همه آنچه باید در مورد الگوریتم اثبات کار (POW) بدانید

الگوریتم اثبات کار (Proof of Work) یکی از بنیادی‌ترین مفاهیم در صنعت بلاکچین و ارزهای دیجیتال است که نقش کلیدی در تأمین امنیت و اعتبار تراکنش‌ها ایفا می‌کند. این الگوریتم برای اولین‌بار با بیت‌کوین به شهرت رسید و به روشی تبدیل شد که شبکه‌های غیرمتمرکز بتوانند بدون نیاز به نهاد مرکزی، به اجماع برسند؛ اما آیا تا به حال فکر کرده‌اید این الگوریتم دقیقاً چگونه کار می‌کند؟ چه مزایا و معایبی دارد؟ و چرا برخی پروژه‌ها به دنبال جایگزین‌های دیگری مانند اثبات سهام هستند؟ در ادامه مقاله، با زبانی ساده و کاربردی، به بررسی عمیق‌تر این الگوریتم و تأثیرات آن بر بازار ارزهای دیجیتال خواهیم پرداخت.

اثبات کار چیست؟

اثبات کار (Proof-of-Work) یک مکانیزم اجماع در بلاکچین است که با پاداش دادن به ماینرها برای افزودن توان محاسباتی به شبکه، آن‌ها را برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها تشویق می‌کند.

این مانند یک سیستم قرعه‌کشی است که در آن ماینرها با افزودن توان پردازشی بیشتر، احتمال دریافت پاداش ارز دیجیتال خود را افزایش می‌دهند. نکته قابل ملاحظه این است که این مکانیزم اجماع حدود ۶۰٪ از کل ارزش بازار رمزارز را تشکیل می‌دهد.

نحوه کار مکانیزم اجماع اثبات کار

استخراج بیت‌کوین از طریق اثبات کار مشابه خرید بلیت‌های قرعه‌کشی (هر ۱۰ دقیقه یک قرعه‌کشی) است. هر کسی می‌تواند با خرید دستگاه ماینر بیت‌کوین و اتصال آن به شبکه، در این فرایند شرکت کند. با اینکه همه شرکت‌کنندگان شانس برابر برای برنده شدن دارند، خرید بلیت بیشتر احتمال آماری برد را افزایش می‌دهد.

در مثال بالا، بلیت‌های قرعه‌کشی نشان‌دهنده نرخ هش یا هش‌ریت (Hashrate) هستند، در حالی که جایزه، رمزارز BTC است که برای ایجاد موفقیت‌آمیز یک بلاک پرداخت می‌شود. هش‌ریت تعداد هش‌هایی است که دستگاه‌های ماینر می‌توانند در هر ثانیه برای یافتن تابع هش رمزنگاری‌شده تولید کنند. هرچه یک دستگاه ماینر کارآمدتر باشد، شانس ماینر برای دریافت پاداش بلاک بیشتر می‌شود.

در همین حال، کاربران می‌توانند به استخرهای ماینینگ بپیوندند؛ چیزی شبیه به قرعه‌کشی‌های گروهی. پیوستن داوطلبانه به استخر باعث افزایش شانس برنده شدن می‌شود، برخلاف استخراج انفرادی که امروزه احتمال برنده شدن در یک بلاک بیت‌کوین بسیار نادر است.

با این حال، هر برد در یک استخر استخراج عمومی بین اعضا به نسبت هش ریت آن‌ها تقسیم می‌شود. شرکت‌کنندگان در استخر ملزم به ماندن در آن نیستند. بسیاری از افراد استخرها را به‌عنوان یک نیروی متمرکزکننده در شبکه مورد انتقاد قرار می‌دهند؛ اما مشارکت‌کنندگان انفرادی به‌عنوان وزنه‌ای مقابل این تمرکزگرایی عمل می‌کنند. آن‌ها می‌توانند به‌راحتی استخر را ترک کنند، قابلیتی که اگر استخر تلاش کند رفتاری غیرصادقانه داشته باشد، بسیار مفید است.

مانند قرعه‌کشی، قوانین شرکت و پاداش‌های احتمالی در نرم‌افزار بیت‌کوین رمزگذاری شده‌اند. هر کسی می‌تواند این قوانین را تأیید کرده و در صورت تمایل با راه‌اندازی عملیات استخراج بیت‌کوین، طبق آن‌ها بازی کند.

