الگوریتم اثبات کار چیست؟ بررسی POW در بلاکچین و ارز دیجیتال بیت کوین

اثبات کار (PoW) یک فرایند غیرمتمرکز است که برای بررسی صحت تراکنش‌های شبکه بلاک‌چین به کار گرفته می‌شود. اثبات کار، نیاز شبکه به یک ساختار بالادستی مانند بانک، شخص یا سازمان‌های خصوصی و دولتی برای رصد و مدیریت تراکنش‌ها و حساب‌های مرتبط به آن‌ها را برطرف می‌کند. PoW رویکرد مبنا برای اثبات کار در ارز دیجیتال بیت کوین است. به جای یک ساختار متمرکز، این الگوریتم طراحی‌شده بلاک‌چین است که روزانه هزاران تراکنش را بررسی می‌کند تا درستی انواع جدید و عدم تغییر در قدیمی‌ها تضمین شوند. برای پیاده‌ سازی این الگوریتم، به قدرت پردازشی بالایی نیاز است که مفهوم استخراج در بلاک‌چین را نیز ایجاد کرده است.

اما برای به‌روز کردن لجر یا دفترکل (همان بلاک‌چین) ماینر باید به جوابی از یک مسئله ریاضی و با مبنای اعداد اول برسد. حل این مسئله یک چالش محاسباتی است و انجام آن از جانب اعضاء شبکه بلاک‌چین بررسی می‌شود؛ به عبارتی، ماینر ثابت می‌کند (Proof) که میزان پردازش لازم (Work) را به کار گرفته است و برای این مشارکت محاسباتی خود مستحق دریافت پاداش است. در این مقاله به این سوال که الگوریتم اثبات کار چیست پاسخ می‌دهیم، Proof of Work به زبان ساده توضیح داده می‌شود و استخراج مبتنی بر الگوریتم اثبات کار را تشریح می‌کنیم.

الگوریتم اثبات کار Proof of Work چیست؟

آوازه بیت‌کوین از امنیت بالای آن و دقت تمام عیار الگوریتم آن سرچشمه می‌گیرد. این دو ویژگی شاخص، بدون مداخله و حتی نیاز به یک سازمان مرکز یا شخص خاصی برای نظارت بر فرایندهای بلاک‌چین حاصل شده است. اما سوال اینجاست که چگونه می‌توان به این سطح از خودکارسازی رسید که امنیت و دقت بالا به یک ماهیت بدیهی تبدیل شود؟ شبکه‌های بلاک‌چین‌ از الگوریتم‌های کامپیوتری برای حفظ امنیت، اعتبارسنجی و کنترل خودکار فعالیت‌ها در بلاک‌چین استفاده می‌کنند. در بیت‌کوین، این الگوریتم هوشمند PoW نامیده می‌شود که قدرت پردازش خود را از داوطلبان عضو شبکه می‌گیرد و در مقابل تلاش آن‌ها، ارز بیت‌کوین پاداش می‌دهد.

منظور از الگوریتم اثبات کار چیست؟

در این ویدئو توضیح مختصری از الگوریتم Proof of Work را به زبانی ساده به شما عزیزان ارائه کرده ایم . برای تماشای نسخه کامل ویدئو به لینک زیر آن و یا انتهای مقاله بروید.

 

تراکنش‌های رمزارز بر روی یک پایگاه‌‌داده تحت عنوان دفتر کل توزیع‌ شده (Distributed Ledger) یا همان بلاک‌ چین، ثبت می‌شوند. ویژگی بارز بیت‌کوین این است که هیچ تراکنشی پس از ثبت‌ شدن، دیگر تغییر نمی‌کند و اطلاعات در بلوک‌ها (یا صفحات دفتر کل) برای همیشه دست نخورده باقی می‌مانند. هر بلوک تعداد مشخص و محدودی از این تراکنش‌ها را در خود ذخیره می‌کند. برای ایجاد انسجام بین بلوک‌ها، آن‌ها را با زنجیرهایی از جنس الگوریتم‌های برنامه‌نویسی و تحت توابعی به نام Hash، به هم وصل می‌کنند و همین ترکیب Block و Chain است که اصطلاح Blockchain را پیشنهاد می‌کند. هر کامپیوتری که تحت عنوان یک گره از شبکه بلاک‌چین در فعالیت‌های آن مشارکت دارد، یک کپی از کل بلاک‌چین را در اختیار دارد. بنابراین، برای هر عضو تمام تاریخچه فعالیت‌ها در بلاک‌چین از لحظه اول خلق آن تا اکنون در دسترس است.

