معرفی و بررسی انواع الگوریتم‌ اجماع در دنیای بلاک چین

در دنیای بلاک چین و ارزهای دیجیتال، الگوریتم‌های اجماع (Consensus Algorithms) به‌عنوان عضو اساسی شبکه‌های غیرمتمرکز شناخته می‌شوند. این الگوریتم‌ها مکانیزم‌هایی هستند که امکان توافق میان نودهای (گره‌های) شبکه را فراهم کرده و تضمین می‌کنند که همه شرکت‌کنندگان درباره وضعیت فعلی دفتر کل به اجماع برسند. بدون وجود یک الگوریتم اجماع کارآمد، سیستم‌های غیرمتمرکز نمی‌توانند امنیت و یکپارچگی داده‌ها را حفظ کنند. در ادامه این مقاله، به بررسی عمیق انواع مختلف الگوریتم‌های اجماع، نحوه عملکرد آن‌ها، و نقشی که در تقویت سیستم‌های غیرمتمرکز ایفا می‌کنند، خواهیم پرداخت.

معرفی انواع الگوریتم اجماع به زبان ساده

الگوریتم‌های اجماع (Consensus Algorithms) بخش حیاتی و اصلی فناوری بلاک چین و سایر سیستم‌های غیرمتمرکز را تشکیل می‌دهند. در ساده‌ترین شکل، الگوریتم اجماع مکانیزمی است که به تمام شرکت‌کنندگان در یک شبکه غیرمتمرکز (نودها یا گره‌ها) کمک می‌کند تا روی یک نسخه واحد از داده‌ها توافق کنند. این مکانیزم بدون نیاز به یک مرجع مرکزی یا شخص ثالث، اعتماد میان شرکت‌کنندگان را برقرار می‌سازد.

یکی از اهداف اصلی الگوریتم‌ اجماع، جلوگیری از داده‌های متناقض است. به عبارت دیگر، این الگوریتم‌ها تضمین می‌کنند که تمام کپی‌های دفتر کل (Ledger) در میان اعضای شبکه همگام و یکسان باقی بمانند. برای این کار، الگوریتم‌های اجماع از قوانین و فرآیندهای مختلفی استفاده می‌کنند.

در واقع الگوریتم‌های اجماع با سه هدف اصلی امنیت شبکه، حفظ غیرمتمرکز بودن شبکه و تسریع مقیاس‌پذیری طراحی شده‌اند. در ادامه، به بررسی انواع الگوریتم‌‌های اجماع و نحوه کارکرد آن‌ها می‌پردازیم.

بررسی انواع الگوریتم‌ اجماع

الگوریتم‌های اجماع برای دستیابی به توافق میان اعضای یک شبکه غیرمتمرکز طراحی شده‌اند. هر یک از این الگوریتم‌ها اهداف مشخصی مانند امنیت، عدم تمرکز و مقیاس‌پذیری را دنبال می‌کنند و رویکردهای متفاوتی را برای حفظ یکپارچگی شبکه ارائه می‌دهند. در اینجا، محبوب‌ترین و پرکاربردترین الگوریتم‌های اجماع را بررسی می‌کنیم:

 

الگوریتم اثبات کار (Proof of Work – PoW)

الگوریتم اثبات کار (PoW)، یکی از اولین و اساسی‌ترین مکانیزم‌های اجماع در فناوری بلاک چین است که برای تأمین امنیت و غیرمتمرکزسازی شبکه استفاده می‌شود. این الگوریتم اجماع اولین بار توسط ساتوشی ناکاموتو در سال 2008 و در چارچوب بلاک چین بیت‌ کوین معرفی شد. الگوریتم اثبات کار از فرآیندی به نام ماینینگ استفاده می‌کند و با تکیه بر محاسبات پیچیده ریاضی و رقابت بین ماینرها،‌ برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها و افزودن بلاک‌های جدید به زنجیره عمل می‌کند.

اطلاعات بیشتر: ماینینگ چیست؟

الگوریتم اثبات کار یکی از پرکاربردترین الگوریتم‌ها در دنیای بلاک چین است و بسیاری از رمزارزها مانند بیت‌ کوین (Bitcoin – BTC)، لایت‌ کوین (Litecoin – LTC)، اتریوم (Ethereum – ETH)، و دوج‌ کوین (Dogecoin – DOGE) از آن بهره می‌برند.

