الگوریتم اثبات سهام (Proof of Stake) یا PoS یکی از مکانیسم‌های اجماع کلیدی در دنیای بلاکچین و ارزهای دیجیتال است که برای تأمین امنیت و اعتبارسنجی تراکنش‌ها در شبکه‌های غیرمتمرکز مورد استفاده قرار می‌گیرد. غیرمتمرکز بودن، از ویژگی‌های بنیادین ارزهای دیجیتال است و امکان انجام تراکنش‌ها را بدون واسطه و صرفاً بین دو طرف فراهم می‌کند، در نتیجه از دستکاری شبکه توسط سازمان‌ها، نهادها و دولت‌ها جلوگیری می‌شود. برای تحقق این سیستم غیرمتمرکز، به مکانیسم‌های نظارتی خودگردان نیاز است که الگوریتم‌های اجماع مانند اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) این نقش را ایفا می‌کنند. در این مقاله، به بررسی دقیق الگوریتم اثبات سهام می‌پردازیم. برخلاف الگوریتم PoW که به انرژی و قدرت پردازشی بالایی نیاز دارد، PoS با تکیه بر دارایی‌های کاربران در شبکه، به آنها اجازه می‌دهد تا به جای استخراج، در فرآیند اعتبارسنجی مشارکت کنند. این رویکرد نوآورانه، با کاهش مصرف انرژی و بهبود مقیاس‌پذیری، به عنوان یک گزینه کارآمد در صنعت بلاکچین مطرح شده است. در ادامه، به زبانی ساده به عملکرد PoS، مزایا و معایب آن خواهیم پرداخت.
الگوریتم اثبات سهام چیست؟
الگوریتم اثبات سهام (PoS) یکی از روش‌های اجماع در شبکه‌های بلاک چین است. پیش از بررسی این الگوریتم، ابتدا لازم است مفهوم الگوریتم اجماع را مرور کنیم.
در شبکه‌های غیرمتمرکز، الگوریتم اجماع مکانیزمی است که به کاربران امکان می‌دهد تا بر سر تراکنش‌ها و بلوک‌های جدید به توافق برسند. به عنوان مثال، در شبکه‌هایی مثل بیت‌کوین، تمامی کاربران در نظارت و مدیریت شبکه نقش دارند و می‌توانند ادعا کنند که بخشی از مالکیت شبکه را در اختیار دارند. اما یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های چنین شبکه‌هایی، حفظ امنیت است.
در الگوریتم PoS، کاربران با خریداری و سهام‌گذاری (Staking) توکن‌های بومی شبکه، در اعتبارسنجی و تولید بلوک‌ها مشارکت می‌کنند. توکن‌ها در این فرآیند به‌صورت موقت قفل می‌شوند و اعتبارسنج‌ها (Forgers) بر اساس مقدار سهامی که دارند، پاداش می‌گیرند. میزان این پاداش بر اساس نرخ بازده سرمایه‌گذاری (RoI) محاسبه شده و به نودهای شبکه انگیزه می‌دهد تا وظیفه اعتبارسنجی را به درستی انجام دهند. در PoS، حمله به شبکه بسیار پیچیده است؛ زیرا مهاجم برای موفقیت در این امر باید حداقل ۴۰ درصد از توکن‌ها را در اختیار داشته باشد، که با توجه به اصل عرضه و تقاضا، این کار دشوار و پرهزینه است و به احتمال زیاد با کاهش ارزش توکن‌ها، خود مهاجم نیز دچار ضرر خواهد شد.
نخستین ارز دیجیتالی که از PoS استفاده کرد، Peercoin بود. امروزه ارزهایی مانند Polkadot ، EOS، Tezos و Cardano از این روش یا نسخه‌های اصلاح‌شده آن بهره می‌برند. اتریوم نیز اخیراً از الگوریتم اثبات کار به PoS مهاجرت کرده است. PoS در مقایسه با الگوریتم اثبات کار، انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کند و تأثیرات زیست‌محیطی کمتری دارد. همچنین این الگوریتم مقیاس‌پذیری شبکه را بهبود می‌بخشد و به همین دلیل، تراکنش‌ها سریع‌تر و ارزان‌تر انجام می‌شوند.
