برتری اثبات کار دربرابر اثبات سهام؛ بررسی یک دیدگاه

دو الگوریتم «اثبات کار» (PoW) و «اثبات سهام» (PoS) مکانیسمهای اجماعی هستند که به‌منظور اعتبارسنجی و تأمین امنیت تراکنش‌های بلاک چینی به‌کار گرفته می‌شوند. اثبات کار برای توان محاسباتی‌ای که هزینه می‌کند، به انرژی بسیاری احتیاج دارد. در‌مقابل، اثبات سهام بدون نیاز به مصرف انرژی زیاد و تنها مبتنی‌بر سرمایه اعتبارسنج چرخ بلاک چین را می‌چرخاند. مصرف بهینه انرژی در الگوریتم اثبات سهام سبب شده است که این مکانیسم اجماع طرفداران بسیاری داشته باشد. آیا اثبات سهام تا جایی که بیان می‌گردد. بهینه‌تر از اثبات کار است؟

بیشتر بخوانید: اثبات سهام چیست؟

در اغلب مباحث راجع به مقایسه این دو مکانیسم، دلواپسی‌های بسیاری درباره مصرف انرژی در پروسه استخراج بیت کوین وجود دارد. خیال شایع درباره پرمصرف و قدیمی بودن الگوریتم اثبات کار به افزایش استفاده از اثبات سهام به‌عنوان مکانیسم اجماع برای اکثر بلاک چین‌های جدید دامن می‌زند. با‌این‌همه، هنوز افراد و سازمان‌هایی هستند که از زاویه‌ دیگری به این جریان نگاه می‌کنند.

آنچه در‌ این مطلب می‌خوانید، دیدگاه منحصربه‌فردی است که با هدف دفاع از الگوریتم اثبات کار مطرح می‌گردد.و شاخ‌وبرگ می‌گیرد. این دیدگاه در قالب مقاله‌ای در وبلاگ شرکت خدمات ماینینگ «Braiins» منتشر شده است. مقاله حاضر توضیح می‌دهد که چرا اثبات کار یکی از ویژگی‌های مهم پروتکل بیت‌کوین است و چگونه در بین شبکه‌های اثبات سهام فراوانی که هرماه سر برمی‌آورند، هنوز الگوریتمی منحصربه‌فرد به‌شمار می‌رود. علل و منطق زیربنایی این مقاله درخورتأمل به‌نظر می‌رسد؛ با‌این‌حال، این دیدگاه هم مثل تمام مباحث این حوزه شاید ضعف‌هایی داشته باشد و نمی‌توان آن را معیاری کلی در نظر گرفت.

پیش‌شرایط تاریخی

شاید برایتان عجیب باشد؛ اما اولین کاربرد اثبات کار به‌عنوان الگوریتم اجماع شبکه بیت کوین نبود. برای شناسایی نخستین ردپای اثبات کار باید داستان اقدامی را با‌هم مرور کنیم که درمقابل هرزنامه‌ها انجام شد. آدام بک (Adam Back) در مصاحبه‌ای که سال ۲۰۱۴ در قسمت ۷۷ پادکست «بیایید درباره بیت کوین صحبت کنیم» (Let’s Talk Bitcoin) انجام داد، ماجرا را به‌مناسبی برایمان توضیح می‌دهد.

متخصص رمزنگاری، آدام بک، مبدع معنیی است که هم‌اکنون، با عنوان اثبات کار در بلاک چین بیت کوین می‌شناسیم. او برای اولین‌بار از الگوریتم اثبات کار به‌عنوان راهی برای مبارزه با هرزنامه‌ها در گروه‌های خبری یوزنت (Usenet) استفاده کرد. در این شبکه تبادل خبر و اطلاعات، هرزنامه‌نگارها از فضای تالارهای گفت‌وگو برای ارسال پیام‌ها و ایمیل‌های بی‌فایده و نامربوط سوءاستفاده می‌کردند.

