درک اثبات کار در بلاک چین

اثبات کار (PoW) یک مکانیسم اجماع اساسی است که در فناوری بلاک چین برای اطمینان از یکپارچگی و امنیت تراکنش ها در یک شبکه غیرمتمرکز استفاده می شود. این سیستم از شرکت کنندگانی که به عنوان ماینرها شناخته می شوند، نیاز دارد تا پازل های محاسباتی را برای اعتبارسنجی تراکنش ها و اضافه کردن بلوک های جدید به زنجیره بلوک حل کنند. در اینجا، مفهوم، مکانیک و مفاهیم PoW را به تفصیل شرح می دهیم.

مسئله محاسباتی

در قلب PoW یک پازل رمزنگاری طراحی شده است که حل آن از نظر محاسباتی دشوار است اما تأیید آن ساده است. این فرآیند شامل رقابت ماینرها برای یافتن الف است هیچ، یک عدد تصادفی که وقتی با داده‌های بلوک ترکیب می‌شود و از یک تابع هش عبور می‌کند (مثلا SHA-256 در بیت‌کوین)، هش را ایجاد می‌کند که شرایط خاصی را برآورده می‌کند. برای مثال، هش ممکن است نیاز داشته باشد که با تعداد معینی از صفر شروع شود (مثلاً 000000abc…).

این وظیفه ذاتاً یک فرآیند آزمون و خطا است زیرا هیچ میانبر الگوریتمی برای یافتن nonce وجود ندارد. ماینرها به طور مکرر nonce را تغییر می دهند و داده ها را مجدداً بازنویسی می کنند تا زمانی که یک هش معتبر پیدا کنند. این تلاش محاسباتی تضمین می کند که ماینرها منابع دنیای واقعی مانند برق و توان محاسباتی را برای مشارکت در شبکه صرف می کنند.

تنظیم سختی

برای حفظ زمان ایجاد بلوک ثابت، شبکه سختی پازل را تنظیم می کند. به عنوان مثال، در بیت کوین، هدف استخراج یک بلوک تقریباً هر 10 دقیقه است.

• افزایش در سختی: اگر ماینرها به طور جمعی پازل ها را سریعتر از زمان مورد نظر حل کنند، دشواری افزایش می یابد. به عنوان مثال، اگر متوسط ​​زمان بلوک به دلیل افزایش توان محاسباتی به 8 دقیقه کاهش یابد، شبکه مشکل را افزایش می دهد.

• کاهش در سختی: برعکس، اگر ماینرها شبکه را ترک کنند و کل توان محاسباتی کاهش یابد، دشواری برای حفظ هدف 10 دقیقه ای کاهش می یابد.

دشواری با تعداد صفرهای اصلی مورد نیاز در هش تعیین می شود، که به طور تصاعدی تلاش محاسباتی مورد نیاز را افزایش می دهد.

مصرف انرژی

استخراج در سیستم‌های PoW نیازمند منابع است. ماینرها از سخت افزارهای تخصصی استفاده می کنند، مانند ASIC (مدارهای مجتمع ویژه برنامه)، که مقادیر قابل توجهی برق مصرف می کنند. این تضمین می‌کند که مشارکت مستلزم سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی است و از نظر اقتصادی حمله به شبکه را برای بازیگران مخرب غیرعملی می‌سازد.

مثال تاثیر محیطی:

بیت کوین را در نظر بگیرید که عملیات استخراج جهانی آن سالانه بیشتر از برخی کشورها برق مصرف می کند. این امر منجر به نگرانی در مورد انتشار کربن شده است، به ویژه زمانی که استخراج معادن به منابع انرژی تجدید ناپذیر متکی است. تلاش‌ها برای کاهش این تأثیر با انتقال به انرژی‌های تجدیدپذیر در حال انجام است.

جوایز برای ماینرها

ماینرها برای شرکت در سیستم های PoW از طریق پاداش تشویق می شوند:

بلاک کردن جوایز: هنگامی که یک ماینر با موفقیت این معما را حل می کند، یک پاداش بلوک دریافت می کند که مقدار ثابتی از ارز دیجیتال است. به عنوان مثال، در بیت کوین، پاداش از 50 بیت کوین در هر بلوک شروع می شود و تقریباً هر چهار سال یک بار «نصف» می شود. از سال 2025، پاداش 6.25 BTC در هر بلوک است.

کارمزد تراکنش: ماینرها همچنین برای اولویت بندی تراکنش ها، کارمزد تراکنش را از کاربرانی که آنها را شامل می شوند، جمع آوری می کنند. همانطور که پاداش های بلوک در طول زمان کاهش می یابد، انتظار می رود کارمزد تراکنش به انگیزه مهم تری تبدیل شود.

تأیید و اجماع

هنگامی که یک ماینر راه حلی پیدا می کند، آن را به شبکه پخش می کند. گره های دیگر به سرعت راه حل را با بررسی هش در برابر هدف دشواری تأیید می کنند. اگر معتبر باشد، بلوک به بلاک چین اضافه می شود و فرآیند برای بلوک بعدی آغاز می شود.

