الگوریتم اثبات سهام (PoS)، روش کم‌هزینه‌تر و سبزتر برای اجماع در بلاکچین

در دنیای بلاکچین و ارزهای دیجیتال، مکانیسم‌های اجماع برای تایید و اعتبارسنجی تراکنش‌ها اهمیت بسیاری دارند. الگوریتم اثبات سهام (Proof of Stake یا PoS) یکی از این مکانیسم‌ها است که به دلیل ویژگی‌های خاص خود مانند مصرف کم انرژی و هزینه کمتر نسبت به الگوریتم اثبات کار (PoW)، توجه بسیاری را جلب کرده است. این روش اجماع به ویژه در شبکه‌های بلاکچینی جدید و بهینه‌تر به کار می‌رود و به عنوان راه حلی برای مشکلات مصرف انرژی بالا و سخت‌افزارهای گران‌ قیمت در روش‌های قدیمی‌تر شناخته می‌شود. 

در این مقاله ضمن بررسی نحوه عملکرد، مزایا، معایب و تفاوت‌های اصلی اثبات سهام با اثبات کار، معروف‌ترین بلاکچین‌ها و ارزهای دیجیتال مبتنی بر اثبات سهام را نیز معرفی کرده‌ایم.

اگر به این موضوع علاقمندید، تا پایان مقاله با ما همراه باشید.

مکانیزم اجماع چیست؟

بلاکچین شبکه‌ای تشکیل شده از گره‌ها (Node) است که در سرتاسر شبکه پراکنده شده‌اند. این گره‌ها در واقع همان کامپیوترهایی هستند که در شبکه حاضر هستند و هر کدام یک نسخه از بلاک چین را نگهداری می‌کنند. هنگامی‌ که یک درخواست به بلاکچین ارسال می‌شود، تنها در صورتی اجرا و ثبت می‌شود که تمامی‌ گره‌ها آن را تایید کند و به بیان دیگر، بر سر وضعیت بلاک چین به اجماع برسند.

بنا به تعریفی که در Investopedia آمده است، مکانیزم اجماع (Consensus Mechanism) به مجموعه‌ای از قوانین و پروتکل‌ها اشاره دارد که به واسطه آنها، تمامی‌ گره‌ها بر سر تایید یک تراکنش در بلاک چین به توافق می‌رسند.

مکانیزم‌ اجماع تضمین می‌کند که همه شرکت‌کنندگان در شبکه (گره‌ها) به یک نسخه واحد از بلاک چین و تاریخچه تراکنش‌ها برسند و هیچ تراکنش نادرستی در شبکه ثبت نشود. 

به طور کلی، هدف از مکانیزم‌های اجماع، اطمینان از امنیت، یکپارچگی داده‌ها و جلوگیری از تقلب در شبکه‌های بلاک‌چین است. 

الگوریتم اثبات سهام (PoS) چیست و چگونه عمل می‌کند؟

الگوریتم اثبات سهام (PoS) یک الگوریتم اجماع جدید است که نسبت به الگوریتم اثبات کار، هم انرژی کمتری مصرف می‌کند و هم کم هزینه‌تر است. در این الگوریتم، گره‌ها نه بر اساس حل مسائل پیچیده، بلکه بر اساس مقدار توکنی که در شبکه دارند، حق اعتبارسنجی تراکنش‌ها را به دست می‌آورند. 

نحوه انتخاب گره‌ها برای تایید تراکنش‌ها و اضافه کردن بلاک‌ها به بلاک چین در الگوریتم اثبات سهام به صورت تصادفی صورت می‌گیرد.

از آنجا که تنها گره‌هایی حق اعتبارسنجی تراکنش‌ها را به دست می‌آورند که مقدار مشخصی از یک توکن خاص (که غالبا توکن بومی‌ آن شبکه است) را در اختیار داشته باشند، اگر این افراد سعی کنند که شبکه را فریب دهند و یا در تایید تراکنش‌ها دقت و حساسیت کافی را به خرج ندهند، در معرض خطر از دست دادن کل یا بخشی از توکن‌های خودشان قرار می‌گیرند و سرمایه‌گذاری آن‌ها به خطر می‌افتد.