اثبات کار و استخراج بیت کوین

مکانیزم اثبات کار کاملا به «استخراج ارز دیجیتال» گره خورده است. PoW فرایندی دقیق را تعریف می‌کند که از طریق آن ماینرها به همتایان خود نشان می‌دهند که محاسبات لازم را با تولید یک هش مطابق با هش هدف بلاک انجام داده‌اند. از سوی دیگر، استخراج بر افزودن یک بلاک جدید به بلاک‌چین و دریافت پاداش‌های مربوط به آن تمرکز دارد.

همه تراکنش‌های کاربران در شبکه بیت‌کوین در یک حافظه موقت به نام ممپول (mempool) قرار می‌گیرند، جایی که ماینرها تراکنش‌ها را برای افزودن به بلاک بعدی انتخاب می‌کنند. هر ماینر در رقابت برای ایجاد یک بلاک جدید در بلاک‌چین بیت‌کوین شرکت می‌کند، چندین تراکنش از مم پول انتخاب کرده و آن‌ها را در یک بلاک پیشنهادی بسته‌بندی می‌کند.

با این حال، قبل از اینکه یک بلاک پیشنهادی به‌عنوان معتبر (Valid) پذیرفته شود، ماینر باید محاسباتی انجام دهد که منجر به تولید یک هش کمتر از هدف تعیین‌شده توسط الگوریتم اثبات کار بیت‌کوین شود. اولین ماینری که هش مطابق با بلاک پیشنهادی خود تولید کند، آن را به سایر ماینرها ارسال می‌کند، که می‌توانند به‌راحتی آن را تأیید کرده و به سابقه بلاک‌چین اضافه کنند.

ماینر موفق پاداش بلاک و کارمزدهای مربوط به تراکنش‌ها را دریافت می‌کند و یک بلاک معتبر جدید به بلاک‌چین اضافه می‌شود؛ بنابراین، ارتفاع بلاک‌ بیت‌کوین (Block height) افزایش می‌یابد و رقابت برای استخراج بلاک بعدی آغاز می‌شود.

تاریخچه اثبات کار

منشأ مکانیزم اجماع اثبات کار به سال ۱۹۹۳ بازمی‌گردد. در آن زمان سینتیا دورک (Cynthia Dwork) و مونی نائور (Moni Naor) به دنبال راه‌حلی برای جلوگیری از ایمیل‌های اسپم‌ و حملات داس (DoS) بودند. مقاله‌ی آن‌ها با عنوان «pricing via processing» اصول اولیه اثبات کار را تشریح می‌کرد.

در سال ۱۹۹۷، آدام بک (Adam Black) ایده‌ آن‌ها را در «هش‌کش» (Hashcash) پیاده‌سازی کرد. الگوریتم او ارسال انبوه ایمیل توسط اسپمرها را دشوار کرد، زیرا ارسال‌کننده باید یک رشته‌ی محاسباتی پیچیده را به هر ایمیل اضافه می‌کرد.

این ایده بار دیگر در نظریه‌ی معروف نیک سابو (Nick Szabo) با عنوان «نظریه‌ی کلکسیون‌ها» و مقاله‌ی «Shelling Out: The Origins of Money» مطرح شد. در سال ۲۰۰۴، این ایده‌ها هال فینی (Hal Finney) را به خلق نسخه‌ای از آن به نام «اثبات کار قابل استفاده مجدد» (Reusable Proof-of-Work) ترغیب کرد.

و در سال ۲۰۰۹، ساتوشی ناکاموتو (Satoshi Nakamoto) خالش ناشناس بیت کوین مکانیزم اجماع اثبات کار را برای بیت‌کوین معرفی کرد. این نخستین نسخه غیرمتمرکز اثبات کار بود که مشکل دوبار خرج کردن (Double Spending) را حل کرد و بیت‌کوین را به اولین پول دیجیتال موفق تبدیل نمود.

چه چیزی اثبات کار را از دیگر الگوریتم‌ها متمایز می‌کند؟

نسخه‌های پیشین قبل از بیت‌کوین ناموفق بودند چون برای جلوگیری از خرج دوباره‌ی توکن‌های دیجیتال به نهادهای متمرکز نیاز داشتند.

ساتوشی ناکاماتو از نظریه بازی‌ها برای حل این مشکل استفاده کرد. این مکانیزم روشی ایجاد کرد برای تشویق داوطلبانی ناشناس، به نام ماینرها (Miners)، تا اعتبار تراکنش‌های بیت‌کوین را بررسی کنند و از خرج دوباره یک ارز دیجیتال جلوگیری شود. این نخستین بار بود که یک شبکه‌ی غیرمتمرکز از مشارکت‌کنندگان می‌توانست بدون واسطه‌ی مرکزی، اعتماد ایجاد کند.