بیت‌ کوین مشهورترین بلاک چین PoW است. برای ماینینگ بیت‌ کوین، از دستگاه‌های قدرتمندی مانند ASIC استفاده می‌شود. اگرچه این الگوریتم مزایای قابل‌توجهی از جمله امنیت بالا و غیرمتمرکز بودن دارد، اما معایب آن، به‌ویژه مصرف انرژی بالا و تمرکز قدرت در دستان برخی از ماینرها، باعث شده است که فناوری‌های جدیدتری مانند اثبات سهام (PoS) به‌عنوان جایگزین پیشنهاد شوند.

الگوریتم اثبات سهام (Proof of Stake – PoS)

الگوریتم اجماع اثبات سهام (PoS)، یکی از محبوب‌ترین مکانیزم‌های اجماع در فناوری بلاک چین است که به‌عنوان جایگزینی برای الگوریتم اثبات کار (PoW) توسعه یافت. در PoS، کاربران به‌جای حل مسائل پیچیده، مقداری از ارز دیجیتال خود را به‌عنوان سهام قفل می‌کنند (استیکینگ). کاربرانی که سهام بیشتری دارند، شانس بیشتری برای انتخاب به‌عنوان نودهای اعتبارسنج یا ولیدیتور (Validators) و تایید تراکنش‌ها دارند. ولیدیتورها بر اساس مقدار ارز دیجیتالی که در شبکه قفل کرده‌اند (Stake)، بلاک‌های جدید را تولید و تراکنش‌ها را تأیید می‌کنند. این الگوریتم به طور قابل‌توجهی مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و مقیاس‌پذیری بیشتری برای شبکه فراهم می‌کند.

الگوریتم اجماع PoS در بسیاری از پروژه‌های بلاک چین مدرن استفاده می‌شود. از جمله ارزهای دیجیتالی که این مکانیزم را به‌کار می‌گیرند، می‌توان به اتریوم 2.0 (Ethereum 2.0)، کاردانو (Cardano – ADA)، پولکادات (Polkadot – DOT)، و سولانا (Solana – SOL) اشاره کرد.

الگوریتم اثبات سهام به دلیل کاهش مصرف انرژی و بهبود مقیاس‌پذیری، جایگزینی امیدوارکننده برای PoW محسوب می‌شود. این الگوریتم در بسیاری از پروژه‌های بلاک چین مدرن به‌کار گرفته شده و نقش مهمی در توسعه نسل جدید شبکه‌های غیرمتمرکز ایفا می‌کند. با این حال، تمرکز قدرت و نیاز به حفظ انگیزه‌های اقتصادی از چالش‌های اصلی این الگوریتم است.

الگوریتم اثبات سهام نمایندگی‌شده (DPoS)

الگوریتم اثبات سهام نمایندگی‌شده (Delegated Proof of Stake – DPoS)، یکی از پیشرفته‌ترین مکانیزم‌های اجماع است که به‌عنوان نسخه‌ای اصلاح‌شده از اثبات سهام (PoS) توسعه یافته است. این الگوریتم توسط دن لیریمر (Dan Larimer) در سال ۲۰۱۴ برای بلاک چین BitShares طراحی شد و هدف اصلی آن افزایش کارایی، سرعت و مقیاس‌پذیری بود.

در DPoS، کاربران می‌توانند ارزهای دیجیتال خود را استیک کنند و به‌جای اینکه مستقیماً به‌عنوان اعتبارسنج (ولیدیتور) عمل کنند، نمایندگانی (Delegates) را انتخاب می‌کنند که مسئولیت تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلاک‌های جدید را بر عهده دارند. این فرآیند شبیه به یک سیستم دموکراسی است که در آن کاربران با رأی‌دادن نمایندگان، در اداره شبکه شرکت می‌کنند.

