار قابل‌توجهی ارز دیجیتال می‌تواند به‌طور بالقوه بخشی از تاریخچه تراکنش‌های دفترکل بلاک چین را بازنویسی و یک زنجیره جایگزین ایجاد کند. این مسئله تغییر‌ناپذیری دفتر‌کل را به‌عنوان یکی دیگر از اصول زیربنای این فناوری به خطر می‌اندازد.

توزیع اولیه نابرابر توکن

چگونه عرضه اولیه سکه (ICO) یک بلاک چین اثبات سهام می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر میزان غیرمتمرکز‌بودن و امنیت شبکه داشته باشد. اگر توزیع اولیه توکن بین چند کیف پول متمرکز باشد، می‌تواند منجر به ایجاد یک اکوسیستم غیرمتمرکز شود که در آن گروه کوچکی سازوکار اجماع را کنترل می‌کنند. طراحی مکانیسم‌های عادلانه و غیرمتمرکز عرضه توکن، از ابتدا برای جلوگیری از متمرکزشدن شبکه بسیار اهمیت دارد.

سانسور اعتبارسنج‌ها

در بلاک چین‌های اثبات سهام، اعتبارسنج‌ها می‌توانند به‌طور بالقوه با تأیید یا رد برخی تراکنش‌های خاص درگیر تبانی یا سانسور شوند که غیرمتمرکزبودن و بی‌طرفی شبکه را تهدید می‌کند. این کار می‌تواند با انگیزه‌های مالی، سیاسی یا تحت فشار نهادهای دولتی انجام شود. سانسور تراکنش‌ها اساساً دو ویژگی کلیدی شبکه‌های بلاک چین یعنی بی‌طرفی و مقاومت در برابر سانسور را تضعیف می‌کند.

مقایسه الگوریتم اثبات کار و اثبات سهام 

در ادامه مهم‌ترین ویژگی‌های مکانیسم‌های اجماع اثبات سهام و اثبات کار را مقایسه می‌کنیم:

مدل‌های ترکیبی الگوریتم اثبات سهام

ارزهای دیجیتال و پروژه‌های مختلف بلاک چین بر اساس نیاز خود مدل‌های مختلفی از مکانیسم اثبات سهام را توسعه داده‌اند که در ادامه برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

اثبات سهام نیابتی  (DPoS) 

الگوریتم اثبات سهام واگذارشده یا الگوریتم اثبات سهام نیابتی (Delegated Proof of Stake)، گونه‌ای از این الگوریتم اجماع است که در آن سرمایه‌گذاران به تعداد محدودی اعتبارسنج یا شاهد (Witnesses) رأی می‌دهند تا به نمایندگی از آن‌ها تراکنش‌ها را تأیید و بلاک‌های جدید را به شبکه اضافه کنند. هدف این رویکرد ایجاد تعادل بین تمرکززدایی و مقیاس‌پذیری با داشتن مجموعه کوچک‌تری از اعتبارسنجی‌های منتخب است.

اثبات سهام منصوب‌شده (NPoS)

در الگوریتم اثبات سهام منصوب‌شده (Nominated Proof of Stake)، سرمایه‌گذاران مجموعه‌ای از اعتبارسنج‌ها مورد تأیید خود را برای مشارکت در فرایند اعتبارسنجی انتخاب می‌کنند. اعتبارسنج‌های منصوب‌شده نیز بر اساس ترکیبی از دارایی‌‌های سهام‌گذاری‌شده خود و سرمایه‌گذاران پشتیبانش برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها انتخاب می‌شوند.

اثبات سهام ترکیبی (HPoS)

مدل اثبات سهام ترکیبی (Hybrid Proof of Stake) عناصر عناصر الگوریتم اثبات سهام و اثبات کار را ترکیب می‌کند. در این مدل از هر دو سازوکار استخراج و سهام‌گذاری برای انتخاب اعتبارسنج و پرداخت پاداش استخراج استفاده می‌شود. هدف این رویکرد، استفاده از نقاط قوت هر دو مکانیسم اجماع است.

اثبات اعتبار سهام (PoSA)

اثبات اعتبار سهام (Proof of Staked Authority)، گونه‌ای است که در شبکه‌های بلاک چین مجاز استفاده می‌شود، که در آن مجموعه‌ای از اعتبارسنجی‌ها یا «مقامات» از پیش تأیید شده، مسئول اعتبارسنجی تراکنش‌ها و ایجاد بلوک‌های جدید بر اساس دارایی‌های سهام‌دارشان هستند.

اثبات سهام خالص (PPoS)

در مدل اثبات سهام خالص (Pure Proof of Stake)، فرایند انتخاب اعتبارسنج‌‌ها کاملاً بر اساس مقدار ارز دیجیتالی است که هر نود در شبکه سهام‌گذاری کرده است. هر چه میزان دارایی‌های سهام‌گذاری‌شده یک اعتبارسنج بیشتر باشد، شانس بیشتری برای انتخاب‌شدن برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها و ایجاد بلاک‌های جدید دارد.

ارزهای دیجیتال مبتنی بر اثبات سهام 

باوجود این چالش‌ها، چندین پروژه برجسته ارز دیجیتال با تکیه بر مزایای بالقوه اثبات سهام و ارائه راه‌حل‌های نوآورانه برای مشکلات آن، این مکانیسم اجماع را پذیرفته یا درحال انتقال به آن هستند.

