برتری اثبات کار دربرابر اثبات سهام؛ بررسی یک دیدگاه

دو الگوریتم «اثبات کار» (PoW) و «اثبات سهام» (PoS) سازوکارهای 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 صرفاً مبتنی‌بر سرمایه اعتبارسنج چرخ بلاک چین را می‌چرخاند. مصرف بهینه انرژی در الگوریتم اثبات سهام باعث شده است که این سازوکار اجماع طرفداران بسیاری داشته باشد. آیا اثبات سهام تا حدی که توصیف می‌شود، بهینه‌تر از اثبات کار است؟

بیشتر بخوانید: اثبات سهام چیست؟

در اغلب مباحث مربوط به مقایسه این دو سازوکار، نگرانی‌های فراوانی درباره مصرف انرژی در فرایند استخراج بیت کوین وجود دارد. تصور رایج درباره پرمصرف و قدیمی بودن الگوریتم اثبات کار به افزایش استفاده از اثبات سهام به‌عنوان سازوکار 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 می‌شود 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 متعددی که هرماه سر برمی‌آورند، هنوز الگوریتمی منحصربه‌فرد به‌شمار می‌رود. دلایل و منطق زیربنایی این مقاله درخورتأمل به‌نظر می‌رسد؛ با‌این‌حال، این دیدگاه هم مانند تمام مباحث این حوزه ممکن است ضعف‌هایی داشته باشد و نمی‌توان آن را معیاری کلی در نظر گرفت.

پیش‌زمینه تاریخی

ممکن است 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 به‌خوبی برایمان توضیح می‌دهد.

متخصص رمزنگاری، آدام بک، مبدع مفهومی است که در‌حال‌حاضر، 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، قابلیت 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 قصد 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 تصور 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 انتظار داشت هر کامپیوتر تا زمانی‌که خروجی مدنظر (فرد دوم با تاریخ تولد یکسان) را پیدا نکرده است، به هشینگ SHA1 ورودی ادامه دهد. معمولاً خروجی مدنظر بعد از مدت‌زمان مشخصی پیدا و پس‌از‌آن هم یک «تمبر» دیجیتالی به‌عنوان اثبات هزینه پستی ثبت می‌شد. این تمبر دیجیتالی نمایانگر میزان برق و قدرت محاسباتی بود که صرف پیداکردن خروجی مدنظر شده بود.

این ماجرا سبب پیدایش مفهومی به‌ نام «هَش‌کَش» (Hashcash) شد. احتمالاً طبق آنچه گفتیم، متوجه 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 می‌شود که صحت داده‌ها 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 به‌خوبی روشن می‌شود که چرا از اثبات کار در یک شبکه پرداخت دیجیتال استفاده شد؛ زیرا پروتکل بیت کوین خود شبکه ارتباطی بسیار بزرگی به‌شمار می‌رود.

بلاک چین بیت کوین دفترکلی متشکل از بلاک‌های به‌هم‌پیوسته است که داده‌های 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 می‌شود تا خدمات شبکه به کاربران ارائه نشود.

علاوه‌بر‌این، اگر از روش اجماع دیگری استفاده شود، مهاجمان ممکن است 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 می‌شود، 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؛ زیرا 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، فرایند پردازش و مشارکت به صرف هزینه مشخصی احتیاج دارد. ماینرها برای خدماتی که ارائه 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. همچنین با‌توجه‌به سازوکار بیت کوین، ایمنی هر بلاک را می‌توان با این ارز پایه در قالب تعداد ژول یا کیلووات‌ساعت مصرف‌شده برای ایجاد بلاک محاسبه کرد. بدین‌ترتیب، میزان ژول یا کیلووات‌ساعت برق موردنیاز برای استخراج برابر است با تعداد ماینرها ضربدر نرخ هش میانگین برای هر ماینر ضربدر تعداد هش موردنیاز برای ایجاد بلاک.

نرخ هش میانگین 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.

بدیهی است که هزینه برق نیز باید محاسبه شود و برای این منظور، باید نرخ برق مصرفی را در نرخ الکتریسیته برای هر کیلووات‌ساعت ضرب کنید تا درنهایت 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.

پس از بررسی آمار و ارقام در این سطح اولیه، مشاهده می‌کنیم که ماینرهای ارائه‌دهنده خدمات اثبات کار درواقع فضای بلاک را به کاربران شبکه می‌فروشند. به‌همین‌دلیل، قیمت بلاک در قالب برق مصرفی ارزیابی می‌شود؛ زیرا کامپیوترها از انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند. به‌عبارت‌دیگر:

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

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 می‌شود که کاربران برای فضای بلاک قائل می‌شوند. با افزایش تقاضا برای فضای بلاک، پاداش ماینرها نیز افزایش می‌یابد. این مسئله باعث می‌شود که مصرف انرژی شبکه افزایش پیدا کند؛ درست همان‌طور‌که در بازار صعودی بیت‌کوین در سال ۲۰۲۰ شاهد بودیم.

بی‌شک برای دارایی‌ای همچون 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 اندکی موشکافانه‌تر به منابع انرژی تأمین‌کننده برق مصرفی بنگریم. همچنین، بد نیست باز‌هم اشاره کنیم که انرژی مصرف‌شده درواقع تضمین‌کننده ارزشی است که در سرتاسر شبکه جابه‌جا می‌شود. به‌بیان ساده، بیت کوین از الکتریسیته استفاده می‌کند؛ اما منبع سوخت برای تولید برق برایش اهمیتی ندارد. چه زغال‌سنگ فشرده باشد، چه منابع تمیزتری همچون 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 صرفاً به‌واسطه سرمایه قفل‌شده اعتبارسنج به او داده می‌شود 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.

اگرچه در نگاه اول این الگوریتم انرژی کمتری مصرف می‌کند و کارآمدتر به‌نظر می‌رسد، درنهایت 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.

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

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

آخرین نکته‌ای که باید در الگوریتم اثبات سهام در نظر بگیریم، مسئله قدرت رأی‌گیری در این الگوریتم است که به‌واسطه میزان سهام اعتبارسنج تعیین می‌شود. در شبکه‌های مبتنی‌بر اثبات سهام، هرچه سهام اعتبارسنج بیشتر باشد، احتمال دریافت سود بیشتری از سایر سهام‌گذاران دارد. همین موضوع می‌تواند قدرت را در شبکه به‌سمت متمرکزشدن پیش ببرد.

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

جمع‌بندی

همان‌طور‌که خواندید، این مقاله سنت‌شکن زاویه‌دید متفاوتی برای بررسی ضعف‌‌ها و قدرت‌های الگوریتم‌های اثبات کار و اثبات سهام برگزید. در این مطلب، با نگاهی به پیش‌زمینه تاریخی اثبات کار، به دلیل پیدایش و ضرورت به‌کارگیری آن در شبکه پولی بین‌المللی پی بردیم. سپس، به این نکته توجه کردیم که با‌‌‌توجه‌‌‌به انرژی‌ای که صرف تأمین سرمایه و دارایی سهام‌گذاران می‌شود، مسئله کاهش انرژی مصرفی در الگوریتم اثبات سهام ممکن است اندکی بزرگ‌نمایی‌شده باشد. علاوه‌بر‌این، 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 سازوکار 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 می‌شود. 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 باعث می‌شود 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 ارائه 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 ممکن است از‌طریقی به‌دست آید که به زیست‌بوم آسیب می‌زند. علاوه‌بر‌این، 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 با وجود حملات مکرر جامعه و سیاست‌مداران و حتی اقتصاددانان، در طولانی‌مدت هم بادوام و هم مطمئن به‌نظر می‌رسد.