بیشتر بخوانید:
نحوه کارکرد الگوریتم PoS
در قلب الگوریتم اثبات سهام (PoS) ، فرآیندی شبه‌تصادفی برای انتخاب گره‌ای که بلوک بعدی را اعتبارسنجی می‌کند، سیستم‌های مبتنی بر اثبات سهام (PoS) برای انتخاب اعتبارسنج‌ها، از ترکیبی از مکانیزم‌هایی مانند مدت زمان سهام‌گذاری و تصادفی‌سازی استفاده می‌کنند. این روش‌ها به ایجاد تعادل میان مشارکت‌کنندگان شبکه کمک کرده و از تسلط نودهای ثروتمند بر شبکه جلوگیری می‌کنند. بسیاری از ارزهای دیجیتال ابتدا با الگوریتم اثبات کار (PoW) شروع می‌کنند و سپس به اثبات سهام (PoS) مهاجرت می‌کنند. در این فرآیند، نقش ماینرها جای خود را به اعتبارسنج‌ها می‌دهد که وظیفه تأیید تراکنش‌ها و افزودن بلوک‌های جدید به بلاکچین را بر عهده دارند. به‌عنوان پاداش، آنها سهمی از توکن‌های بومی شبکه دریافت می‌کنند.
برای شرکت در این فرآیند، اعتبارسنج‌ها باید مقدار مشخصی از توکن‌های شبکه را به‌عنوان سهام قفل کنند. میزان سهام، شانس انتخاب شدن به‌عنوان اعتبارسنج را افزایش می‌دهد، یعنی هرچه مقدار سهام بیشتر باشد، احتمال انتخاب شدن نیز بیشتر است. با این حال، برای حفظ تعادل و جلوگیری از تسلط نودهای با سهام زیاد، مکانیزم‌های مختلفی برای انتخاب اعتبارسنج‌ها به کار می‌رود.
دو روش اصلی برای انتخاب اعتبارسنج‌ها عبارتند از:
- انتخاب تصادفی: در این روش، نودها بر اساس دو عامل انتخاب می‌شوند: کمترین هش و بیشترین میزان سهام. از آنجا که مقدار سهام نودها در شبکه شفاف است، می‌توان به‌طور نسبی پیش‌بینی کرد که کدام نود احتمال بیشتری برای اعتبارسنجی بلوک بعدی دارد.
- انتخاب بر اساس مدت زمان سهام‌گذاری: در این رویکرد، نودهایی که توکن‌های خود را برای مدت طولانی‌تری قفل کرده‌اند، اولویت انتخاب به‌عنوان اعتبارسنج را دارند. پس از اینکه نودی بلوکی را اعتبارسنجی کرد، مدت زمان سهام آن نود به صفر می‌رسد و باید مدت زمانی بگذرد تا دوباره بتواند به‌عنوان اعتبارسنج انتخاب شود. این روش مانع از تسلط نودهایی می‌شود که حجم زیادی از سهام را در اختیار دارند.
علاوه بر این دو روش، برخی شبکه‌ها از تکنیک‌های دیگری نیز برای انتخاب اعتبارسنج‌ها استفاده می‌کنند. به‌عنوان مثال، در اوایل اجرای PoS در شبکه اتریوم، محدودیت‌هایی برای میزان سهام مجاز برای اعتبارسنجی اعمال شده بود تا از تمرکز زیاد سهام در دستان نودهای خاص جلوگیری شود. این مکانیزم‌ها به حفظ امنیت و پایداری شبکه کمک می‌کنند و امکان توزیع عادلانه‌تر فرصت‌های اعتبارسنجی را در بین مشارکت‌کنندگان فراهم می‌کنند.
مزایای الگوریتم اثبات سهام (PoS)
الگوریتم اثبات سهام (PoS) یکی از مکانیزم‌های محبوب در دنیای بلاکچین است که به دلیل کارایی بالا و امنیت بهبود‌یافته، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این الگوریتم، هم برای عملکرد شبکه و هم برای دارندگان توکن‌ها مزایایی را به همراه دارد که در ادامه به آنها می‌پردازیم.
