مقدمه

زمان زیادی از معرفی بلاک­چین، یک شبکۀ غیرمتمرکز توزیع­شده و از امن‎ترین پلتفرم‎های معاملاتی نگذشته و در همین مدت نیز بسیاری از معامله‎گران به­خوبی از تغییر­ناپذیری، توجه ویژه به حریم خصوصی، امنیت بالا و شفافیت قابل­توجه آن باخبر شده‎اند. البته باید اشاره کرد که هیچ مرجع مرکزی برای تأیید تراکنش‎ها در این سیستم وجود ندارد؛ با این حال، هر تراکنش در بستر بلاک­چین، کاملاً ایمن بوده و در زمان کوتاهی تأیید می‎شود. اما چگونه؟

این فرایند تأیید و توافق بر سر موضوعات و گره‎های گوناگون و ... تنها به­دلیل وجود الگوریتم اجماع امکان­پذیر است؛ الگوریتمی که یکی از بخش‎های اصلی هر شبکۀ بلاک­چین به شمار می‌رود.

اگر شما هم کنجکاو هستید تا در مورد این الگوریتم، کاربردهای آن، انواع الگوریتم اجماع و مزایا و معایب هرکدام و ... بیشتر بدانید، پس به هیچ وجه ادامۀ این متن را از دست ندهید.

الگوریتم اجماع چیست؟

الگوریتم اجماع یا Consensus Algorithms مکانیزمی است که در سیستم‌های کامپیوتری و بلاک­چین برای دستیابی به توافق لازم روی یک مقدار داده یا وضعیت واحد شبکه در میان فرایندهای توزیع­شده یا سیستم‌های چند­عاملی، مانند ارزهای دیجیتال، استفاده می‌شود که هر تعداد روشی که برای دستیابی به توافق، اعتماد و امنیت در سراسر یک شبکۀ غیرمتمرکز را شامل خواهد شد.

به بیانی دیگر، الگوریتم اجماع در بلاک­چین روشی است که از طریق آن همۀ همتایان شبکۀ بلاک­چین به یک توافق مشترک در مورد وضعیت فعلی دفتر کل توزیع­شده می‎رسند. الگوریتم‌های اجماع به قابلیت اطمینان در شبکۀ بلاک­چین دست می‌یابند و اعتماد بین همتایان ناشناخته را در یک محیط محاسباتی توزیع­شده ایجاد خواهند کرد.

ضرورت الگوریتم‎های اجماع

کاملاً ضروری است که همۀ عوامل در یک سیستم غیرمتمرکز توزیع­شده بتوانند در مورد یک موضوع به توافق برسند؛ حتی اگر برخی از عوامل به شکست بینجامد. به عبارت دیگر، سیستم باید کاملاً تحمل­پذیر باشد و بتواند از موانع عبور کند.
در یک شبکۀ متمرکز، یک موجودیت واحد بر کل شبکه احاطه داشته و به دور از سیستم حاکمیتی پیچیده و بروز مشکلات گوناگون در بحث اجماع بین مدیران، در بیشتر مواقع آن‌ها می‌توانند هر تغییری را که می‌خواهند، ایجاد نمایند.
اما در یک ساختار غیرمتمرکز، داستان کاملاً فرق می‎کند؛ فرض کنید که با یک پایگاه داده توزیع­شده کار می­کنید؛ چگونه می­توانید در مورد ورودی‎هایی که اضافه می­شوند، با همتایان خود به توافق برسید؟ چگونه می‎توانید با افرادی که حتی یک‎بار در زندگی آن‎ها را ملاقات نکرده‎اید، بر سر مسائل مهم و اساسی مالی و مدیریتی به یک توافق مشترک برسید؟
در ارزهای رمزنگاری­شده، موجودی کاربران در یک بلاک­چین جمع می‎شود و ضروری است که همه یک کپی مشابه از پایگاه داده را نگهداری کنند؛ در غیر این صورت، به­زودی افراد با اطلاعات متناقضی مواجه خواهند شد که می‎تواند کل هدف شبکۀ ارزهای دیجیتال را تضعیف کند.
بلاک­چین‌های عمومی که به­عنوان سیستم‎های غیرمتمرکز و با قابلیت تنظیم خودکار فعالیت می‎کنند، در مقیاس جهانی بدون هیچ­گونه مرجع واحدی کار می‎کنند. این پلتفرم به مشارکت صدها هزار شرکت­کننده نیاز دارد تا بر تأیید و احراز هویت تراکنش‎های انجام­شده و همچنین، فعالیت‎های استخراج در بلاک­چین کار کنند.
در چنین وضعیتی، دفتر کل به اشتراک گذاشته­شدۀ عمومی نیاز به مکانیزمی کارآمد، منصفانه، بدون تأخیر، با عملکردی قابل­اعتماد و ایمن دارد تا اطمینان حاصل شود که تمام تراکنش‌های انجام­شده در شبکه واقعی هستند و همۀ شرکت‌کنندگان بر سر یک اجماع توافق دارند.

رمزنگاری کلید عمومی تضمین می‌کند که کاربران نمی‎توانند سکه­های یکدیگر را خرج کنند؛ اما هنوز باید یک منبع وجود داشته باشد که مشارکت­کنندگان شبکه بتوانند به آن تکیه کنند یا بتوانند تعیین کنند که آیا بودجه پیش از این خرج شده است یا خیر؟

به جرأت می‎توان غلبه بر این چالش از طریق الگوریتم اجماع را در محیطی که غریبه‎ها به یکدیگر اعتماد ندارند، یکی از مهمترین پیشرفت‎های شبکۀ بلاک­چین به شمار آورد.

