الگوریتم اثبات کار (POW)
در فناوری بلاک چین، هیچ نهاد یا سازمان مرکزی مسئولیت تایید اطلاعات و ثبت آن را ندارد. در این سیستم، کاربران باید بتوانند با استفاده از الگوریتم های تعیینی، در مورد اطلاعات صحیح به اجماع برسند و همان اطلاعات را به دفتر کل توزیع شبکه ارسال کنند. برای انجام صحیح این کار و خنثی کردن حملات سایبری برای غیرفعال کردن سیستم، از الگوریتم اثبات کار استفاده می شود. در این مقاله می خواهیم با بررسی دلایل نیاز، نحوه راه اندازی و اجماع کاربران در شبکه به این سوال پاسخ دهیم که الگوریتم اثبات کار چیست.
بلاک چین چیست؟
قبل از بررسی این سوال که الگوریتم اثبات کار چیست، باید اطلاعاتی در مورد بلاک چین داشته باشیم. بلاک چین در واقع نوعی پایگاه داده است که در آن اطلاعات در قالب بلوک های به هم پیوسته ذخیره می شود. بلوک ها توسط توابع ریاضی به نام “توابع درهم” (Hash Functions) به یکدیگر متصل می شوند و هر تغییری در یک بلوک منجر به تغییرات هش در بلوک های بعدی می شود.
نکته مهم در بلاک چین این است که دفتر کل اطلاعات توزیع شده است. یعنی اطلاعات تراکنش در دسترس همه کاربران شبکه است و به همین دلیل برای تغییر اطلاعات تراکنش یا افزودن تراکنش های جدید به اجماع کاربران نیاز است. با اجماع کاربران، اطلاعات خاصی به شبکه اضافه می شود و همه کاربران فقط آن اطلاعات را به دفتر خود اضافه می کنند.
همانطور که می بینید، نکته مهم در بلاک چین فرآیند اجماع است. با توجه به اینکه کاربران از سرتاسر دنیا در این فرآیند شرکت می کنند و طبیعتاً همه کاربران به یکدیگر اعتماد ندارند، باید اجماع به گونه ای صورت گیرد که امنیت شبکه تامین شود و کاربران به دنبال برهم زدن تعادل شبکه نباشند. در ادامه به بررسی الگوریتم اجماع خواهیم پرداخت.
الگوریتم اجماع چیست؟
اجماع یک مکانیسم تحمل خطا است که در سیستم‌های کامپیوتری و زنجیره‌های بلوکی برای دستیابی به توافق مورد نیاز در مورد یک مقدار داده یا یک وضعیت استفاده می‌شود. در سیستم های چند عاملی و توزیع شده مانند ارزهای دیجیتال، شبکه بدون یک الگوریتم اجماع شکست می خورد. یکی دیگر از کاربردهای الگوریتم اجماع در ثبت تاریخچه و سوابق تراکنش ها و فعالیت های کاربران شبکه است.
در هر سیستم متمرکزی مانند پایگاه داده گواهینامه رانندگی افراد در یک کشور، یک نهاد مرکزی قدرت و توانایی نگهداری و به روز رسانی پایگاه داده را دارد. ایجاد هرگونه تغییر در اطلاعات مانند افزودن داده های جدید، حذف بخشی از داده ها و به روز رسانی اطلاعات کاربران مختلف، همگی توسط این مرجع مرکزی انجام می شود تا تنها اطلاعات واقعی و به روز در پایگاه داده ذخیره شود. این سامانه مبتنی بر اعتماد کاربران به نهاد مرکزی است.
بلاک چین‌های عمومی به‌عنوان پایگاه‌های داده غیرمتمرکز و خودتنظیمی بدون هیچ مرجع مرکزی در مقیاس جهانی عمل می‌کنند. صدها هزار نفر در این شبکه ها شرکت می کنند و روی تایید و ثبت تراکنش های انجام شده در بلاک چین و فعالیت های استخراج بلاک کار می کنند.