اتریوم

اتریوم (Ethereum) با تکمیل به‌روزرسانی مِرج (The Merge) در ۱۵سپتامبر۲۰۲۲ (۲۴شهریور۱۴۰۱)، از سازوکار اثبات کار به مدل اثبات سهام مهاجرت کرد. در جریان این به‌روزرسانی، لایه اجرایی مبتنی بر اثبات کار اتریوم به زنجیرهٔ بیکن (Beacon Chain) منتقل شد که یک زنجیرهٔ اثبات سهام است. اعتبارسنج‌ها در زنجیره بیکن فرایند تأیید تراکنش‌ها و تولید بلاک‌های جدید را از ماینرها تحویل گرفتند. در نهایت، تمام اتریوم‌های موجود، قراردادهای هوشمند و تاریخچه بلاک چین به زنجیره جدید اثبات سهام منقل شدند.اما، چرا بلاک چین اتریوم به یک مکانیسم اجماع اثبات سهام انتقال یافت؟

• افزیش مقیاس‌پذیری: مدل اثبات کار از نظر توان پردازش تراکنش‌ها و امکان مقیاس‌‌پذیری دارای محدودیت‌های ذاتی است. اتریوم با انتقال به مدل اثبات سهام قصد داشت تا مقیاس‌پذیری و توانایی پردازش تراکنش‌های بیشتر در هر ثانیه را بهبود بخشد.
• افزایش بهره‌وری انرژی: فرایند استخراج در الگوریتم اثبات کار به‌دلیل نیاز به قدرت محاسباتی قابل‌توجه، نیازمند مصرف انرژی بسیار است. با انتقال اتریوم به مدل اثبات کار، هزینه انرژی پردازش تراکنش‌ها تا حدود ۹۹.۹۵درصد کاهش یافت.
• تمرکززدایی: فرایند استخراج در سازوکار اثبات کار تمایل ذاتی به متمرکزشدن دارد؛ زیرا قدرت هش شبکه در طول زمان در چند استخر استخراج محدود متمرکز می‌شود. اثبات سهام با ساده‌کردن فرایند مشارکت به‌عنوان اعتبارسنج تلاش می‌کند که به افزایش تمرکززدایی کمک کند. اگرچه که با تجمیع بخش زیادی از اتریوم‌های سهام‌گذاری‌شده در پروتکل لیدو فایننس (Lido Finance)، شبکه اتریوم در خطر متمرکزشدن و سانسور تراکنش‌ها قرار دارد.
• زمینه‌سازی برای توسعه: معماری مدل اجماع اثبات سهام زمینه را برای به‌روزرسانی‌های آینده فراهم می‌کند تا عملکرد، امنیت و کاربردپذیری شبکه اتریوم را با گسترش فناوری بلاک چین بهبود بخشد.

کاردانو

کاردانو (Cardano) یک بلاک چین نسل سوم است که از پروتکل اثبات سهام اختصاصی خود به نام «اوروبروس» (Ouroboros) استفاده می‌کند. هدف کاردانو از طراحی این الگوریتم اثبات سهام کاهش نگرانی‌ مربوط به مشکلاتی چون نامتقارن‌شدن ریسک و مسئولیت مشارکت‌کنندگان و آسیب‌پذیری در برابر حملات دوربرد است که از مفاهیمی چون تفویض قدرت سهام‌گذاری و اشتراک‌گذاری پاداش استفاده می‌کند.

برای مطالعه بیشتر، می‌توانید مقاله کاردانو چیست را مطالعه کنید.

الگورند

الگورند (Algorand) که یک بلاک چین مبتنی بر مدل اثبات سهام است که از یک پروتکل اجماع منحصر‌به‌فرد اثبات سهام خالص استفاده می‌کند. هدف این مدل استفاده از مزیت‌های اثبات سهام، درکنار کاهش آسیب‌پذیری‌ها و چالش‌های آن است.

ایاس 

ایاس (EOS) یک ارز دیجیتال مبتنی بر بلاک چین است که از سازوکار اجماع اثبات سهام تفویض‌شده استفاده می‌کند؛ مدلی که در آن سرمایه‌گذاران، تولیدکنندگان بلاک را برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها و ایجاد بلاک‌های جدید انتخاب می‌کنند. هدف این مدل ایجاد تعادل بین تمرکززدایی و مقیاس‌پذیری است.

جمع‌بندی

اگرچه الگوریتم اثبات کار به‌واسطهٔ بیت کوین برای سال‌ها راه‌حل‌های پیشگام برای اجماع در شبکه‌های بلاک چین بود، اما سازوکار پیچیده و پرهزینه استخراج معایب و چالش‌های خود را دارد. الگوریتم اثبات کار به‌عنوان یک جایگزین قابل‌اتکا معرفی شد و توسعه یافت که به‌جای تکیه بر انجام محاسبات پیچیده انرژی‌بر، امنیت بلاک چین را از طریق مفهوم اقتصادی انگیزه حفظ می‌کند. البته، نباید فراموش کرد که هیچ مدلی اجماعی کامل نیست. مدل اثبات سهام با چالش‌های خاص خود، ازجمله نامتوازن‌شدن ریسک و مسئولیت، خطر سانسور و متمرکزشدن پروتکل‌های سهام‌گذاری مواجه است. با توسعه فناوری بلاک چین و گسترش موارد استفاده آن، توسعه الگوریتم‌های اجماع بهینه برای دستیابی به اهداف کلیدی تمرکززدایی، امنیت و مقیاس‌پذیری حیاتی خواهد بود.