این الگوریتم افراد را آن‌قدر خوب به مشارکت در شبکه تشویق کرد که کشورهایی مانند السالوادور از بیت‌کوین به‌عنوان ارز ذخیره استفاده می‌کنند؛ اما با توجه به اینکه رمزارزها در حال حاضر حدود ۹۹ تراوات‌ساعت برق در سال مصرف می‌کنند، بسیاری معتقدند این رشد پایدار نیست.

اصول الگوریتم اثبات کار (PoW)

حفظ یکپارچگی و امنیت تمامی تراکنش‌های موجود در شبکه، هدف نهایی مکانیزم اجماع اثبات کار است. در ادامه، اجزای آن را بررسی می‌کنیم:

کار (و کارگران)

بلاکچین‌های اثبات کار توسط شبکه‌ای از کامپیوترهای غیرمتمرکز به نام نود (Node) پشتیبانی می‌شوند. آن‌ها دو وظیفه دارند: پذیرش دسته‌هایی از تراکنش‌ها از نودهای دیگر و اعتبارسنجی (یا پیشنهاد) بلاک‌های جدید به شبکه.

این نودها «ماینر» (به معنی استخراج کنند) نیز نامیده می‌شوند، زیرا برای کسب ارز دیجیتال شبکه، توان محاسباتی و منابع مصرف می‌کنند.

«کار» در اثبات کار همان توان محاسباتی است که نودها باید برای اعتبارسنجی بلاک جدید اختصاص دهند. این توان از طریق تابع هش رمزنگاری SHA-256 نشان داده می‌شود که وجه تمایز این مکانیزم از سایرین است.

الگوریتمی به نام تنظیم سختی استخراج (Difficulty Adjustment) تضمین می‌کند که شبکه در مدت زمان ثابتی بلاک‌های جدید را اعتبارسنجی کند. این تنظیم سختی هر ۲۰۱۶ بلاک (حدود هر دو هفته) انجام می‌شود تا زمان هدف برای هر بلاک، یعنی ۱۰ دقیقه حفظ شود.

ماینرها زمانی برنده می‌شوند که هش‌ای تولید کنند که از آستانه‌ی تعیین‌شده توسط شبکه پایین‌تر باشد. پس از یافتن هش معتبر، ماینر آن را به دیگر نودهای شبکه مخابره می‌کند تا سریعاً آن را اعتبارسنجی کرده و به نسخه‌ی بلاکچین خود اضافه کنند. این فرایند احتمال درج تراکنش‌های مخرب، مانند تلاش برای “Double Spending”را از بین می‌برد.

پاداش

در بلاکچین، یک قانون کریپتوگرافیک در مورد میزان پرداختی به ماینری که معمای اثبات کار را حل می‌کند وجود دارد. در زمان نگارش این متن، ماینرها برای تولید هر بلاک ۶.۲۵ BTC دریافت می‌کنند، به‌علاوه‌ی کارمزد تراکنش‌ها. این پتانسیل کسب پاداش، ماینرها را به رقابت در شبکه و رفتار صادقانه ترغیب می‌کند، زیرا هرگونه تلاش برای تقلب منجر به اتلاف منابع خواهد شد.

مقدار پاداش هر ۲۱۰٬۰۰۰ بلاک (تقریباً هر ۴ سال) نصف می‌شود. این نرخ کاهش به چرخه‌ی هاوینگ (Halving) معروف است. زمانی که ماینرها از شبکه خارج می‌شوند، سختی نیز متناسب با آن کاهش می‌یابد. این توازن باعث می‌شود هزینه‌ی استخراج بیت‌کوین نیز کاهش یابد.

تفاوت الگوریتم اثبات کار و اثبات سهام

تفاوت اصلی بین اثبات کار و اثبات سهام (Proof of Stake)، در الزامات آن‌ها نهفته است. در اثبات سهام، نودهای اعتبارسنج برای کسب بلاک‌ها، بخشی از توکن‌های خود را در شبکه قفل می‌کنند. این فرآیند انرژی کمتری مصرف می‌کند اما می‌تواند هزینه‌ی ورود بیشتری داشته باشد.

مدل اجماع اثبات کار بیشتر برای شبکه‌هایی با تمرکز بر پرداخت و استفاده‌های مالی کاربرد دارد. سایر بلاکچین‌ها مانند اتریوم، کاردانو و سولانا، که تمرکز آن‌ها روی اجرای اپلیکیشن‌های غیرمتمرکز است، از مدل اثبات سهام استفاده می‌کنند.