مزایا الگوریتم اثبات سهام (PoS) برای شبکه
الگوریتم اثبات سهام (PoS) از چند جهت به بهبود کارایی و امنیت شبکه کمک می‌کند. برخلاف الگوریتم اثبات کار (PoW) که نیازمند محاسبات پیچیده و مصرف زیاد انرژی است، PoS با استفاده از توکن‌های بومی شبکه برای فرآیند اعتبارسنجی، کارآمدتر و بهینه‌تر عمل می‌کند. این تغییر رویکرد، مصرف انرژی را به شدت کاهش می‌دهد و باعث افزایش کارایی شبکه می‌شود.
یکی از مزایای کلیدی PoS، سرعت بالای نهایی شدن تراکنش‌ها است. در این الگوریتم، تولید بلوک‌ها و دستیابی به اجماع سریع‌تر از PoW انجام می‌شود. نتیجه آن، افزایش قابل توجه تعداد تراکنش‌های در ثانیه (TPS) و سرعت بیشتر انتقال دارایی‌های دیجیتالی است. شبکه‌های مبتنی بر PoS به دلیل این سرعت، می‌توانند حجم بالاتری از تراکنش‌ها را پردازش کنند و در کاربردهای مالی مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
امنیت شبکه‌های PoS نیز به طور قابل توجهی به انگیزه‌های اقتصادی اعتبارسنج‌ها وابسته است. اعتبارسنج‌ها برای شرکت در تأیید تراکنش‌ها و حفظ امنیت شبکه، باید مقدار قابل توجهی از توکن‌های بومی را به‌عنوان وثیقه قفل کنند. این موضوع باعث می‌شود اعتبارسنج‌ها تمایل بیشتری به حفظ امنیت شبکه داشته باشند، چرا که هرگونه نقص امنیتی، ارزش توکن‌های آنها را کاهش می‌دهد. همچنین، مکانیزم «اسلشینگ» (Slashing) که منجر به از دست رفتن دارایی‌های سهام‌گذاری‌شده در صورت رفتارهای نادرست می‌شود، به عنوان عاملی بازدارنده در برابر تقلب و حملات عمل می‌کند.
در مجموع، PoS در مقایسه با PoW مزایای زیر را برای شبکه فراهم می‌کند:
- مصرف انرژی به‌مراتب کمتر: PoS برخلاف PoW نیازی به دستگاه‌های ماینینگ پرمصرف ندارد و در نتیجه هزینه انرژی به شدت کاهش می‌یابد.
- سرعت بالاتر پردازش تراکنش‌ها: الگوریتم PoS به دلیل عدم وابستگی به ماینینگ، تراکنش‌ها را سریع‌تر پردازش کرده و در زمان کمتری به اجماع می‌رسد.
- افزایش امنیت و پایداری شبکه: اعتبارسنج‌ها به دلیل داشتن سهام قفل‌شده، انگیزه بیشتری برای حفظ امنیت شبکه دارند. مکانیزم‌هایی مانند اسلشینگ نیز از رفتارهای مخرب جلوگیری می‌کنند.
البته، الگوریتم PoS بدون چالش نیست و در برابر حملاتی مانند «هیچ در خطر نیست» (Nothing at Stake) و حملات دوربرد آسیب‌پذیر است. با این حال، این چالش‌ها به تدریج با بهبودهای فنی در الگوریتم‌های PoS در حال کاهش است و توسعه‌دهندگان به‌طور مداوم در تلاش‌اند تا این نقاط ضعف را رفع کنند.
مزایا الگوریتم اثبات سهام (PoS) برای دارندگان کوین‌های شبکه
یکی دیگر از مزایای PoS، پاداش‌دهی به دارندگان توکن‌ها است. در این الگوریتم، کاربران می‌توانند صرفاً با نگهداری کوین‌های خود در کیف پول، پاداش غیرفعال کسب کنند. برخلاف PoW که نیازمند تجهیزات ماینینگ و مصرف انرژی است، در PoS کاربران می‌توانند با سهام‌گذاری (Staking) توکن‌های خود در شبکه، بدون نیاز به فعالیت خاصی، به امنیت شبکه کمک کرده و از این طریق درآمد کسب کنند.