در چنین شبکه ای که دائماً در حال تغییر است و نیاز به افزودن اطلاعات جدید به شبکه است، ما به مکانیزمی کارآمد، منصفانه، قابل اعتماد، ایمن، سریع و کارآمد نیاز داریم تا از واقعی بودن تمامی تراکنش های انجام شده در شبکه اطمینان حاصل کنیم.
همه شرکت کنندگان در مورد وضعیت فعلی شبکه توافق دارند.
چنین کاری در بلاک چین توسط الگوریتم اجماع انجام می شود. الگوریتم اجماع مجموعه ای از قوانین است که مشروعیت کاربران شبکه را برای ثبت و تایید تراکنش ها تعیین می کند. الگوریتم اجماع تضمین می کند که همان اطلاعات به دفتر کل توزیع و شبکه ارسال می شود و همه کاربران دارای یک نسخه مشابه هستند. علاوه بر این، وجود مکانیزم های پاداش در الگوریتم های اجماع، بسیاری از کاربران را به مشارکت صادقانه ترغیب می کند و این موضوع امنیت شبکه را افزایش می دهد. در ادامه به بررسی این سوال می پردازیم که الگوریتم اثبات کار چیست.
الگوریتم اثبات کار چیست؟
“اثبات کار | الگوریتم اجماع PoW” اولین الگوریتم اجماع مورد استفاده در شبکه های بلاک چین است، اما تاریخچه آن به سال ۱۹۹۳ باز می گردد. این الگوریتم در آن زمان به عنوان روشی در برابر حملات “انکار سرویس” (DOS) برای غیرفعال کردن سیستم ها و ارسال هرزنامه به اینترنت استفاده می شد.
چند سال بعد «هال فینی» دانشمند حوزه رمزنگاری و علوم کامپیوتر از این الگوریتم برای تولید پول دیجیتال استفاده کرد اما موفقیت چندانی کسب نکرد. سرانجام در سال ۲۰۰۹، ساتوشی ناکاموتو، خالق ناشناس بیت کوین، از این الگوریتم به همراه سایر تکنیک های رمزنگاری برای اجماع در شبکه استفاده کرد.
الگوریتم اثبات کار در بلاک چین برای تایید تراکنش ها و ایجاد بلوک های جدید برای زنجیره استفاده می شود. با الگوریتم PoW، ماینرها برای تکمیل تراکنش ها برای دریافت پاداش از شبکه با یکدیگر رقابت می کنند. در شبکه بلاک چین، کاربران توکن های ارز دیجیتال خود را برای یکدیگر ارسال می کنند.
دفتر کل توزیع شده و غیرمتمرکز اطلاعات تراکنش ها را در قالب بلوک های اطلاعاتی جمع آوری می کند.
توابع هش و الگوریتم اثبات کار
در الگوریتم اثبات کار، از توابع هش به عنوان معادلات پیچیده ریاضی استفاده می شود. هر ارز دیجیتالی که از الگوریتم اثبات کار استفاده می کند ممکن است از یک تابع هش خاص استفاده کند. تابع هش مورد استفاده در بیت کوین SHA-256 است. توابع هش توابع یک طرفه ای هستند که خروجی منحصر به فرد اما ثابتی را برای هر ورودی با هر اندازه ای ارائه می دهند. خروجی این توابع «هش» نامیده می شود. توابع هش دارای ویژگی های مختلفی هستند که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد.
توابع یک طرفه هستند، بنابراین دسترسی به ورودی از خروجی ممکن نیست. این ویژگی برای ایجاد کلیدهای عمومی از کلیدهای خصوصی استفاده می شود و کاربران نمی توانند از طریق کلید عمومی به کلید خصوصی دسترسی داشته باشند.
خروجی هر ورودی منحصر به فرد منحصر به فرد است و امکان یافتن خروجی یکسان برای دو ورودی متفاوت صفر است. بنابراین کوچکترین تغییر در ورودی های تابع منجر به تغییر در خروجی می شود.
