پروتکل اثبات کار چیست و چه تفاوتی با اثبات سهام دارد؟

[نگار]

اگر اخبار اتریوم را دنبال کرده باشید در مورد تغییرات این بستر از پروتکل اثبات کار (Proof of Work) به اثبات سهام (Proof of Stake) خبرهایی شنیده‌اید.

در این مطلب به تفاوت‌های اصلی بین این دو پروتکل و تعریف عمل استخراج (یا همان فرایند ایجاد ارزهای دیجیتال در بستر شبکه) اشاره می کنیم و اینکه اگر جامعه اتریوم تصمیم به این اقدام بگیرد، چه چیزهایی تغییر می‌کند؟ این مطلب یک راهنمای مقدماتی برای درک مسائل پایه در این حوزه است.

پروتکل اثبات کار چیست؟
قبل از هر چیز به مباحث پایه اشاره می‌کنیم. هدف اصلی پروتکل اثبات کار جلوگیری از حملات سایبری مثل DDoS است که با ارسال درخواست‌های زیاد و تقلبی، باعث صرف منابع عظیم رایانه‌ای خواهند شد.
این پروتکل حتی قبل از بیت کوین هم وجود داشته است اما ساتوشی ناکاموتو از آن در ارز دیجیتال خود استفاده کرد و شیوه‌های سنتی انجام تراکنش را به کلی تغییر داد. این مفهوم ابتدا در مقاله‌ای توسط سینتیا وورک و مونی نائور در سال ۱۹۹۳ مطرح شد اما اصطلاح اثبات کار توسط مارکوس جکبسون و آری جولس در سال ۱۹۹۹ استفاده شد.
اما استفاده از این ایده، مهم‌ترین نوآوری بود که ناتومی در اوراق سفید بیت کوین در سال ۲۰۰۸ منتشر کرد چرا که این امر باعث ایجاد «توافق‌های توزیع شده و بدون نیاز به طرف سوم» شد.

توافق‌های توزیع شده و بدون نیاز به طرف سوم چه هستند؟
اگر شما بخواهید برای فردی دیگر پول بفرستید یا از او پول دریافت کنید دیگر نیازی به شخص یا موسسه واسطه نخواهید داشت.
وقتی از روش‌های سنتی پرداخت استفاده می‌کنید مجبورید از طرف سومی بخواهید تا مسئولیت انجام تراکنش را به عهده بگیرد، به عنوان مثال بانک‌ها، پی پال، مسترکارت و ویزا کارت جزو این دسته هستند. آن‌ها سوابق این تراکنش‌ها را در حساب هر مشتری ذخیره می‌کنند.
یا مثلا اگر علی برای محمد ۱۰۰ دلار بفرستد، طرف سوم یا واسطه، ۱۰۰ دلار را از حساب علی کم می‌کند و به حساب محمد اضافه می‌کند. هر دو طرف به این طرف واسطه اطمینان می‌کند تا این کار را درست انجام دهد.
با آمدن بیت کوین و سایر ارزهای دیجیتال، حالا هر کس یک کپی از دفتر کل (بلاک چین) دارد و دیگر نیازی به اعتماد به طرف سوم نیست چرا که خودتان می‌توانید به صورت مستقیم اطلاعات را تایید کنید.

اثبات کار و استخراج
این پروتکل نیازمند استفاده از قدرت رایانه‌های گران قیمت است. به این عمل استخراج می‌گویند که برای ایجاد گروهی از تراکنش‌های بی‌نیاز از واسطه (یا همان بلاک‌ها) روی دفتر کل توزیع شده ضروری هستند. استخراج کردن دو هدف دارد:
۱. برای تایید تراکنش یا جلوگیری از کلاه‌برداری به روش خرج دوباره پول.
۲. برای ایجاد ارز جدید دیجیتال از طریق جایزه دادن به استخراج کننده‌ها به خاطر انجام وظایف قبلی.

وقتی می‌خواهید یک تراکنش را انجام بدهید اتفاقی که در پشت صحنه می‌افتد این است:

• تراکنش‌ها در کنار هم جمع می‌شوند و یک بلاک را تشکیل می‌دهند.
  
• استخراج کننده‌ها اعتبار هر بلاک را تایید می‌کنند.
  
• برای انجام این کار باید یک مسئله ریاضی را حل کنند که به آن مسئله اثبات کار می‌گویند.
  
• پاداش به اولین استخراج کننده‌ای داده می‌شود که مسئله هر بلاک را حل کند.
  
• تراکنش‌های تایید شده در بلاک چین عمومی ذخیره می‌شوند.
  

این مسائل ریاضی یک ویژگی کلیدی دارند که آن عدم تقارن است. انجام این کار از طرف درخواست کننده سخت است اما تایید آن برای شبکه آسان است. به این ایده عملکرد هزینه CPU، مسئله کلاینت، مسئله محاسباتی یا عملکرد ارزش CPU می‌گویند.