تاریخچه و پیدایش اثبات سهام

الگوریتم اثبات سهام با هدف کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های سخت‌افزاری در بلاکچین‌های نسل اول و دوم معرفی شد و با گذراندن توسعه‌های مختلف، به الگوریتمی‌ پایدار و کارآمد تبدیل گردید.

اثبات سهام ابتدا در سال 2012 و توسط سانی کینگ و اسکات نادال معرفی شد و هدف آن، حذف ماینرهای پرمصرفی  بود که تراکنش‌های بیت کوین را تایید می‌کردند. (هزینه نگهداری شبکه بیتکوین در سال 2012، روزانه 150 هزار دلار بود!)

روش پیشنهادی کینگ و نادال این بود که به جای استفاده از دستگاه‌های پرمصرف، افرادی مسئولیت تایید تراکنش‌ها را به عهده بگیرند که توکن بومی‌ شبکه را استیک (stake) کرده باشند و در عوض، کارمزد تایید تراکنش‌ها نیز به همین افراد پرداخته شود. به علاوه، هر چه افراد توکن‌های بیشتری استیک کرده باشند، مسئولیت تایید تراکنش‌های بیشتری به آنها داده شود و در نتیجه، پاداش بیشتری نیز کسب کنند. 

فرآیند استیکینگ در اثبات سهام (PoS)

بنا به مقاله‌ای در Bitpanda،  استیکینگ (Staking) فرآیندی است که به واسطه آن، دارندگان دارایی‌های دیجیتال با قفل کردن توکن‌ها و ارزهای خود در یک کیف پول دیجیتال پاداش می‌گیرند.

کوین‌های استیک شده می‌توانند به دو منظور استفاده شوند:

• منبع نقدینگی (لیکوئیدیتی) شبکه باشند؛
• در فرآیند تایید تراکنش‌ها استفاده شوند.

استفاده از کوین‌های استیک شده در تایید تراکنش‌ها، ایده اساسی و پایه فرایند اجماع اثبات سهام (PoS) است. فرآیند استیکینگ در اثبات سهام به این نحو اجرا می‌شود که هر فرد، بایستی تعداد مشخصی از یک ارز دیجیتال خاص یا توکن بومی‌ شبکه را در یک کیف پول استیک کند و  بدین وسیله، تبدیل به یک تایید کننده تراکنش (Validator) در فرایند اجماع اثبات سهام شود.

به عنوان مثال برای تبدیل شدن به ولیدیتور در بلاکچین اتریوم،  کاربر باید ۳۲ اتریوم را در قرارداد سپرده‌گذاری واریز کند و سه نرم‌افزار جداگانه به نام‌های کلاینت اجرا، کلاینت اجماع و کلاینت اعتبارسنج را دانلود و راه‌اندازی کند. پس از پذیرش توسط شبکه، تراکنش‌هایی که بایستی تایید شوند توسط همتایان به ولیدیتور ارسال می‌شوند.

نحوه انتخاب ولیدیتورها در اثبات سهام

برای تبدیل شدن به یک اعتبارسنج یا ولیدیتور در فرایند اثبات سهام، بایستی مقدار مشخصی از ارز دیجیتال مورد استفاده در شبکه یا توکن بومی‌ آن را در یک کیف پول نگه دارید.

اگرچه ولیدیتورها به صورت تصادفی انتخاب می‌شوند، اما بنا به مقاله‌ای در academy.binance، در این انتخاب تصادفی فاکتورهای زیر نیز نقش دارند تا امنیت شبکه در معرض خطر قرار نگیرد:

•  تعداد کوین‌های استیک شده؛
• انتخاب بلوک تصادفی؛
• انتخاب سن سکه.

 در ادامه، هر یک از موارد فوق را شرح می‌دهیم.

تعداد کوین‌های استیک شده

 هر چه تعداد سکه‌های استیک شده بیشتر باشد، شانس گره برای تبدیل شده به ولیدیتور بعدی بیشتر می‌شود.

انتخاب بلوک تصادفی

 در این روش، شبکه به دنبال گره‌هایی  است که ترکیبی از پایین‌ترین مقدار هش و بالاترین میزان سهام را دارند و آنها را به عنوان ولیدیتور بعدی انتخاب می‌کند.