از‌آن‌جا‌که هزینه ارسال پیام‌ها تقریباً صفر بود، ارسال هرزنامه برای دسترسی به میلیون‌ها کامپیوتر هزینه‌ای روی دست هرزنامه‌نگار نمی‌گذاشت و درمقابل، امکان سودآوری بود. در این شرایط، آدام بک تلاش کرد با به‌کارگیری الگوریتم اثبات کار، پردازنده‌ (CPU) کامپیوترهای کاربران را به انجام کار و محاسبات وادار کند. درنتیجه این اقدام، ارسال پیام در شبکه به صرف انرژی و هزینه احتیاج داشت.

با طرح پیشنهادی آدام بک، هزینه فعالیت برای کاربران عادی گران تمام نمی‌شد؛ اما برای افرادی که نیت داشتند از منابع سوءاستفاده کنند، صرفه اقتصادی نداشت. او از تئوری «تصادف روز تولد» (Birthday Collision) برای این کار استفاده کرد. ایده ساده تئوری مذکور این است که اگر خیال کنیم ۳۶۷ نفر (یعنی روزهای سال + ۲) درون یک اتاق حضور داشته باشند، تقریباً می‌توانیم مطمئن باشیم که از این تعداد حداقل ۲ نفر در روز و ماه مشابهی به‌دنیا آمده‌اند و تاریخ تولد یکسانی دارند.

با پیاده‌سازی تئوری «تصادف روز تولد»، آدام بک می‌توان توقع داشت هر کامپیوتر تا زمانی‌که خروجی مدنظر (فرد دوم با تاریخ تولد یکسان) را پیدا نکرده است، به هشینگ SHA1 ورودی ادامه دهد. بیشتر اوقات خروجی مدنظر بعد از مدت‌زمان مشخصی پیدا و پس‌از‌آن هم یک «تمبر» دیجیتالی به‌عنوان اثبات هزینه پستی ثبت می‌شد. این تمبر دیجیتالی نمایانگر مقدار برق و قدرت محاسباتی بود که صرف پیداکردن خروجی مدنظر شده بود.

این ماجرا سبب پیدایش معنیی به‌ نام «هَش‌کَش» (Hashcash) شد. احتمالاً طبق آنچه گفتیم، آگاه ارتباط این سیستم با بیت کوین شده‌اید: الگوریتم اجماعی کاملاً مشابه که از کاربر مقدار مشخصی انرژی و کار محاسباتی طلب می‌کند و در ازای آن، «مُهر زمانی» ویژه‌ای ایجاد می‌گردد.که صحت اطلاعات را تضمین می‌کند.

بیت کوین به‌عنوان پروتکل ارتباطی

با کمک آدام بک به «فهرست پستی سایفرپانک» (Cypherpunks Mailing List) که متشکل از متخصصان رمزنگاری بود، ایده استفاده از هَش‌کَش و اثبات کار در یک شبکه پرداخت دیجیتال شکل گرفت. با نگاهی به تاریخچه این ایده، احتمالاً به‌مناسبی روشن می‌گردد.که چرا از اثبات کار در یک شبکه پرداخت دیجیتال استفاده شد؛ چون پروتکل بیت کوین خود شبکه ارتباطی بسیار بزرگی به‌شمار می‌رود.

بلاک چین بیت کوین دفترکلی متشکل از بلاک‌های به‌هم‌پیوسته است که اطلاعات شبکه را دربر می‌گیرند. این بلاک چین به‌گونه‌ای طراحی شده است که هر ۱۰ دقیقه یک بلاک جدید ایجاد شود و فضای هر بلاک هم محدود باشد.

باتوجه‌‌به محدودیت‌ها، پروتکل ارتباطی بیت کوین محدودیتی طبیعی در نرخ تعداد تراکنش بر دقیقه دارد. درنتیجه، اگر هزینه نوشتن روی بلاک‌ها صفر بود، هر فردی می‌توانست این کار را انجام دهد و شبکه را با تراکنش‌های جعلی پر کند. درواقع، اگر دست‌کاری در شبکه هزینه‌ای دربر نداشت، کاربر مهاجم می‌توانست به‌راحتی شبکه را ازطریق «حمله محروم‌سازی از خدمات» (Denial of Service Attack) دچار اختلال و سانسور کند. در این حمله، دسترسی افراد به شبکه قطع می‌گردد.تا خدمات شبکه به کاربران عرضه نشود.