علاوه بر این، در PoS امکان واگذاری سهام نیز وجود دارد. به این معنا که کاربران می‌توانند توکن‌های خود را به اعتبارسنج‌های شبکه واگذار کنند تا به نمایندگی از آنها در فرآیند تأیید تراکنش‌ها مشارکت کنند. اعتبارسنج‌ها، پس از تأیید تراکنش‌ها، پاداش دریافتی را با کاربرانی که سهام خود را به آنها واگذار کرده‌اند تقسیم می‌کنند. این روش، به دارندگان توکن‌هایی که نمی‌خواهند مستقیماً در فرآیند اعتبارسنجی شرکت کنند، اما همچنان تمایل به کسب درآمد دارند، امکان می‌دهد تا از طریق واگذاری سهام خود به این هدف دست یابند.
مزایای PoS برای دارندگان توکن‌ها شامل موارد زیر است:
- کسب پاداش بدون نیاز به فعالیت: کاربران با نگهداری توکن‌های خود در شبکه می‌توانند به‌طور غیرفعال پاداش دریافت کنند.
- امکان واگذاری سهام: حتی اگر کاربران مستقیماً در فرآیند اعتبارسنجی شرکت نکنند، می‌توانند با واگذاری توکن‌های خود به اعتبارسنج‌ها، در سود حاصل از تأیید تراکنش‌ها شریک شوند.
معایب الگوریتم اثبات سهام (PoS)
الگوریتم اثبات سهام (PoS) با وجود مزایای قابل توجهی که دارد، همچنان با چالش‌ها و معایبی مواجه است. یکی از مهم‌ترین مشکلات PoS، پیچیدگی در طراحی انگیزه‌ها و مشوق‌هاست. برخلاف اثبات کار (PoW)، PoS به ساختار پیچیده‌تری از تئوری بازی‌ها متکی است که به تحلیل رفتار مشارکت‌کنندگان و انگیزه‌دادن به آنها برای رفتار صحیح در شبکه می‌پردازد.
تهدیدهای PoS: حمله دوربرد و Nothing at Stake
دو تهدید اصلی در PoS، حمله دوربرد (Long-Range Attack) و حمله Nothing at Stake است.
- حمله دوربرد زمانی رخ می‌دهد که یک هکر از ابتدای زنجیره، یعنی از بلوک جنسیس، اقدام به ایجاد یک شاخه جدید از بلاکچین می‌کند و سعی دارد کنترل شبکه را به دست بگیرد. این حمله به دلیل ماهیت آن که از گذشته شروع می‌شود، خطرناک‌تر است.
- حمله Nothing at Stake، به دلیل کمبود انگیزه کافی برای اعتبارسنج‌ها در انتخاب صحیح زنجیره، می‌تواند مشکل‌ساز باشد. در این نوع حمله، اعتبارسنج‌ها می‌توانند به راحتی چندین زنجیره مختلف را تأیید کنند زیرا برخلاف PoW، در PoS هزینه‌ای برای این کار متحمل نمی‌شوند.
پیچیدگی تئوری بازی در PoS
در PoS، تئوری بازی نقش مهمی در تحلیل رفتار کاربران و اعتبارسنج‌ها ایفا می‌کند. این تئوری با هدف بررسی رفتار عقلانی مشارکت‌کنندگان در شبکه به کار گرفته می‌شود. در این زمینه، شبکه باید طوری طراحی شود که کاربران با انگیزه‌های اقتصادی به رفتار صادقانه و تأمین امنیت شبکه ترغیب شوند. اما همین پیچیدگی، گاهی به چالش‌هایی منجر می‌شود که در الگوریتم‌های ساده‌تری مثل PoW کمتر دیده می‌شود.