تمام استخراج کننده‌های شبکه با هم رقابت می‌کنند تا اولین نفری باشند که برای مسئله ریاضی مربوط به بلاک مورد نظر، یک راه حل پیدا می‌کنند. مسئله‌ای که به راحتی قابل حل نیست و باید با تلاش زیاد اقدام به حل آن کرد. وقتی یک استخراج کننده جواب را پیدا کرد، در همان زمان خبر حل شدن را به تمام شبکه اعلام می‌کند و پاداش خود را که مقداری ارز دیجیتال است براساس پروتکل شبکه تحویل می‌گیرد.
از نقطه نظر فنی، عمل استخراج دقیقا برعکس عمل هش کردن است. در این عمل، استخراج کننده عدد صحیحی به نام نانس (nonce) را مشخص می‌کند تا مقدار هش رمزنگاری شده بلاک، کمتر از یک حد مشخص (threshold) باشد. این حد مشخص را سختی می‌نامند که مشخص کننده ماهیت رقابتی عمل استخراج است.
هر چقدر قدرت رایانه‌ای بیشتری به شبکه اضافه شود، این حد مشخص افزایش می‌یابد و در نتیجه تعداد محاسبات مورد نیاز برای حل بلاک جدید هم افزایش خواهد یافت. این روش باعث افزایش هزینه تولید بلاک جدید خواهد شد و استخراج کننده‌ها مجبور می‌شوند عملکرد سیستم استخراج خود را بهبود دهند تا این عمل از نظر اقتصادی به صرفه باشد. این اقدام باید تقریبا هر ۱۴ روز یکبار صورت گیرد و هر ۱۰ دقیقه یکبار هم یک بلاک جدید ایجاد می‌شود.

پروتکل اثبات کار فقط برای بلاک چین بیت کوین استفاده نمی‌شود بلکه در اتریوم و سایر بلاک چین‌ها هم استفاده می‌شود. البته یک سری از عملکردهای این پروتکل برای هر بلاک چینی به صورت خاص تعریف می‌شود که در این مبحث به آن‌ها اشاره نمی‌شود. مسئله مهم این است که بدانیم توسعه دهندگان اتریوم قصد دارند تا سیستم اثبات سهام را جایگزین اثبات کار کنند.

پروتکل اثبات سهام چیست؟
اثبات سهام یک روش دیگر برای تایید تراکنش‌ها و رسیدن به توافق درون شبکه است. این هم یک الگوریتم است و هدفش مثل اثبات کار است اما فرایند رسیدن به این هدف متفاوت است.

ایده استفاده از این روش اولین بار در انجمن bitcointalk در سال ۲۰۱۱ مطرح شد اما اولین ارز دیجیتالی که در سال ۲۰۱۲ از آن استفاده کرد Peercoin بود. ارزهای دیگری مثل ShadowCash، Nxt، BlackCoin، NuShares، NuBits، Qora و Nav Coin از این پروتکل استفاده کردند.
برخلاف پروتکل اثبات کار که به استخراج کننده‌ها به خاطر حل مسئله ریاضی پاداش می‌دهد، در پروتکل اثبات سهام، ایجاد کننده بلاک جدید از قبل براساس میزان ثروت یا سهامش مشخص شده است.

• هیچ پاداشی برای حل بلاک‌ها در کار نیست.
  
• از طرف دیگر، تمام ارزهای دیجیتال از قبل تولید شده است و میزان آن هم هرگز تغییر نمی‌کند.
  
• از آنجایی که هیچ پاداشی برای حل بلاک‌ها وجود ندارد به استخراج کننده‌ها نرخ تراکنش‌ها تعلق می‌گیرد.
  
• به همین دلیل به استخراج کننده‌ها در پروتکل اثبات سهام، فورجر (forger) می‌گویند.
  

چرا اتریوم می‌خواهد از اثبات سهام استفاده کند؟
جامعه اتریوم و موسس آن ویتالیک بوترین قصد دارد تا با انجام یک هارد فورک، به سیستم اثبات سهام منتقل شوند. اما چرا می‌خواهند چنین کاری را انجام بدهند؟

در سیستم توافق بر مبنای اثبات کار، استخراج کننده‌ها نیازمند صرف انرژی زیادی هستند. برای انجام یک تراکنش بیت کوین نیازمند همان مقدار انرژی برق است که ۱٫۵۷ خانواده آمریکایی در یک روز انرژی صرف می‌کنند. (این اطلاعات مربوط به سال ۲۰۱۵ است).
از آنجایی که پول این انرژی توسط ارزهای رایج پرداخت می‌شود، باعث ایجاد یک فشار ثابت روی ارزهای دیجیتال و در نتیجه کاهش ارزش آن‌ها می‌شود. نتایج تحقیقی که اخیرا منتشر شده نشان می‌دهد که تا سال ۲۰۲۰ انجام تراکنش‌های بیت کوین به اندازه برق مصرفی در کل کشور دانمارک خواهد شد.
همچنین پاداش برای ایجاد هر بلاک هم متفاوت است، در اثبات کار این امکان وجود دارد که استخراج کننده مالک هیچ کدام از ارزهای دیجیتالی که استخراج می‌کند، نباشد. در اثبات سهام، فورجرها همیشه مالک سکه‌های استخراج شده هستند.