از توابع هش می توان برای تأیید اطلاعات بدون ارسال خود اطلاعات استفاده کرد. به عنوان مثال، می توانید با هش کردن پاسخ و ارسال هش برای شخص دیگری ثابت کنید که پاسخ یک معادله ریاضی را می دانید. اگر طرف مقابل پاسخ صحیح را بداند، می تواند با قرار دادن پاسخ در تابع هش، خروجی به دست آمده را با خروجی مورد نظر شما مقایسه کند و به این ترتیب پاسخ شما را ارزیابی کند.
مشکل شبکه در الگوریتم اثبات کار چقدر است؟
همانطور که در قسمت الگوریتم اثبات کار ذکر شد، مقدار حل معادله در هر بلوک توسط شبکه تعیین می شود. پاسخ تعیین شده توسط بلاک چین می تواند معادله را سخت تر یا آسان تر کند. هدف از تغییر سختی معادله این است که قدرت پردازشی موجود در شبکه قابلیت استخراج ارزهای دیجیتال را در یک بازه زمانی مشخص داشته باشد. این بازه زمانی به منظور حفظ امنیت شبکه است و در شبکه های مختلف ارزش متفاوتی دارد. به عنوان مثال، در شبکه بیت کوین این عدد ۱۰ دقیقه و در لایت کوین حدود ۲٫۵ دقیقه است.
پارامترهای تعداد کاربران شبکه، قدرت پردازش فعلی و اندازه شبکه بر سختی یا سهولت معادله تأثیر می گذارد. پارامتر اصلی در میان آنها “سختی شبکه” است. سختی شبکه به قدرت پردازش دستگاه های ماینر در شبکه بستگی دارد. هر چه قدرت پردازش بیشتر باشد زمان کمتری برای حل معادلات وجود دارد. بنابراین با افزایش قدرت پردازشی دستگاه‌ها در شبکه، معادلات سخت‌تر می‌شود به طوری که زمان لازم برای استخراج هر بلوک حدود ده دقیقه باقی می‌ماند.
تفاوت بین اثبات سهام و اثبات کار چیست؟
در قسمت الگوریتم اجماع اثبات کار، گفته شد که این الگوریتم اولین الگوریتم اجماع مورد استفاده در ارزهای رمزنگاری شده است، اما به مرور زمان الگوریتم های اجماع مختلفی برای اجماع کاربران در سیستم های بلاک چین توزیع شده و غیرمتمرکز معرفی و مورد استفاده قرار گرفت. معروف ترین الگوریتم بعد از اثبات کار، الگوریتم اجماع اثبات سهام است که در پروژه های مختلفی مانند کاردانو و سولانا استفاده شده است. هدف از اثبات سهام مانند اثبات کار، تضمین امنیت و کارایی شبکه است، اما روش دستیابی به این هدف در این دو روش کاملاً متفاوت است.
و مزایای الگوریتم اثبات کار چیست؟
مزیت اصلی اثبات کار مقاومت در برابر حملات dos است. محدودیت هایی برای فعالیت در شبکه بیت کوین وجود دارد. هکرها برای انجام اقدامات مورد نظر خود در شبکه باید انرژی زیادی مصرف کنند. علاوه بر قدرت محاسباتی و مصرف انرژی بالا، یک حمله شبکه کارآمد به زمان زیادی نیز نیاز دارد. بنابراین، اگرچه حمله به شبکه در تئوری امکان پذیر است، اما به دلیل هزینه مالی و زمان مورد نیاز، در عمل بی اثر است.
معایب الگوریتم اثبات کار چیست؟
اولین نقطه ضعف الگوریتم اثبات کار هزینه های بالای آن است. استخراج بیت کوین و سایر ارزهای دیجیتال با الگوریتم اثبات کار به سخت افزار محاسباتی تخصصی برای اجرای الگوریتم های پیچیده نیاز دارد. دستگاه های ماینر مقادیر زیادی انرژی برای استخراج مصرف می کنند که باعث افزایش هزینه ها می شود. با افزایش سختی شبکه، استخراج بیت کوین با کامپیوتر خانگی غیرممکن می شود. امروزه حتی استخراج بیت کوین با کارت گرافیک هم سودی ندارد و ماینینگ تنها با استفاده از دستگاه های «ASIC» انجام می شود.