امنیت شبکه بلاکچین و نقش اعتبارسنج‌ها
در PoS، امنیت شبکه به میزان سهام اعتبارسنج‌ها وابسته است. کاربران و اعتبارسنج‌ها با استفاده از دارایی‌های خود در فرآیند اعتبارسنجی و ایجاد بلوک‌ها مشارکت می‌کنند. هرگونه رفتار مخرب مانند تأیید تراکنش‌های نامعتبر یا ایجاد بلوک‌های فرعی، می‌تواند به شبکه آسیب بزند. برای جلوگیری از این حملات، الگوریتم‌های PoS با مکانیزم‌هایی مانند اسلشینگ (Slashing) برای مجازات رفتارهای نادرست همراه هستند. اسلشینگ باعث از دست رفتن دارایی اعتبارسنجی می‌شود که به‌طور نادرست عمل کرده است.
الگوریتم اثبات سهام (PoS) اگرچه از کارایی و مصرف انرژی بهتری نسبت به PoW برخوردار است، اما با مشکلاتی مانند حملات دوربرد و Nothing at Stake مواجه است. همچنین، پیچیدگی‌های ناشی از تئوری بازی و نیاز به طراحی دقیق سیستم مشوق‌ها، چالش‌های امنیتی جدیدی را به همراه دارد که باید به‌دقت مدیریت شوند.
چه ارزهای دیجیتالی از الگوریتم PoS استفاده می‌کنند؟
در ادامه، چهار پروژه شناخته‌شده را معرفی می‌کنیم که یا در حال حاضر از الگوریتم اثبات سهام بهره می‌برند یا در آینده از آن استفاده خواهند کرد.
اتریوم Ethereum
اتریوم در حال حاضر از الگوریتم اثبات کار (PoW) استفاده می‌کند، اما به‌زودی به الگوریتم اثبات سهام (PoS) مهاجرت خواهد کرد. این انتقال با استفاده از پروتکل کسپر انجام می‌شود که برای حل چالش‌های الگوریتم‌های اثبات سهام، به‌ویژه حمله‌ی “Nothing at Stake”، طراحی شده است.
حمله‌ی “Nothing at Stake” (سرمایه‌گذاری روی هیچ چیز) به این صورت عمل می‌کند: فرض کنید زنجیره‌ی اصلی (آبی) تا بلوک 53 پیش رفته است. یک زنجیره‌ی فرعی مخرب (قرمز) از بلوک 50 شروع شده و ماینرها یا کاربران مخرب به استخراج بلوک‌های 51 و 52 در این زنجیره ادامه می‌دهند تا از زنجیره‌ی اصلی پیشی بگیرند. پروتکل کسپر برای جلوگیری از چنین حملاتی طراحی شده است.
فرض کنید در یک بلاکچین مبتنی بر اثبات سهام (PoS)، زنجیره‌ای فرعی (قرمز) از زنجیره‌ی اصلی (آبی) پیشی می‌گیرد. در این صورت، تراکنش‌های بلوک‌های 51، 52 و 53 در زنجیره‌ی آبی بی‌اعتبار می‌شوند. یک ماینر مخرب می‌تواند به استخراج در زنجیره‌ی قرمز ادامه دهد، اما هیچ ماینر دیگری به او نخواهد پیوست؛ زیرا پیوستن به زنجیره‌ی طولانی‌تر سودمندتر و کم‌ریسک‌تر است. در الگوریتم اثبات کار (PoW)، این سناریو به دلیل هزینه‌های بالای استخراج غیرممکن است. در PoW، یک زنجیره‌ی فرعی کوتاه‌تر بی‌ارزش است، و هیچ‌کس هزینه‌های استخراج آن را متحمل نمی‌شود.
برخلاف PoW، در PoS، ماینرها می‌توانند به‌راحتی در هر دو زنجیره سرمایه‌گذاری کرده و از سود هر دو بهره‌مند شوند، بدون هیچ ریسکی. این مشکل، به “Nothing at Stake” معروف است. اتریوم با استفاده از پروتکل کسپر این مشکل را حل کرده است. اما پروتکل کسپر چیست و چگونه کار می‌کند؟
پروتکل کسپر
با مکانیسم اجماع اثبات سهام، پروتکل کسپر از یک سیستم تنبیهی هوشمند برای حفظ امنیت شبکه استفاده می‌کند. اعتبارسنج‌ها با قفل کردن بخشی از اتر خود، در فرآیند تأیید بلوک‌ها شرکت می‌کنند و بر اساس انتخاب‌هایشان، به سود می‌رسند یا مجازات می‌شوند. این شرط‌بندی هوشمندانه، از هرگونه رفتار مخرب جلوگیری کرده و ثبات شبکه را تضمین می‌کند؛ چرا که هر گونه انحراف از قواعد، به از دست رفتن کل سرمایه اعتبارسنج منجر می‌شود.