الگوریتم اثبات کار در بلاک‌ چین

اثبات کار یا PoW همان ساختار و مسیری است که تعریف بلوک‌های جدید به شبکه گسترده بلاک‌چین را ممکن می‌سازد. به‌ویژه، برای انجام یک تراکنش، برای مثال انتقال یا دریافت مقدار مشخصی از بیت‌کوین، مراحل زیر در قالب الگوریتم اثبات کار در بلاک چین پیاده‌سازی می‌شوند:

گروه بندی تراکنش ها

در هر بار (یا بهتر است بگوییم هر روز) تلاش برای ایجاد بلوک جدید، تراکنش‌های مختلف کنار هم قرار می‌گیرند و آماده استقرار در بلوکی می‌شوند که قرار است در قالب PoW و توسط اعضاء ایجاد شود. با این توضیح که هر بلوک ظرفیتی دارد و گروه‌ تراکنش‌ها متناسب با این ظرفیت و سرعت بارگذاری انتخاب می‌شود.

تقابل ماینرها برای ایجاد بلوک بعدی

برخلاف تصور معمول، ماینرها افرادی با قدرت بالا در برنامه‌نویسی یا هکرهای کلاه سفید با امکان نوشتن الگوریتم‌های جستجو عجیب‌ و غریب نیستند. آن‌ها اعضایی از شبکه هستند که قدرت پردازشی بالایی در اختیار دارند و به شبکه و الگوریتم اثبات کار در بلاک چین فضا و توان پردازش لازم را اجاره می‌دهند. به طور دقیق‌تر، برنامه‌ای که PoW در قالب آن انجام می‌شود یک مسئله حدس زدن پیچیده است که قرار است دو عدد اول را پیدا کند که در هم ضرب شده‌اند و عدد مشخص در مسئله را ایجاد کرده‌اند. اما یافتن چنین ترکیبی هرگز آسان نیست و یک قدرت پردازشی فوق‌العاده و با صرف انرژی بالا نیاز دارد.

آن‌ها باید میلیاردها حدس را در زمان کوتاهی تولید کنند و با امتحان کردن نتایج، سعی کنند زودتر از بقیه به جواب برسند، اما این سعی کردن هم یک فرایند خودکار است و تنها به قدرت پردازش ماینرها بستگی دارد. در بلاک‌چین بیت‌کوین، این فرایند و مسابقه پردازشی در حدود 10 دقیقه طول می‌کشد تا بالاخره یک ماینر (در اصل گروهی از ماینرها) به جواب برسد. توجه کنید که اثبات کار در ارز دیجیتال بیت کوین همان فرایند استخراج بیت کوین است. در استخراج مبتنی بر الگوریتم اثبات کار، ماینرها بلوک‌هایی را ایجاد می‌کنند که بعدا محل قرار گرفتن اطلاعات تراکنش‌ها خواهند بود. به عبارتی، استخراج مبتنی بر الگوریتم اثبات کار ترکیب ایجاد بلوک‌های جدید، قراردادن اطلاعات تراکنش‌های جدید و دریافت بیت کوین به خاطر این همکاری است.