در کنار‌این، اگر از روش اجماع دیگری استفاده شود، مهاجمان شاید با ایجاد تعداد زیادی حساب بدون نیاز به پرداخت هزینه، بر ترتیب تراکنش‌ها و جای‌گیری آن‌ها در هر بلاک تأثیر بگذارند. این حمله که اصطلاحاً با عنوان «حمله سیبل» (Sybil Attack) شناخته می‌گردد. زمانی روی می‌دهد که بازیگران مخرب با ایجاد حساب‌های کاربری متعدد تلاش می‌کنند کنترل شبکه را در دست بگیرند.

بیشتر بخوانید: حمله خسوف (Eclipse Attack) و حمله سیبل (Sybil) چیست؟

خوشبختانه نوشتن در دفترکل بیت کوین رایگان نیست؛ چون اثبات کار از ماینرها می‌خواهد تا تریلیون‌ها هش را برای پیداکردن بلاک تکمیل کنند. این مسئله به صرف انرژی بیشتر و درنتیجه، هزینه زیاد نیاز دارد. با درنظرگرفتن زمان موردنیاز برای پردازش و فضای بلاک و پهنای باند، پروسه پردازش و مشارکت به صرف هزینه مشخصی احتیاج دارد. ماینرها برای خدماتی که عرضه می‌دهند، پاداش بلاک دریافت می‌کنند که مازاد بر کارمزد پرداختی کاربران برای گنجاندن تراکنش در بلاک است.  

الکتریسیته و بیت کوین

برق مهم‌ترین و پرکاربردترین انرژی موجود در جهان است و می‌توان آن را ارز اصلی جهان دیجیتال دانست. ضمناً با‌توجه‌به مکانیسم بیت کوین، ایمنی هر بلاک را می‌توان با این ارز پایه در قالب تعداد ژول یا کیلووات‌ساعت مصرف‌شده برای ایجاد بلاک محاسبه کرد. بدین‌ترتیب، مقدار ژول یا کیلووات‌ساعت برق موردنیاز برای استخراج برابر است با تعداد ماینرها ضربدر نرخ هش متوسط برای هر ماینر ضربدر تعداد هش موردنیاز برای ایجاد بلاک.

نرخ هش متوسط برای هر ماینر می‌تواند کارایی هر دستگاه ماینینگ را مشخص کند. در تصویر زیر، هزینه استخراج بیت کوین با دستگاه استخراج انت‌ماینر اس۹ (Antminer S۹) نمایش داده شده است.

آشکار است که هزینه برق هم باید محاسبه شود و برای این منظور، باید نرخ برق مصرفی را در نرخ الکتریسیته برای هر کیلووات‌ساعت ضرب کنید تا سرانجام هزینه تولید یک بلاک به‌دست آید. از‌آن‌جا‌که ماینرها هیچ بلاکی را رایگان ایجاد نمی‌کنند، ترکیب پاداش بلاک و کارمزد تراکنش‌ کاربران باید از هزینه برق مصرفی برای آن‌ها بیشتر باشد.

بعد از بررسی آمار و ارقام در این سطح اولیه، مشاهده می‌کنیم که ماینرهای عرضه‌دهنده خدمات اثبات کار درواقع فضای بلاک را به کاربران شبکه می‌فروشند. به‌همین‌علت، قیمت بلاک در قالب برق مصرفی ارزیابی می‌گردد. چون کامپیوترها از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند. یعنی:

نکته مهم: انرژی مصرف‌شده همیشه با پاداش موجود برای ماینرهای شبکه، ازجمله کارمزد فضای بلاک مشخص می‌گردد.