نکته: مقدار هش نشان‌دهنده سطح کار یا تلاش گره است. اگرچه هش پایین به تنهایی یک امتیاز برای گره‌ها محسوب نمی‌شود، اما در روش انتخاب بلوک تصادفی، گره‌هایی که به صورت همزمان دارای هش پایین‌تر و در عین حال سهام بیشتری هستند، احتمال بیشتری برای انتخاب شدن دارند.

انتخاب سن سکه

 در این روش، ولیدیتورها از بین نودهایی انتخاب می‌شوند که مدت زمان بیشتری سکه‌های خود را استیک کرده‌اند. در این روش سن سکه برابر است با:

تعداد روزهایی که سکه استیک شده است×تعداد سکه‌ها= سن سکه

پس از انتخاب یک نود به عنوان ولیدیتور، گره موظف است که تراکنش‌ها را بررسی و صحت آنها را چک کند. در صورت تایید، ولیدیتور بلوک را امضا کرده و آن را به بلاکچین اضافه می‌کند. ولیدیتور نیز  به عنوان پاداش، کارمزد تراکنش‌ها و یا توکن بومی‌ بلاکچین را دریافت می‌کند.

امنیت شبکه در اثبات سهام (PoS)

با توجه به اینکه تایید تراکنش‌ها در اثبات سهام توسط گره‌هایی انجام می‌شود که به صورت تصادفی انتخاب می‌شوند، از کجا می‌توان مطمئن بود که تراکنش‌ها به درستی تایید می‌شوند و خرابکاری یا تقلب رخ نمی‌دهد؟

همانطور که در Casper.network نیز اشاره شده است، برای مقابله با اختلالات احتمالی در امنیت اثبات سهام چند مکانیزم پیش‌بینی شده‌اند که عبارتند از:

•   اتکا به سهام (Staking)؛
•   تهدید از دست دادن سهام (Slashing)؛
•   تصادفی بودن انتخاب ولیدیتورها؛
•   مقابله با حملات 51 درصدی؛
•   حفظ امنیت در برابر نبود بازدارندگی (Nothing at stake).

در ادامه، هر یک از موارد فوق را شرح می‌دهیم.

اتکا به سهام  (Staking)

در اثبات سهام، برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها و تولید بلوک‌ها، گره‌ها باید توکن‌های خود را در شبکه استیک کنند. گره‌هایی که سهام بیشتری دارند، شانس بیشتری برای انتخاب شدن به عنوان ولیدیتور دارند. بدین ترتیب، افراد به‌طور طبیعی انگیزه دارند که رفتار صادقانه‌ای داشته باشند، چرا که اگر تصمیمات نادرست بگیرند یا تقلب کنند، ضمن مختل کردن امنیت شبکه ممکن است بخش زیادی از سرمایه گذاری خود را نیز از دست بدهند.

 تهدید از دست دادن سهام (Slashing)

یکی از ویژگی‌های امنیتی مهم الگوریتم اثبات سهام (PoS)، مکانیزم “Slashing” است. در این مکانیزم، اگر یک ولیدیتور اشتباه یا تقلب کند (مثلاً تراکنش‌های نادرست را تایید یا بلوک‌های نامعتبر تولید کند)، بخشی از سهام او به‌عنوان جریمه ضبط می‌شود. این تهدید از دست دادن سهام باعث می‌شود که اعتبارسنج‌ها انگیزه داشته باشند تا به‌طور صحیح و صادقانه عمل کنند و تقلب نکنند.

تصادفی بودن انتخاب ولیدیتور‌ها

در بسیاری از الگوریتم‌های اثبات سهام، انتخاب اعتبارسنج‌ها به‌صورت تصادفی و بر اساس مقدار سهام انجام می‌شود. این تصادفی بودن به این معنی است که هیچ فردی نمی‌تواند به‌راحتی کنترل شبکه را در دست بگیرد و ضمن کاهش احتمال حملات، باعث توزیع عادلانه‌تر قدرت می‌شود.

 حمله 51 درصد (51% Attack)

یکی از تهدیدات امنیتی که در هر سیستم بلاکچینی ممکن است وجود داشته باشد حمله 51 درصد است. در این نوع حمله، یک گروه از اعتبارسنج‌ها بیش از 50 درصد از سهام شبکه را در اختیار دارند و می‌توانند کنترل بلاکچین را به‌دست بگیرند. اما، در اثبات سهام برای انجام چنین حمله‌ای، مهاجم باید بیش از 50 درصد از توکن‌های شبکه را خریداری کند که به‌طور معمول بسیار گران و دشوار است. این امر باعث می‌شود که حمله به شبکه مبتنی بر الگوریتم اثبات سهام (PoS) بسیار دشوار و پرهزینه‌ باشد.