فورجرها چطور انتخاب می‌شوند؟
اگر پروتکل کسپر (Casper) که یک مدل جدید از پروتکل اثبات سهام است، اجرایی شود استخری برای تایید کننده‌ها ایجاد می‌شود. کاربران می‌توانند به این استخر ملحق و به عنوان فورجر انتخاب شوند. این فرایند از طریق اجرای عملیاتی به نام قرارداد کسپر و ارسال اتر اجرایی خواهد شد. بوترین در توضیح این عمل می‌گوید: هیچ برنامه‌ای برای اولویت دادن به افرادی که می‌توانند به استخر وارد شوند وجود نخواهد داشت. هر کسی می‌تواند هر زمان که خواست به استخر ملحق شود و این موضوع به تعداد این افراد هم ربطی ندارد.

پاداش هر تایید کننده چیزی بین ۲ تا ۱۵ درصد خواهد بود هر چند هنوز چیزی معلوم نیست. البته بوترین اعلام کرده که هیچ محدودیتی در تعداد فورجرها (تایید کننده‌ها) وجود نخواهد داشت اما اگر تعداد آن‌ها زیاد باشد اقدام به کاهش نرخ سود و اگر تعداد آن‌ها کم باشد اقدام به افزایش نرخ سود خواهد شد.

آیا این پروتکل امن‌تر است؟
هر رایانه‌ای می‌خواهد که مورد هک قرار نگیرد به خصوص اگر پای خدمات مالی هم در میان باشد. بنابراین آیا این پروتکل امن‌تر است؟
متخصصان در این مورد اظهار نگرانی می‌کنند و عده‌ای در جامعه اتریوم هم به آن مشکوک هستند. استفاده از سیستم اثبات کار باعث می‌شود تا بازیگران مخرب بازار به لطف فناوری و اصول اقتصادی از مجموعه خارج شوند. حمله به سیستم‌های اثبات کار خیلی گران تمام می‌شود و برای حمله نیازمند پول بیشتری نسبت به پولی که قصد سرقت دارند، است. در مقابل اگر تمهیدات لازم در نظر گرفته نشود، حمله به سیستم‌های اثبات سهام ارزان‌تر است. برای حل این مسئله، بوترین پروتکل کسپر (Casper) را ایجاد کرده است که در شرایطی خاص، فورجر مهاجم می‌تواند تمام دارایی خود را از دست بدهد. او می‌گوید: با استفاده از کسپر، تایید کننده‌ها مجبور هستند مقداری سپرده را نزد شبکه نگه دارند و اگر پروتکل تشخیص دهد که از قوانین سیستم تخطی صورت گرفته، سپرده آن‌ها ضبط می‌شود.

نتیجه‌گیری
به لطف سیستم اثبات سهام، تایید کننده‌ها نیازی به استفاده از قدرت رایانه‌ای خود ندارند چرا که تنها عامل موثر در شانس آن‌ها، تعداد سکه‌ها و شرایط تعداد کاربران شبکه است.
بنابراین این تغییر با خود ۲ مزیت را به همراه می‌آورد:

•  ذخیره انرژی
  
•  به عنوان یک شبکه امن‌تر، حملات گران‌تر می‌شوند. اگر هکر بخواهد ۵۱ درصد سکه‌ها را خریداری کند بازار به سرعت واکنش نشان می‌دهد و قیمت‌ها به شدت افزایش می‌یابد.
  

به این صورت، کسپر یک پروتکل سپرده مالی است که روی اجماع اقتصادی سیستم استوار است. نودها (تایید کننده‌ها) باید سپرده‌ای را نزد شبکه بگذارند تا بتوانند بلوک‌های جدید را تایید کنند. پروتکل کسپر به لطف کنترل روی سپرده تایید کننده، میزان پاداش او را مشخص می‌کند. اگر یک تایید کننده، بلاک اشتباهی را ایجاد کند سپرده‌اش حذف می‌شود و امتیاز بخشی از شبکه تایید کننده‌ها را هم از دست می‌دهد.
به بیان دیگر، سیستم امنیتی کسپر براساس قانون شرط‌بندی است. در سیستم اثبات سهام، شرط‌ها همان تراکنش‌ها هستند و تایید کننده با شرط‌بندی روی هر زنجیره‌ای که تراکنش روی آن قرار دارد به او پاداش می‌دهد.