اضافه کردن تراکنش های گروه بندی شده به بلاک چین

وقتی پازل حل شد، بلوک ایجاد می‌گردد و آماده پذیرش تراکنش‌های گروه‌بندی شده‌ای است که شبکه صحت آن‌ها را تایید کرده است. به‌طور خودکار، تراکنش‌ها در بلوک جدید حک می‌شوند تا برای همیشه در آن، بدون تغییر، حفظ شوند. بلوک جدید شبیه یک آجر از دیواری بلند و یک ردیفی، بلاک‌چین را به اندازه‌ای مشخص و ثابت به‌روز می‌کند. درنهایت، یک کپی از بلاک‌چین به‌روز شده برای تمام اعضاء شبکه آن ارسال می‌شود. هر حرکت، تصمیم و پیاده‌سازی (مانند اجرای ویرایش جدید از الگوریتم بیت‌کوین) در قالب مکانیزم اجماع ممکن است.

Proof of Work به زبان ساده

Proof of work به زبان ساده یک پروتکل اجماع در بلاک‌چین است. با استفاده از این پروتکل، شبکه مشخص می‌کند کدام کاربر یا کاربران اعتبار بلوک‌های جدید از تراکنش‌ها را تأیید کنند و برای انجام آن پاداش بگیرند. درک بلاک‌چین و عملکرد آن به صورت بنیادی دشوار است، الگوریتم اثبات کار در بلاک‌ چین تلاشی برای تقسیم این دشواری بین جامعه توسعه‌دهندگان است. استخراج مبتنی بر الگوریتم اثبات کار این کانال ارتباطی را به وجود می‌آورد. به عبارتی، یک الگوریتم مبنا وجود دارد که به صورت مرتب ویرایش و به روز می‌شود، ولیدیتورها از این الگوریتم برای انجام عملیات شبکه و اثبات کار در ارز دیجیتال بیت کوین بهره می‌گیرند.

مکانیزم اجماع چیست و چه ارتباطی با PoW دارد؟

شبیه هر آنچه درباره بلاک‌چین توضیح دادیم، مکانیزم اجماع نیز یک برنامه‌ کامپیوتری است که بلاک‌چین از آن برای رای‌گیری، تصمیم و اجرای مشارکتی فعالیت‌های مرتبط با توسعه خود استفاده می‌کند. این مکانیزم مختص شبکه‌هایی است که فرایندها (مانند انجام تراکنش و ایجاد بلوک جدید) و کاربران زیادی در حفظ و توسعه آن مشاکرت دارند.

این مکانیزم اولین قدم در حذف نهاد مرکزی و تعریف ساختارهای غیرمتمرکز در نظام مالی DeFi است. برای مثال، مکانیزم اجماع در بیت‌کوین چیزی نیست جز همان فرایند اثبات کار یا PoW که از مشارکت جمعی و اشتراک قدرت پردازشی آن‌ها برای حل مسئله مبنا و ایجاد بلوک‌های جدید استفاده می‌کند.

گزینه‌های زیر مواردی هستند که در قالب مکانیزم اجماع بلاک‌چین بیت‌کوین، توسط اعضاء آن اعتبارسنجی و درستی آن‌ها تأیید یا رد می‌شود؛ این فاکتورها تعیین کننده عملکرد اعضاء شبکه و استخراج مبتنی بر الگوریتم اثبات کار هستند:

• ساختار داده‌ها
• هش هِدر بلوک
• برچسب زمانی بلوک
• اندازه بلوک
• اولین تراکنش

پس از بررسی چک لیست بالا، نوبت به بررسی تراکنش‌های گروه‌بندی شده و قرار گرفتن آنها در بلوک جدید می‌رسد.

 

در صورت علاقمندی، مقاله هاوینگ چیست؟ اطلاعات جالبی راجع به هاوینگ بیت کوین به شما می دهد.