امنیت در برابر نبود بازدارندگی (Nothing-at-Stake)

در الگوریتم اثبات سهام، یکی از مشکلاتی که ممکن است پیش بیاید، مسئله‌ای به نام نبود بازدارندگی است. در این حالت، ولیدیتورها می‌توانند به‌ طور همزمان چندین بلاک را پیشنهاد دهند، زیرا این کار برای آنها هیچ هزینه‌ای ندارد. برای جلوگیری از این مشکل، بسیاری از بلاکچین‌ها از مکانیزم‌های اضافی مانند تهدید از دست دادن سهام یا  “Slashing”  استفاده می‌کنند تا اعتبارسنج‌ها مجبور شوند تنها یک بلاک معتبر را پیشنهاد دهند و از انتشار چندین بلاک برای یک تراکنش جلوگیری شود.

مزایا و معایب اثبات سهام (PoS)

الگوریتم اثبات سهام (PoS) به عنوان یک روش اجماع در بلاکچین مزایا و معایب خاص خود را دارد که در ادامه به اختصار به آنها می‌پردازیم.

مزایای الگوریتم اجماع اثبات سهام

مزایای اثبات سهام عبارتند از:

مصرف انرژی و هزینه کم

از آنجا که تایید بلوک‌ها در اثبات سهام توسط ولیدیتورها انجام می‌شود، اثبات سهام هزینه و انرژی بسیار کمتری نسبت به دیگر الگوریتم‌های اجماع مصرف می‌کند. به همین دلیل، الگوریتم اثبات سهام به عنوان الگوریتم اجماع دوست‌دار محیط زیست شناخته می‌شود.

سرعت و کارایی بالا

به دلیل عدم نیاز به حل مسائل پیچیده ریاضی، اثبات سهام می‌تواند تراکنش‌ها را سریع‌تر پردازش کرده و اجماع را در شبکه با سرعت بیشتری به‌دست آورد. این باعث می‌شود که سیستم‌های مبتنی بر PoS قادر به پردازش تراکنش‌ها با تاخیر کمتر باشند.

تمرکز زدایی

در  PoS، هر فرد حتی اگر توکن زیادی در اختیار نداشته باشد، می‌تواند با خرید و نگهداری توکن‌ها در فرایند اعتبارسنجی تراکنش‌ها شرکت کند. این باعث می‌شود که برخلاف الگوریتم اثبات کار (PoW) که نیاز به سخت‌افزار گران‌ قیمت دارد، امکان مشارکت بیشتر برای افراد فراهم شود و به این ترتیب شبکه‌ای با تمرکز کمتر شکل بگیرد.

امنیت بالا

از آنجا که ولیدیتورها خود سهام‌دار شبکه هستند، تایید هر تراکنش مشکوک می‌تواند به ضرر خود آنها تمام شود. در صورت تایید تراکنش‌های کلاهبرداری، ولیدیتور هم در معرض از دست رفتن توکن‌های استیک شده‌اش قرار می‌گیرد و هم ممکن است امتیاز اعتبارسنجی را در آینده از دست بدهد.

بنابراین، ولیدیتورها تمام تلاش خود را می‌کنند تا امنیت شبکه -و در نتیجه سهام خودشان- را در بالاترین سطح حفظ کنند.

معایب الگوریتم اجماع اثبات سهام

معایب اثبات سهام عبارتند از:

  تمرکز در دست افراد ثروتمند

در الگوریتم POS، افرادی که توکن بیشتری دارند شانس بالاتری برای انتخاب شدن به‌ عنوان اعتبارسنج دارند. اگرچه تمهیداتی برای جلوگیری از این مشکل اندیشیده شده است، اما این می‌تواند به مرور زمان منجر به تمرکز بیشتر قدرت در دست تعداد کمی‌ از افراد یا نهادها شود که در ابتدا سرمایه زیادی در اختیار داشته‌اند.