نمونه‌هایی از بلاکچین‌های اثبات کار

بیش از ۶۰٪ از ارزش بازار ارزهای دیجیتال از الگوریتم‌های اثبات کار استفاده می‌کنند. با این حال، باارزش‌ترین شبکه‌هایی که از این مدل اجماع استفاده می‌کنند عبارت‌اند از:

• بیت‌کوین (BTC): امن‌ترین و غیرمتمرکزترین سیستم PoW در جهان.

• لایت‌کوین (LTC): در سال ۲۰۱۱ به‌عنوان فورکی از بیت‌کوین راه‌اندازی شد و مدل اجماع PoW آن را کپی کرد.

• دوج‌کوین (DOGE): رمزارزی الهام‌گرفته از میم‌ها که در سال ۲۰۱۳ با فناوری PoW مبتنی بر لایت‌کوین راه‌اندازی شد.

• مونرو (XMR): رمزارزی با تمرکز بر حریم خصوصی که از الگوریتم PoW استفاده می‌کند. الگوریتم آن در برابر ASIC مقاوم است.

• بیت‌کوین کش (BCH): رمزارزی که در سال ۲۰۱۷ از طریق یک هارد فورک از بیت‌کوین ایجاد شد و الگوریتم اجماع PoW مشابه بیت‌کوین دارد.

اهمیت الگوریتم POW در چیست؟

الگوریتم POW به دلایل مختلفی اهمیت حیاتی دارد. مهم‌ترین دلیل آن این است که این الگوریتم یک مکانیزم امن و غیرمتمرکز برای مشارکت‌کنندگان شبکه فراهم می‌کند تا یکپارچگی دفتر کل بلاک‌چین را حفظ کنند. PoW ماینرها را در سراسر جهان تشویق می‌کند تا برای تأیید بلاک‌ها، توان محاسباتی مصرف کنند، بنابراین نقش نهاد مرکزی مانند بانک را ایفا می‌کنند.

یکی دیگر از مزایای اصلی PoW این است که تولید کوین‌های جدید را تنظیم می‌کند. در بلاکچین بیت‌کوین، این الگوریتم دارای یک مکانیزم تنظیم سختی استخراج است که نرخ تولید بلاک‌های جدید را تثبیت می‌کند. بدون تنظیم سختی استخراج، ماینرها می‌توانند عرضه BTC را سریع‌تر از میزان مورد نیاز برای استخراج کنند که این امر اقتصاد شبکه را دچار نقص می‌کند.

مزایا و معایب الگوریتم اثبات کار چیست؟

مزایا:

• سطح بالای امنیت و غیرمتمرکز بودن

• مقاوم در برابر سانسور

• انگیزه اقتصادی برای محافظت از شبکه برای ماینرها

• تشویق به استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر

معایب:

• سرعت تراکنش پایین و کارمزدهای بالا

• استخراج نیازمند سرمایه‌گذاری اولیه و هزینه‌های عملیاتی بالا

چالش‌های پیش روی شبکه‌های اثبات کار

در ادامه به برخی چالش‌های پیش روی الگوریتم اثبات کار می‌پردازیم:

مصرف انرژی

رایج‌ترین انتقاد به مدل PoW این است که انرژی را هدر می‌دهد. طبق پژوهش‌های متعدد، تخمین زده می‌شود که بیت‌کوین بیشتر از چند کشور متوسط مانند نروژ و آرژانتین انرژی مصرف می‌کند.

با این حال، شواهد خلاف این را در مورد تأثیر بیت‌کوین و سیستم اثبات کار نوآورانه آن نشان می‌دهند. شبکه بیت‌کوین به‌طور قابل توجهی کمتر از سیستم‌های پولی موجود و سایر صنایع بزرگ، از جمله استخراج طلا و بخش‌های مالی، انرژی مصرف می‌کند.

نکته حیاتی دیگر این است که از آنجا که انرژی تنها متغیر در استخراج بیت‌کوین است، ماینرها را ترغیب می‌کند تا ارزان‌ترین روش‌ها مانند منابع تجدیدپذیر را بیابند. برآوردها نشان می‌دهد که نزدیک به ۵۹٪ از استخراج بیت‌کوین از منابع انرژی دوست‌دار محیط‌زیست تمین میشود، که بسیار بالاتر از سایر بخش‌ها و کشورهاست.