دلیل استفاده از مکانیزم اجماع PoW و الگوریتم اثبات کار چیست؟

دو دلیل اصلی در استفاده از این مکانیزم، محافظت از شبکه در برابر حملات Dos و کاهش تأثیر قدرت دارایی در مقابل قدرت پردازشی است:

• مقابله با حملات DoS: ساختار اثبات کار محدودیت‌هایی را بر انجام فعالیت در بلاک‌چین اعمال می‌کند. برای انجام هر فعالیت برنامه‌نویسی، بخصوص فعالیت‌های هکری، به قدرت پردازشی بسیار بالایی نیاز است و همین امر باعث کاهش چشم‌گیر تعداد تلاش‌های مخرب از این دست می‌شود.
• قدرت پردازشی در مقابل قدرت سرمایه‌گذاری: ساختار اثبات کار اصلی‌ترین محور در تعریف جریان غیرمتمرکز مالی در بلاک‌چین‌هایی با این مکانیزم اجماع است. بنابراین، سرمایه‌گذاران و سازمان‌ها با قدرت مالی بالا نمی‌توانند تصمیم‌گیرندگان اصلی شبکه باشند و خاصیت اجماع و مشارکت جمعی حفظ می‌شود.

معایب الگوریتم اثبات کار در بلاک‌ چین

در مقابل امنیت و تمرکززدایی که PoW نتیجه می‌دهد، این مکانیزم معایبی نیز دارد که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

• هزینه بالای محاسباتی

برای ایجاد بلوک‌های جدید به بلاک‌چین، ماینرها باید حجم بالایی از پردازش را انجام دهند که به نوبه خود، انرژی بسیار زیادی را مصرف می‌کند. بنابراین، علاوه بر چالش‌های انرژی و هدررفت آن، اثبات کار خود به ایجاد استخرهای محاسباتی با قدرت پردازش و دسترسی بالا به انرژی برق منجر می‌شود.

• سرعت پایین

برای انجام تراکنش‌ها، دریافت تأیید در انتقال یا دریافت، شما باید حداقل 10 دقیقه صبر کنید. اگرچه این مقدار به ظاهر عدد معقولی است، اما در جریان‌های مبادله‌ای و معاملاتی بازارهای مالی، فرصت‌ها و پتانسیل‌های سرمایه‌گذاری به صورت لحظه‌ای اتفاق می‌افتند و نیاز به واکنش لحظه‌ای دارند.

• امکان تسخیر بلاکچین و حملات51 درصد

اگرچه ایجاد بلوک‌ها و مشارکت در تصمیم‌گیری‌های بلاک‌چین به قدرت پردازشی بالایی نیاز دارند، اما استخرهایی پردازشی همچنان امکان تسخیر بخش قابل‌توجهی از بلاک‌چین را دارند. در صورتی که گروه خاصی بتواند به آنچنان قدرت پردازشی برسد که امکان چندانی برای مشارکت سایر ماینرها باقی نگذارد، می‌تواند به یکه‌تاز شبکه و یک نهاد مرکزی کنترل‌ کننده آن بدل شود. حمله 51 درصد همان نقطه شکست دیوار محافظتی بلاک‌چین در مقابل کنترل جمعی است. این حمله زمانی به موفقیت پیاده می‌شود که گروهی از ماینرها به آنچنان قدرتی برسند که ایجاد بلوک‌های جدید را برای خود انحصاری کنند و با استفاده از این انحصار، ماهیت و شیوه‌ی عملکردی شبکه را به نفع خود تغییر دهند.

چند بیت‌کوین در روز قابل استخراج است؟

چنانکه عنوان شد، بلاک‌چین بیت‌کوین در مقابل اشتراک قدرت پردازشی و حل پازل ریاضیاتی (به منظور ایجاد بلوک‌های جدید)، به اعضاء خود Bitcoin پاداش می‌دهد. اما این مقدار بیت‌کوین محدود است و ارتباط مستقیمی با دشواری مسئله مبنا دارد.

در حال حاضر، حداکثر تعداد بیت‌کوین قابل استخراج در یک روز، 900 بیت‌کوین است. این عدد را نرخ تورم بیت‌کوین (Bitcoin Inflation rate) مشخص می‌کند که هر چهار سال یکبار نصف می‌شود. به عبارتی، خالقان بیت‌کوین مکانیزم پاداش را طوری برنامه‌ریزی کرده‌اند که تمام شبکه ماینرها تنها تعداد محدودی بیت‌کوین را بتوانند در یک روز استخراج کنند.