 حملات 51 درصد

اگرچه حمله 51 درصد در الگوریتم اثبات سهام سخت‌تر از الگوریتم اثبات کار است، اما هنوز هم ممکن است رخ دهد. در صورتی که یک گروه از اعتبارسنج‌ها بیش از 50 درصد از توکن‌های شبکه را در اختیار داشته باشند، می‌توانند کنترل شبکه را به‌دست آورده و به‌طور مخرب عمل کنند.

سختی در انتخاب ولیدیتورها

روش انتخاب تصادفی اعتبارسنج‌ها بر اساس میزان سهام ممکن است در برخی موارد باعث مشکلاتی شود. در شرایطی که سیستم به‌ درستی طراحی نشده باشد، انتخاب تصادفی می‌تواند منجر به عدم‌ تعادل در قدرت اعتبارسنج‌ها یا ایجاد شانس‌های ناعادلانه برای برخی از افراد شود. 

تفاوت اثبات سهام (PoS) با اثبات کار (PoW)

یکی از بزرگ‌ترین مزایای اثبات سهام در مقایسه با اثبات کار (PoW) این است که نیاز به مصرف انرژی زیاد ندارد و به جای انجام محاسبات پیچیده برای استخراج بلوک‌های جدید در اثبات کار، انتخاب اعتبارسنج‌ها در اثبات سهام به‌طور تصادفی و بر اساس میزان سهام آنها انجام می‌شود.

البته تفاوت‌های این دو به مورد فوق محدود نمی‌شود. در جدول زیر، به طور گذرا نگاهی به تفاوت‌های این دو الگوریتم اجماع انداخته‌ایم.

نمونه‌هایی از بلاکچین‌های مبتنی بر اثبات سهام

کاردانو اولین بلاکچینی بود که از اثبات سهام به عنوان مکانیسم اجماع استفاده کرد. پس از آن، به دلیل بهینه بودن در مصرف انرژی، دوست‌دار محیط زیست بودن و هزینه کم نسبت به اجماع کار، بلاکچین‌های زیادی از اثبات سهام استفاده می‌کنند. 

به ویژه، مهاجرت اتریوم از الگوریتم اثبات کار به اثبات سهام در سال 2022 و کاهش 99 درصدی مصرف انرژی شبکه، کمک زیادی به پذیرش هر چه بیشتر اثبات سهام کرد. امروزه، معروف‌ترین بلاکچین‌هایی که از الگوریتم اجماع اثبات سهام استفاده می‌کنند عبارتند از:

•       اتریوم؛
•       کاردانو؛
•       پولکادات؛
•       سولانا؛
•       آوالانچ؛
•       تزوس؛
•       کازماس؛
•       و بایننس اسمارت چین.

بهترین رمزارزهای مبتنی بر اثبات سهام

رمزارزهای مبتنی بر اثبات سهام به‌طور کلی به دلیل کاهش مصرف انرژی، مقیاس‌پذیری بالا و سرعت تراکنش‌های بیشتر در حال محبوب شدن هستند. برخی از محبوب‌ترین رمزارزهای مبتنی بر اثبات سهام عبارتند از:

•   ETH توکن بومی‌ شبکه اتریوم ؛
•   ADA توکن بومی‌ شبکه کاردانو؛
•   DOT توکن بومی‌ شبکه پولکادات؛
•   SOL توکن بومی‌ شبکه سولانا؛
•   XTZ توکن بومی‌ تزوس؛
•   ALGO توکن بومی‌ الگوراند؛
•   AVAX  توکن بومی‌ آوالانچ.

نتیجه‌گیری

الگوریتم اثبات سهام (PoS) به عنوان یک روش اجماع نوین در بلاکچین، نه تنها راه حلی سبزتر و کم‌هزینه‌تر برای تایید تراکنش‌ها ارائه می‌دهد، بلکه باعث افزایش امنیت شبکه‌های بلاکچین نیز می‌شود. اگرچه این الگوریتم در مقایسه با اثبات کار مزایای زیادی دارد، همچنان چالش‌هایی همچون تمرکز قدرت در دست افراد ثروتمند یا خطر حملات 51 درصد وجود دارد که باید با توسعه‌های بیشتر به آن‌ها پرداخته شود. با این حال، گسترش شبکه‌های بلاکچینی مبتنی بر اثبات سهام، نوید آینده‌ای پایدارتر و کارآمدتر برای دنیای ارزهای دیجیتال را می‌دهد.