ضوابط اخلاقی انرژی مصرفی بیت کوین

آیا این مسئله که شبکه بیت کوین از انرژی الکتریکی زیادی استفاده می‌کند، اشتباه است؟ صادقانه بگوییم، نه. همان‌طور‌که در بخش قبل نشان دادیم، برق مصرفی مستقیماً به ارزشی مرتبط می‌گردد.که کاربران برای فضای بلاک قائل می‌شوند. با افزایش تقاضا برای فضای بلاک، پاداش ماینرها هم افزایش می‌یابد. این مسئله سبب می‌گردد.که مصرف انرژی شبکه افزایش پیدا کند؛ درست همان‌طور‌که در بازار صعودی بیت‌کوین در سال ۲۰۲۰ شاهد بودیم.

بی‌شک برای دارایی‌ای مانند بیت کوین و فضای بلاکی که این دارایی در آن جای می‌گیرد، تقاضا وجود دارد. به‌جای اینکه بیت کوین را به مصرف انرژی متهم کنیم، بهتر است ناچیزی موشکافانه‌تر به منابع انرژی تأمین‌کننده برق مصرفی بنگریم. ضمناً، بد نیست باز‌هم اشاره کنیم که انرژی مصرف‌شده درواقع تضمین‌کننده ارزشی است که در سرتاسر شبکه جابه‌جا می‌گردد. به‌بیان ساده، بیت کوین از الکتریسیته استفاده می‌کند؛ اما منبع سوخت برای تولید برق برایش اهمیتی ندارد. چه زغال‌سنگ فشرده باشد، چه منابع تمیزتری مانند گاز متان و انرژی برق‌آبی یا انرژی‌های تجدیدپذیر.

آیا الگوریتم اثبات سهام بهترین جایگزین است؟

الگوریتم اثبات سهام به‌جای مصرف منابع محاسباتی و انرژی برای تولید بلاک، براساس توکن‌هایی کار می‌کند که ماینر یا «اعتبارسنج» (Validator) در شبکه قفل کرده است. بدین‌ترتیب، حق تولید بلاک تنها به موجب سرمایه قفل‌شده اعتبارسنج به او داده می‌گردد.که این سرمایه به‌منظور جلوگیری از نقض پروتکل اجماع در خطر «اسلشینگ» (Slashing) قرار دارد. این یعنی اگر اعتبارسنج بخواهد دست از پا خطا کند، دارایی اولیه خود را از دست می‌دهد.

هرچند در نگاه اول این الگوریتم انرژی کمتری مصرف می‌کند و کارآمدتر به‌نظر می‌رسد، سرانجام توکن‌های سهام‌گذاری‌شده هم به‌عنوان واسطه مبادله در فعالیت‌های اقتصادی مصرف می‌شوند و هیچ تضمینی وجود ندارد که منبع تأمین سرمایه‌ سهام‌گذاری‌شده، از‌نظر زیست‌محیطی تمیزتر از انرژی مصرف‌شده در شبکه‌ای باشد که بر‌مبنای الگوریتم اثبات کار شکل گرفته است.

در کنار‌این، سرمایه موردنیاز برای تضمین شبکه اثبات سهام میلیون‌ها دلار بیشتر از سرمایه‌ای است که باید خرج تجهیزات ماینینگ شود. با‌این‌همه، اصلی‌ترین برتری شبکه‌های مبتنی‌بر اثبات سهام این است که با کاهش ردپای انرژی مصرف‌شده، اغلب کمتر با موج انتقادها روبرو می‌شوند. هم‌اکنون، فرض عموم افراد بر این است که الگوریتم اثبات سهام در‌ظاهر آثار زیست‌محیطی کمتری به‌بار می‌آورد؛ درحالی‌که شاید تمام جوانب مصرف انرژی آن دیده نشود.

بیشتر بخوانید: اثبات انجام کار و اثبات سهام، مفاهیم و فرق‌ها

آخرین نکته‌ای که باید در الگوریتم اثبات سهام در نظر بگیریم، مسئله قدرت رأی‌گیری در این الگوریتم است که به موجب مقدار سهام اعتبارسنج مشخص می‌گردد. در شبکه‌های مبتنی‌بر اثبات سهام، هرچه سهام اعتبارسنج بیشتر باشد، احتمال دریافت سود بیشتری از سایر سهام‌گذاران دارد. همین نکته می‌تواند قدرت را در شبکه به‌سمت متمرکزشدن پیش ببرد.