الگوریتم اجماع DPoS توسط بسیاری از بلاک چین‌های برجسته استفاده می‌شود. برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:  EOS، ترون TRON (TRX)، بیت‌شیرز BitShares (BTS)، استیم (Steem) و لیسک(Lisk)

 

الگوریتم اجماع اثبات اعتبار (Proof of Authority – PoA)

الگوریتم اثبات اعتبار (Proof of Authority – PoA)، یک مکانیزم اجماع نوآورانه است که در سال۲۰۱۷ توسط یکی از بنیان‌گذاران اتریوم، معرفی شد. این الگوریتم برای شبکه‌هایی طراحی شده است که نیاز به مقیاس‌پذیری بالا دارند و معمولاً در شبکه‌های بلاک چینی خصوصی (Private Blockchain) یا کنسرسیوم (Consortium Blockchain) استفاده می‌شود. برخلاف الگوریتم‌های اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS)، PoA به جای استفاده از قدرت محاسباتی یا دارایی‌های قفل‌شده، از هویت افراد تأییدشده به‌عنوان اعتبارسنج استفاده می‌کند.

در PoA، اعتبارسنج‌ها (Validators) افرادی شناخته‌شده و مورد اعتماد هستند که مسئول تولید بلاک‌های جدید و تأیید تراکنش‌ها در شبکه هستند. اولیدیتورها باید هویت واقعی خود را به شبکه اثبات کنند و توسط اعضای شبکه تأیید شوند و معمولاً شامل افراد یا سازمان‌هایی با شهرت و اعتماد بالا هستند.

این الگوریتم به دلیل سادگی و کارایی بالا، در بسیاری از کاربردهای سازمانی و صنعتی استفاده می‌شود. برخی از پروژه‌های شناخته‌شده مبتنی بر PoA شامل VeChain (VET)، xDAI Chain، POA Network و Microsoft Azure Blockchain  می‌‌شوند.

الگوریتم اثبات سوختن (Proof of Burn – PoB)

الگوریتم اجماع اثبات سوختن (Proof of Burn – PoB) یکی از روش‌های اجماع در بلاک چین است که برای تأمین امنیت و پایداری شبکه طراحی شده است. PoB توسط توسعه‌دهنده‌ای به نام ایان استوارت (Iain Stewart) به‌عنوان یک جایگزین کارآمدتر و کم‌مصرف‌تر برای اثبات کار (Proof of Work – PoW) پیشنهاد شد. این الگوریتم به کاربران اجازه می‌دهد تا با «سوزاندن» مقدار مشخصی از ارز دیجیتال، در فرآیند اجماع و تأیید تراکنش‌ها مشارکت کنند.

مفهوم «سوزاندن» به معنای ارسال ارز دیجیتال به یک آدرس غیرقابل بازیابی (Burn Address) است. این عمل باعث می‌شود که ارزهای دیجیتال ارسال‌شده برای همیشه از گردش خارج شوند. کاربران در ازای این کار، حق مشارکت در تولید بلاک‌های جدید و دریافت پاداش را کسب می‌کنند.

الگوریتم اثبات سوختن توسط تعداد محدودی از پروژه‌های بلاک چین مانند Slimcoin، Counterparty، و Factom استفاده شده است. چالش‌هایی مانند از دست دادن سرمایه و محدودیت در پذیرش، از موانع اصلی گسترش این الگوریتم هستند. PoB به‌ویژه برای پروژه‌هایی که به دنبال پایداری بلندمدت و کاهش عرضه ارز در گردش هستند، مناسب است.

الگوریتم اجماع اثبات فضا (Proof of Space – PoSpace)

یک مکانیزم اجماع نوآورانه که از فضای ذخیره‌سازی هارد دیسک کاربران برای تأمین امنیت شبکه و ایجاد بلاک‌های جدید استفاده می‌کند الگوریتم اثبات فضا (Proof of Space – PoSpace) است. این الگوریتم اجماع  برای اولین بار توسط پروژه Chia Network به‌عنوان یکی از جایگزین‌های کم‌مصرف و سازگار با محیط زیست برای اثبات کار (Proof of Work – PoW) معرفی شد.