شبکه به آن پایبند است طولانی ترین قانون زنجیره ای، یعنی زنجیره معتبر با بیشترین کار محاسباتی انباشته شده به عنوان زنجیره واقعی پذیرفته می شود. این امر از درگیری ها جلوگیری می کند و اجماع را تضمین می کند.

امنیت و تغییر ناپذیری

PoW نقش مهمی در تضمین امنیت بلاک چین دارد:

• تغییرناپذیری: هر بلوک به هش بلوک قبلی اشاره می کند و یک زنجیره ایجاد می کند. تغییر هر داده در یک بلوک، هش آن را تغییر می‌دهد و زنجیره را می‌شکند. برای دستکاری یک بلوک، یک مهاجم باید PoW را برای آن بلوک و همه بلوک‌های بعدی دوباره انجام دهد – یک کار محاسباتی غیرممکن برای شبکه‌های بزرگ.

• 51 درصد حمله: در حالی که از نظر تئوری امکان پذیر است، یک مهاجم باید بیش از 50 درصد از کل توان محاسباتی شبکه را برای دستکاری زنجیره بلوکی کنترل کند. هزینه و منابع مورد نیاز برای این کار، چنین حملاتی را برای شبکه‌های تثبیت‌شده مانند بیت‌کوین غیرعملی می‌سازد.

نمونه ای از اثبات کار در عمل

یک بلوک بیت کوین را تصور کنید که شامل تراکنش هایی با مجموع 2 بیت کوین است. برای افزودن این بلوک به بلاک چین:

1. ماینرها تراکنش ها را جمع آوری می کنند و آنها را با هش بلوک قبلی و یک نانس تصادفی ترکیب می کنند.

2. آنها این ترکیب را به طور مکرر هش می کنند و هر بار نون را تغییر می دهند تا زمانی که هشی را پیدا کنند که شرایط سختی را برآورده کند (مثلاً با 10 صفر شروع می شود).

3. اولین ماینری که یک هش معتبر پیدا می کند، بلوک را برای تأیید به شبکه پخش می کند.

4. گره های دیگر راه حل را تأیید می کنند و اگر معتبر باشد، بلوک به زنجیره اضافه می شود. ماینر 6.25 بیت کوین به عنوان پاداش به اضافه کارمزد تراکنش دریافت می کند.

اشکالات اثبات کار

علیرغم استحکام آن، PoW محدودیت های قابل توجهی دارد:

1. انرژی بر: معدن نیاز به انرژی قابل توجهی دارد که به نگرانی های زیست محیطی کمک می کند.

2. خطرات متمرکز سازی: استخرهای استخراج بزرگ می توانند بر آن تسلط داشته باشند، تمرکززدایی را کاهش دهند و به طور بالقوه امنیت شبکه را تضعیف کنند.

3. معاملات آهسته: زمان لازم برای حل پازل ها، توان عملیاتی تراکنش را محدود می کند، و PoW را برای برنامه هایی که نیاز به پردازش با سرعت بالا دارند، کمتر مناسب می کند.

جایگزین های اثبات کار

برای رسیدگی به این مسائل، مکانیسم‌های اجماع جایگزین پدید آمده‌اند:

اثبات سهام (PoS):

• اعتباربخش ها بر اساس ارز دیجیتالی که دارند انتخاب می شوند و مایل به “سهم کردن” هستند.

• انرژی کارآمد و مقیاس پذیر، PoS شبکه هایی مانند اتریوم 2.0 را تقویت می کند.

اثبات سهام واگذار شده (DPoS):

• کاربران نمایندگانی را برای اعتبارسنجی تراکنش‌ها انتخاب می‌کنند که باعث می‌شود آن را سریع‌تر اما کمی کمتر غیرمتمرکز کنند.

اثبات اعتبار (PoA):

• اعتبار سنجی ها موجودیت های از پیش تایید شده ای هستند که برای بلاک چین های خصوصی که نیاز به کارایی بالایی دارند مناسب هستند.

نتیجه گیری

Proof of Work در موفقیت سیستم‌های بلاک چین اولیه مانند بیت‌کوین مؤثر بوده و مکانیزمی قوی برای اجماع و امنیت غیرمتمرکز ارائه می‌دهد. با این حال، مصرف انرژی و چالش‌های مقیاس‌پذیری آن، کاوش مدل‌های جایگزین را برانگیخته است. همانطور که فناوری بلاک چین در حال تکامل است، ایجاد تعادل بین امنیت، کارایی و پایداری محیطی همچنان یک هدف حیاتی است.

مراجع:

1. ناکاموتو، اس (2008). بیت کوین: یک سیستم نقدی الکترونیکی همتا به همتا.

2. Bonneau، J.، و همکاران. (2015). SoK: دیدگاه ها و چالش های تحقیق برای بیت کوین و ارزهای دیجیتال.

3. آنتونوپولوس، AM (2017). تسلط بر بیت کوین: باز کردن قفل ارزهای دیجیتال دیجیتال