درواقع، کاربرانی که دارایی بیشتری سهام‌گذاری می‌کنند، شاید شبکه را درمعرض خطر سانسورشدن به موجب قدرت متمرکز بگذارند این شرایط پیش‌از‌این در زنجیره بیکن (Beacon Chain) اتریوم ۲.۰ دیده شده است؛ جایی که پنج اعتبارسنج برجسته بیش از یک‌سوم کل سهام را در‌اختیار دارند، این مقدار به‌اندازه‌ای است که می‌تواند شبکه را متوقف کند یا به آن آسیب بزند!

جمع‌بندی

همان‌طور‌که خواندید، این مقاله سنت‌شکن زاویه‌دید مفرقی برای بررسی ضعف‌‌ها و قدرت‌های الگوریتم‌های اثبات کار و اثبات سهام برگزید. در این مطلب، با نگاهی به پیش‌شرایط تاریخی اثبات کار، به دلیل پیدایش و ضرورت به‌کارگیری آن در شبکه پولی بین‌المللی پی بردیم. بعد از‌آن، به این نکته توجه کردیم که با‌‌‌توجه‌‌‌به انرژی‌ای که صرف تأمین سرمایه و دارایی سهام‌گذاران می‌گردد. مسئله کاهش انرژی مصرفی در الگوریتم اثبات سهام شاید ناچیزی بزرگ‌نمایی‌شده باشد. در کنار‌این، این مطلب توانست توجه ما را به لزوم مصرف انرژی و هزینه برای تداوم ویژگی تمرکززدایی شبکه بیت کوین جلب کند و به‌جای پرسش از مکانیسم اجماع بیت کوین، انتقادهایی درباره منبع تأمین انرژی برق مطرح کند.

اثبات کار ابداع درخشانی است که اولین‌بار آدام بک به‌کار گرفت و اکنون جزئی ضروری و جدایی‌ناپذیر از شبکه بیت کوین محسوب می‌گردد. این الگوریتم به‌منظور مقابله با حملات «محروم‌سازی از خدمات» و حملات «سیبل» شکل گرفت و بعدها در شبکه بیت کوین هم سبب شد خراب‌کاری در این پلتفرم آن‌قدر گران تمام شود که کسی به فکر حمله به شبکه نیفتد. اثبات کار در بیت کوین سبب می‌گردد.استفاده از این شبکه ارتباطی همراه با هزینه باشد. این مسئله فضای بلاک یا پهنای باند شبکه را گران‌قیمت می‌کند؛ ویژگی‌ای که مستقیماً با کارمزد تراکنش ارتباط دارد. کارمزد تراکنش همان ارزشی است که کاربران به امکان انتقال داده در شبکه اختصاص می‌دهند. در‌این‌بین، ماینرهای بیت کوین هم خدماتی عرضه می‌دهند که برای تأمین آن برق مصرف می‌کنند.

اثبات سهام روشی جایگزین برای ایجاد اجماع در بلاک چین است؛ اما سرمایه کلان موردنیاز برای ایمن‌سازی شبکه‌های اثبات سهام هم شاید از‌طریقی به‌دست آید که به زیست‌بوم آسیب می‌زند. در کنار‌این، در این الگوریتم امکان دارد افراد معدودی بخش اعظمی از سرمایه را در‌اختیار بگیرند و شبکه را به‌سمت متمرکزشدن پیش ببرند؛ شرایطی که می‌تواند در طول زمان خطرهایی برای پروتکل ایجاد کند. برای بیت کوین، اثبات کار راه‌حلی نوآورانه است که علیرقم حملات مکرر جامعه و سیاست‌مداران و حتی اقتصاددانان، در طولانی‌مدت هم بادوام و هم مطمئن به‌نظر می‌رسد.