افزون بر این، فناوری PoW بیت‌کوین به افراد و سازمان‌ها اجازه می‌دهد تا از انرژی‌هایی استفاده کنند که در غیر این صورت هدر می‌رفتند.

مقیاس‌پذیری

انتقاد رایج دیگر به سیستم‌های PoW مانند بیت‌کوین این است که آن‌ها به‌اندازه مدل‌های اجماع جدیدتر مقیاس‌پذیر نیستند. سیستم‌های PoW برای امنیت بهینه‌سازی شده‌اند و از طریق لایه‌های دوم مانند شبکه Lightning روی بیت‌کوین و لایت‌کوین گسترش می‌یابند.

متمرکزسازی

در نهایت، منتقدان همچنین استدلال می‌کنند که الگوریتم‌های اجماع اثبات کار در سال‌های اخیر بیشتر متمرکز شده‌اند. افزایش هزینه ورود به شبکه و دشواری محاسباتی تصمیم‌گیری‌های اجماع شبکه را تحت کنترل تعداد کمی از استخرهای استخراج بزرگ قرار داده است.

این استخرها تا حد زیادی کنترل تصمیمات اجماع شبکه را به دست دارند چون در مجموع قدرت هش بیشتری نسبت به ماینرهای انفرادی دارند؛ اما بیشتر این قدرت به این بستگی دارد که استخرها رفتار صادقانه داشته باشند یا خیر، چون مشارکت‌کنندگان می‌توانند در هر زمانی استخر را ترک کنند.

آیا سرمایه‌گذاری در ارزهای دیجیتال POW درست است؟

بر خلاف دیدگاه رایج که سیستم‌های PoW را برای محیط‌زیست مضر می‌دانند، تلاش صنعت استخراج بیت‌کوین برای حرکت به‌سمت منابع انرژی تجدیدپذیر نشان می‌دهد که این فناوری ممکن است اثر منفی مورد انتظار را نداشته باشد.

وابستگی امنیت شبکه بیت‌کوین به یک دارایی واقعی مانند انرژی باعث تقویت شبکه می‌شود. این امر همچنین به سرمایه‌گذاران اجازه می‌دهد تا از طریق خرید سهام شرکت‌های ماینینگ مانند Riot Blockchain، Hive، Marathon Digital و Hut8 به صورت غیرمستقیم در بیت کوین سرمایه‌گذاری کنند.

با توجه به اینکه PoW یک مدل آزموده‌شده برای تأمین امنیت بلاک‌چین‌های عمومی است، به‌احتمال زیاد نقش کلیدی خود را همچنان ایفا خواهد کرد؛ به خصوص در شرایطی که مخاطبان عام بیشتری به این صنعت می‌پیوندند. به‌جای جایگزین کردن مدل اجماع قدیمی، سیستم‌های جدیدتر ویژگی‌های منحصربه‌فرد PoW را برجسته کرده و آن را برای سرمایه‌گذارانی که امنیت و مقاومت در برابر سانسور را در اولویت قرار می‌دهند، جذاب‌تر می‌سازند.

جمع بندی

اثبات کار، دنیا را با بلاک‌چین‌ها آشنا کرد. ماینرها در یک رقابت بی‌پایان برای تولید بلاک‌های جدید و دریافت پاداش مربوطه شرکت می‌کنند و به این ترتیب، برای بازیگران بد، سخت‌تر می‌شود تا شبکه را به خطر بیندازند. این مکانیزم اجماع نوآورانه با ایجاد انگیزه برای استفاده از توان محاسباتی، امنیت بی‌نظیری برای محافظت از یکپارچگی دفتر کل پایه فراهم می‌کند.

الگوریتم اجماع PoW هدف دارد تا با تنظیم سختی، عرضه ارز دیجیتال را کنترل کرده و یک اقتصاد پایدار ایجاد کند. توکن‌ها در این حالت به‌شکل کارآمدتری توزیع می‌شوند، زیرا ماینرها نمی‌توانند با جمع‌آوری توکن بیشتر، به‌طور خودکار دارایی‌های خود را افزایش دهند یا در شبکه سهم بیشتری بگیرند.

همه این‌ها باعث شد تا الگوریتم اثبات کار همچنان بیشترین سهم از بازار بلاک‌چین‌های عمومی را در اختیار داشته باشد؛ و به‌احتمال زیاد همواره امن‌ترین گزینه برای ایجاد اجماع در میان شبکه‌های غیرمتمرکز باقی خواهد ماند.