EOS
هدف پروژه EOS، ایجاد یک سیستم عامل غیرمتمرکز برای میزبانی برنامه‌های غیرمتمرکز در مقیاس صنعتی است. ایاس با استفاده از الگوریتم DPOS (اثبات سهام غیرمتمرکز)، توانایی پردازش میلیون‌ها تراکنش در ثانیه را دارد. در این الگوریتم، 21 “تولیدکننده بلوک” از بین اعتبارسنج‌ها، از طریق یک سیستم رای‌گیری دائمی انتخاب می‌شوند. این تولیدکنندگان بلوک، وظیفه نظارت بر سلامت شبکه، تأیید بلوک‌ها و تضمین عملکرد صحیح آن را بر عهده دارند. سرعت بالای DPOS نسبت به دیگر الگوریتم‌های اثبات سهام، به دلیل محدودیت تعداد گره‌های شرکت‌کننده در فرآیند اعتبارسنجی است.
TEZOS
TEZOS، یک شبکه‌ی بلاک چینی غیرمتمرکز و خودگردان است که بر مبنای قراردادهای هوشمند عمل می‌کند و در عرض کمتر از دو هفته، بیش از 230 میلیون دلار در ICO خود جذب سرمایه کرد. مکانیسم اجماع نوآورانه‌ی آن، Liquid) LPOS Proof-of-Stake)، به کاربران اجازه می‌دهد به‌طور مستقیم و به‌صورت فوری نمایندگان خود را انتخاب کنند، برخلاف روش کندتر DPOS. برای مشارکت در فرآیند اعتبارسنجی و تأیید تراکنش‌ها موسوم به “پختن” یا( Baking)، کاربران باید مقداری از توکن‌های تزوس خود را قفل کنند. این عمل به آنها اجازه می‌دهد تا بلوک‌های جدید ایجاد کنند و به‌عنوان “آشپز” (Baker) در امنیت و عملکرد شبکه سهیم باشند.
DASH
DASH، ارز دیجیتال مشهور و پرطرفدار، که پیش‌تر با نام «دارک کوین» شناخته می‌شد، با قابلیت‌های منحصر به فردی همچون تراکنش‌های خصوصی (PrivateSend) و تراکنش‌های فوری (InstantSend) شناخته می‌شود. اگرچه از بیت کوین منشأ گرفته، DASH برخلاف تصور بسیاری، از الگوریتم اثبات کار (PoW) استفاده می‌کند. سیستم نوآورانه‌ی Masternodeها در DASH، به کاربران اجازه می‌دهد با راه‌اندازی یک Masternode و سرمایه‌گذاری حداقل هزار کوین DASH، خدمات ویژه ای به شبکه ارائه داده و در امنیت و عملکرد آن سهیم شوند Masternode .ها مشابه Full nodeهای بیت کوین عمل می‌کنند، با این تفاوت که وظایف خاص و نیازمند سرمایه‌گذاری اولیه دارند.ثث
سخن پایانی
الگوریتم اثبات سهام (PoS) به عنوان یک روش اجماع در بلاک‌چین‌هایی مانند ایاس و دش عمل می‌کند و به جای استفاده از سخت‌افزارهای مخصوص برای استخراج، از سهام‌گذاری ارزهای بومی برای تأیید اعتبار بلوک‌ها بهره می‌برد.
این الگوریتم مزایای زیادی دارد، از جمله کاهش مصرف انرژی، افزایش سرعت تراکنش‌ها و بهبود مقیاس‌پذیری شبکه. همچنین، PoS مانع از خروج سرمایه از اکوسیستم ارزهای دیجیتال برای خرید سخت‌افزارهای ماینینگ می‌شود و می‌تواند چالش‌های مهمی مانند مصرف انرژی را حل کند.