ایده اصلی PoSpace این است که به جای استفاده از قدرت محاسباتی یا دارایی‌های سهام‌گذاری‌شده، کاربران فضای ذخیره‌سازی خود را در اختیار شبکه قرار دهند. این روش هم مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و هم باعث می‌شود که کاربران با منابع کمتر نیز بتوانند در فرآیند اجماع مشارکت داشته باشند.

الگوریتم PoSpace به‌ویژه در پروژه‌هایی مانند Chia Network و Spacemesh نقش کلیدی ایفا می‌کند و می‌تواند در آینده به‌عنوان یک مکانیزم اجماع پایدارتر گسترش یابد.

الگوریتم اثبات تاریخ (Proof of History – PoH)

الگوریتم اثبات تاریخ (Proof of History – PoH) یکی از پیشرفته‌ترین و نوآورانه‌ترین الگوریتم‌های اجماع است که برای اولین بار توسط پروژه سولانا (Solana) معرفی شد و به‌صورت اختصاصی توسط شبکه سولانا (Solana) استفاده می‌شود. این الگوریتم برای حل مشکل مقیاس‌پذیری و افزایش سرعت تأیید تراکنش‌ها در شبکه‌های بلاک چینی طراحی شده است. در PoH، تمرکز اصلی بر ایجاد یک روش زمانی مطمئن و قابل‌بررسی برای تأیید ترتیب تراکنش‌ها و رخدادها در شبکه است. به دلیل استفاده از PoH، سولانا به یکی از سریع‌ترین شبکه‌های بلاک چین در جهان تبدیل شده است.

الگوریتم PoH به‌جای استفاده از زمان‌بندی‌های خارجی یا نودهای اعتبارسنج، از یک مکانیسم رمزنگاری برای ایجاد یک «ساعت داخلی» غیرمتمرکز در شبکه استفاده می‌کند. این ساعت داخلی، ترتیب زمانی تراکنش‌ها و رخدادها را در شبکه مشخص می‌کند و باعث می‌شود نیازی به هماهنگی کامل بین نودها وجود نداشته باشد.

الگوریتم اجماع اثبات اهمیت (Proof of Importance – PoI)

الگوریتم اثبات اهمیت (Proof of Importance – PoI) یک مکانیزم اجماع نوآورانه است که توسط شبکه NEM (New Economy Movement) معرفی شد. این الگوریتم، نسخه‌ای پیشرفته از مکانیزم‌های اثبات سهام (Proof of Stake – PoS) است که به جای صرفاً تمرکز بر میزان دارایی کاربران، معیارهای دیگری مانند فعالیت و مشارکت آن‌ها در شبکه را نیز در نظر می‌گیرد. هدف PoI ایجاد یک سیستم عادلانه‌تر برای پاداش‌دهی و حفظ امنیت شبکه است.

در PoI، علاوه بر میزان دارایی سهام‌گذاری‌شده، عواملی مانند تعداد و ارزش تراکنش‌های انجام‌شده توسط کاربر و مدت زمان نگهداری دارایی در کیف پول، در محاسبه اهمیت وی در شبکه تأثیر دارند. این الگوریتم به گونه‌ای طراحی شده است که کاربران را تشویق به مشارکت فعال در شبکه می‌کند، نه فقط ذخیره منفعلانه دارایی.

الگوریتم PoI با استفاده از فرمول‌های پیچیده‌ای، «امتیاز اهمیت» (Importance Score) کاربران را محاسبه می‌کند. این امتیاز نقش کلیدی در انتخاب نودهایی دارد که وظیفه تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلاک‌های جدید را بر عهده دارند. امتیاز اهمیت بر اساس: میزان دارایی سهام‌گذاری‌‌شده، فعالیت تراکنش‌ها، و روابط شبکه‌ای محاسبه می‌شوند.

الگوریتم اثبات اهمیت به طور اختصاصی توسط شبکه NEM (XEM) به‌کار گرفته شده است.

 

الگوریتم اثبات فعالیت (Proof of Activity – PoA)

الگوریتم اثبات فعالیت (Proof of Activity – PoA)، یک مکانیزم اجماع هیبریدی (ترکیبی) است که در سال ۲۰۱۴ معرفی شد. این الگوریتم ویژگی‌های دو الگوریتم محبوب اثبات کار (Proof of Work) و اثبات سهام (Proof of Stake) را ترکیب می‌کند. هدف از طراحی این الگوریتم، رفع برخی از محدودیت‌ها و چالش‌های PoW و PoS، مانند مصرف بالای انرژی و تمرکز ثروت، بوده است.