پاداش بلوک و کارمزد تراکنش

مکانیزم اجماع PoW 2 نوع از پاداش را برای ماینرهای خود تعریف می‌کند که به پاداش بلوک و کارمزد انجام تراکنش مشهورند.

پاداش بلوک

در مسابقه حل پازل ریاضیاتی بلاک‌چین و ایجاد بلوک جدید برای آن، هر ماینری که بتواند سریع‌تر به جواب برسد پاداش بلوک را از آن خود می‌کند. در بلاک‌چین بیت‌کوین، این پاداش همان مقداری است که توسط خالق آن تعریف شده و هر چهار سال یکبار نصف می‌شود. درواقع، همین سیستم پاداش‌دهی است که توسعه بلاک‌چین را ممکن می‌سازد. بخصوص، با توسعه رمزارزها و ارزشمندشدن انواع مختلف آن‌ها، هیجان بیشتری برای مشارکت در آن به وجود آمده و ماینرها رغبت بیشتری برای اشتراک قدرت پردازشی خود دارند. هم‌زمان با افزایش مشارکت، مسئله ریاضیاتی مبنا، بخصوص در بلاک‌چین بیت‌کوین، دشوارتر می‌شود و سرعت انجام فرایند استخراج کاهش می‌یابد. با این حال، افزایش قیمت پاداش (قیمت رمزارز در بازار خرید و فروش آن‌ها)، برای مثال بیت‌کوین، باعث حفظ شوق لازم برای مشارکت می‌شود.

کارمزد تراکنش

علاوه بر پاداش حاصل از مشارکت در ایجاد بلوک‌های جدید، ماینرها می‌توانند با ثبت تراکنش‌ها نیز درآمدزایی کنند. میزان کارمزد هر تراکنش، تفاضل ارزش ارسالی و ارزش دریافتی برای دوطرف معامله است. به عبارتی، کارمزد تراکنش، حق‌الزحمه‌ای است که شبکه برای انتقال دارایی از یک والت به والت دیگر از معامله‌گران دریافت می‌کند. بخصوص، هرچقدر میزان تراکنش بالاتر باشد، سرعت انجام آن نیز بیشتر خواهد بود. معامله‌گران می‌توانند با پرداخت کارمزد بیشتر، سریع‌تر به تأیید تراکنش مورد نظر خود برسند. در مقابل، ماینرها وقتی مبالغ بیشتری از جانب یک تراکنش خاص به آن‌ها پیشنهاد شود، آن تراکنش را در اولویت ثبت قرار می‌دهند.

وقتی همه 21 میلیون بیت کوین استخراج شدند چه اتفاقی می افتد؟

سوالی که ممکن است برای کاربران پیش بیاید این است که در بلاک‌چین بیت‌کوین، و انواع مشابه با مکانیزم PoW، پس از استخراج تمام کوین‌های بومی آن چه اتفاقی می‌افتد. به عبارتی، وقتی هیچ بیت‌کوین قابل استخراجی وجود ندارد، بقای بلاک‌چین چگونه تضمین می‌شود. بنا بر برنامه‌ریزی خالقان آن، تمام بیت‌کوین‌ها تا سال 2140 استخراج می‌شوند. بنابراین، شبکه دیگر به ماینرهای خود بیت‌کوین جدید برای مشارکت در ایجاد بلوک‌ها، پاداش نمی‌دهد. با این حال، معاملات بیت‌کوین تا آن زمان به شدت تثبیت شده است و ماینرها از ثبت تراکنش‌ها برای درآمدزایی و مشارکت در شبکه بهره می‌گیرند. برای اینکه بدانید ماینر دقیقا چیست پیشنهاد می‌کنیم مقاله ماینر چیست را مطالعه کنید.

همچنین، وقتی ایجاد بلاک‌ها به نرخ پاداش بیت‌کوین وابسته نباشد، دیگر محدودیتی در میزان معاملات وجود ندارد و معامله‌گران بیشتر با حجم بالاتری از تراکنش می‌توانند در بازار آن شرکت کنند. همین امر باعث ایجاد پتانسیل بیشتر برای درآمدزایی ماینرها می‌شود. استخراج مبتنی بر الگوریتم اثبات کار در ادامه به رویکردی برای تأیید تراکنش‌ها و کنترل ساختار شبکه، بدون خلق بیت کوین جدید، استفاده خواهد شد.