در این الگوریتم، ماینرها با حل مسائل پیچیده رمزنگاری، بلاک‌های خالی را ایجاد می‌کنند. پس از آن، اعتبارسنج‌هایی که به صورت تصادفی از میان دارندگان سهام انتخاب می‌شوند، با افزودن امضای دیجیتال خود به بلاک، تراکنش‌ها را تأیید و بلاک را نهایی می‌کنند. این ترکیب، هم از امنیت بالای ناشی از حل مسائل پیچیده رمزنگاری در PoW و هم از کارایی و سرعت ناشی از مکانیزم اجماع PoS بهره‌مند می‌شود. در نهایت پاداش استخراج نیز بین ماینرها و اعتبارسنج‌ها تقسیم می‌شود.

الگوریتم PoA کمتر در پروژه‌های بلاک چینی به‌صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته است، اما برخی از پروژه‌ها مثل Decred (DCR) و Espers (ESP) از این مکانیزم بهره برده‌اند.

 

الگوریتم اجماع اثبات وزن (Proof of Weight – PoWeight)

الگوریتم اثبات وزن (Proof of Weight – PoWeight) یکی از روش‌های جدید و نوآورانه در مکانیزم‌های اجماع بلاک چین است که توسط پروژه‌هایی نظیر Filecoin و Algorand معرفی شده است. این الگوریتم، برخلاف الگوریتم‌های سنتی مانند اثبات کار (PoW) یا اثبات سهام (PoS)، به معیارهای خاصی مانند «وزن» کاربر در شبکه متکی است.

در الگوریتم اجماع اثبات وزن (PoWeight)، وزن هر کاربر بر اساس میزان مشارکت و منابعی که در اختیار شبکه قرار می‌دهد، تعیین می‌شود. عواملی همچون فضای ذخیره‌سازی، فعالیت در شبکه و مشارکت در اعتبارسنجی تراکنش‌ها، بر وزن کاربر تأثیرگذارند. نودهایی که وزن بالاتری دارند، با احتمال بیشتری به‌عنوان اعتبارسنج انتخاب شده و مسئولیت تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلاک‌های جدید را بر عهده می‌گیرند. پاداش‌های شبکه نیز به صورت متناسب با وزن کاربران توزیع می‌شود، به این معنا که کاربران با وزن بیشتر، سهم بیشتری از پاداش‌ها را دریافت خواهند کرد. این مکانیزم، انگیزه‌ای برای کاربران ایجاد می‌کند تا با مشارکت فعال در شبکه، وزن خود را افزایش داده و از مزایای آن بهره‌مند شوند.

هدف از طراحی PoWeight افزایش مقیاس‌پذیری، کاهش مصرف انرژی و تشویق کاربران به مشارکت فعال‌تر در شبکه است. این مکانیزم برای کاربردهایی که نیاز به ذخیره‌سازی و اشتراک‌گذاری داده دارند، ایده‌آل است.

 

سخن پایانی

در این مقاله، مجموعه‌ای از مهم‌ترین الگوریتم‌های اجماع بررسی شدند. هر یک از این الگوریتم‌ها نقاط قوت و ضعف خاص خود را دارند و برای حل چالش‌های مختلف در بلاک چین‌های عمومی و خصوصی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در حالی که فناوری بلاک چین به‌سرعت در حال پیشرفت است، انتخاب الگوریتم اجماع مناسب به نیازهای خاص یک پروژه بستگی دارد. عواملی مانند امنیت، سرعت تراکنش، مصرف انرژی، و تمرکززدایی باید به دقت مورد بررسی قرار گیرند. با این حال، هیچ الگوریتم اجماعی کامل نیست و چالش‌هایی مانند تمرکز قدرت، پیچیدگی فنی یا نیاز به منابع خاص همچنان وجود دارند و انتخاب بهترین الگوریتم بستگی به نیاز شبکه و اهداف آن دارد.

منبع