PCrypto: شما می توانید قیمت بیت کوین را به صورت لحظه ای و دقیق در پارسیان کریپتو مشاهده کنید.

رمزارزهایی از مکانیزم Proof of Work استفاده می کنند

تقریبا 64 درصد از ارزش بازار معاملات ارز دیجیتال به رمزارزهایی تعلق دارد که از الگوریتم اثبات کار در بلاک چین برای اعتبارسنجی معاملات خود استفاده می‌کنند. موارد زیر شاخص‌ترین رمزارزها با این ساختار در چهارچوب توسعه‌ای خود هستند:

• بیت‌کوین
• لایت‌کوین
• دوج‌کوین
• مونرو

ویدئو الگوریتم اثبات کار در بلاکچین

در این ویدئو از کانال یوتیوب پارسیان کریپتو الگوریتم اثبات کار یا Proof Of Work را به طور کامل و به زبانی ساده مورد بررسی قرار داده ایم. (برای تماشا فیلتر شکن خود را روشن کنید)

جمع بندی

اثبات کار یکی از هوشمندانه‌ترین سازوکارها (مکانیزم) در طراحی شبکه‌های غیرمتمرکز است که برای اولین بار توسط ساتوشی ناکاموتو پیشنهاد شد. امنیت، اولین محصول این مکانیزم است و قدرت پردازشی مورد نیاز برای مشارکت در آن تضمین کننده این امنیت است. با این حال، PoW به سطح بالایی از انرژی نیاز دارد و در وضعیت کنونیِ کمبود انرژی در نقاط مختلف جهان، پیاده‌سازی آن چالش‌برانگیز است. همین امر باعث می‌شود که در بخش‌هایی که دسترسی بیشتر و ارزان‌تری به انرژی برق دارند، مشارکت و حتی کنترل در شبکه بیشتر باشد.

اثبات سهام یک مکانیزم جایگزین برای الگوریتم اثبات کار در بلاک چین است که توسط خالق اتریوم و برای برطرف کردن معایب پردازشی و چالش‌های انرژی Proof of Work طراحی شده است. این مکانیزم به مراتب سریع‌تر و با مشارکت بیشتری همراه است. زمانی خواهد رسید که ماینرها در شبکه‌هایی چون بلاک‌چین دیگر پاداشی بابت خلق بلوک‌های جدید دریافت نمی‌کنند. آن‌ وقت، انجام تراکنش‌ها و ثبت آن‌ها در بلوک‌های جدید و الحاق آن‌ها به بلاک‌چین، منبع درآمدزایی ماینرها در آینده بلاک‌چین‌ها با سازوکار اثبات کار خواهند بود.

سوالات متداول

۱- اثبات کار در ارز دیجیتال بیت کوین چیست؟

منظور یک مکانیزم اجماع برای تعریف شیوه ایجاد بلوک‌های جدید از شبکه بلاک چین به شیوه‌ای تعاملی و با استفاده از قدرت پردازش و فضای محاسباتی اعضاء شبکه است و برای ایجاد هر بلوک تقریبا 10 دقیقه زمان می‌برد.

۲- استخراج مبتنی بر الگوریتم اثبات کار چیست؟

همان استفاده اعضاء شبکه بلاک چین یا ماینرها برای تعریف بلوک‌های جدید بلاک چین و دریافت بیت کوین به عنوان پاداش است.

۳- آیا Pow مختص اثبات کار در ارز دیجیتال بیت کوین است؟

خیر، اثبات کار در ارز دیجیتال بیت کوین یا PoW اولین بار در این رمزارز به کار گرفته شده، اما بعدها در بلاک‌چین‌های بیشتر به کار رفته است و هم اکنون نیز جزء مکانیزم‌های اصلی در پیشبرد فعالیت‌های شبکه‌های بلاک‌چین است.