کاربردهای الگوریتم‎های اجماع در بلاک­چین

الگوریتم اجماع در بلاک­چین دارای کاربردهای متفاوتی است اما معمولاً اساسی‌ترین کاربرد این الگوریتم، به تصمیم­گیری در مورد نیاز به پیاده‎سازی یک تراکنش در یک محیط توزیع­شده برمی‎گردد که اکثر شبکه­های بلاک­چین از آن استفاده می‌کنند. همچنین، از این پلتفرم برای همگام‌سازی داده‌ها در سراسر شبکۀ غیرمتمرکز و اطمینان از دستیابی به سازگاری نیز استفاده می‌شود.
محبوبیت روزافزون بلاک­چین، الهام­بخش بسیاری از افراد برای ایجاد فعالیتی در این زمینه بوده و یکی از کاربردی‎ترین بخش‎های این سیستم که باید بسیار مورد­توجه قرار گیرد، Consensus Algorithms است که از اهداف خاصی نظیر توافق، همکاری، حقوق برابر برای هر گره و مشارکت اجباری هر گره در فرایند اجماع برخوردار است.

علاوه بر رسیدن به یک توافق مشترک، باید به ضرورت شفافیت و امکان تشخیص و اعتبار­سنجی توسط کاربران عادی شبکه با استفاده از این الگوریتم نیز اشاره کنیم.

درست کارنکردن الگوریتم‎های اجماع چه مشکلاتی در پی دارد؟

همان­گونه که پیش‎تر نیز گفته شد، الگوریتم اجماع یکی از بخش‌های مهم یک شبکۀ بلاک­چین به شمار رفته که در رسیدن به توافق مشترک و تأیید تراکنش‎ها و ایجاد شفافیت و ... نقش فوق‎العاده مهمی ایفا خواهد کرد؛ پس طبیعتاً عدم فعالیت صحیح این الگوریتم‎ها، موجب بروز اختلالات جدی در شبکه خواهد شد.

به بیان بهتر، امروزه الگوریتم‌های اجماع نه تنها زیربنای سیستم‌های پول دیجیتال، بلکه زنجیره‌های بلوکی هستند که به توسعه‌دهندگان اجازه می‌دهند تا کد را در یک شبکۀ توزیع‌شده اجرا کنند. آن‎ها اکنون سنگ­بنای فناوری بلاک­چین هستند و برای دوام طولانی­مدت شبکه­های مختلف، به­شدت حیاتی هستند و انتخاب عاقلانۀ یکی بر­اساس نیاز شبکۀ تجاری، بسیار مهم است؛ زیرا شبکه‌های بلاک­چین بدون الگوریتم‌های اجماع برای تأیید نمی‌توانند به­درستی کار کنند.

الگوریتم اجماع بهینه چه ویژگی‎هایی دارد؟

الگوریتم اجماعی که به­صورت بهینه فعالیت می‎کند، باید تضمین کند که اجماع با حداقل منابع، حفظ یکپارچگی و شفافیت در تصمیماتی که افراد خواهند گرفت، حاصل شده و از پس حل­کردن مشکلات ریز و درشت یک شبکۀ بلاک­چین بر بیاید.

انواع الگوریتم اجماع در بلاک­چین و مزایا و معایب هر الگوریتم

وجود انواع الگوریتم اجماع که براساس اصول متفاوتی عمل می‎کنند، یکی از مباحث بسیار مهم در بحث شناخت این پروتکل است که در ادامه، به توضیح کامل‎ آن‎ها و بررسی مزایا و معایب استفاده از هر کدام می‎پردازیم.

• الگوریتم اثبات کار (PoW)
  اثبات کار یا Proof of Work، محبوب­ترین مورد در بین انواع الگوریتم اجماع است که بیت­کوین، لایت­کوین و اتریوم از آن استفاده می‎کنند. با این حال، یکی از دشوارترین راه‎ها برای دستیابی به اجماع در یک بلاک­چین به شمار می‎رود؛ چرا که به مقدار قابل­توجهی از قدرت محاسباتی نیاز دارد.
  این الگوریتم با درخواست از ماینرها برای حل مسائل پیچیدۀ ریاضی فعالیت کرده و به محض اینکه هش حل شد، بلوک استخراج می‌شود و تراکنش در همان زمان اعتبار­سنجی خواهد شد.
  هش یک رشتۀ به­ظاهر تصادفی از حروف و اعداد است که هنگام اجرای داده‌ها از طریق یک تابع هش ایجاد می­شود و اگر دوباره همان داده‎ها را از طریق آن اجرا کنید، همواره با همان خروجی مواجه خواهید شد، اما اگر حتی یکی از جزئیات را تغییر دهید، هش شما کاملاً متفاوت خواهد بود.
  در  PoW، الگوریتم آنچه را که یک بلوک معتبر می‎کند، تعیین می­کند؛ به­عنوان مثال، ممکن است فقط بلوکی که هش آن با 00 شروع می‎شود، معتبر باشد و تنها راه ماینر برای ایجاد یکی که با آن ترکیب منطبق است، ورودی‌های brute-force  است. آن‌ها می‌توانند پارامتری را در داده‌های خود تغییر دهند تا برای هر حدس، نتیجۀ متفاوتی ایجاد کنند تا زمانی که هش مناسب را به دست آورند.
  تأیید اینکه شما واقعاً بلوک مناسب را ایجاد کرده‌اید یا خیر، برای شبکه چندان مهم نسیت؛ چرا که اگر تریلیون‌ها ترکیب را برای به­دست­آوردن هش مناسب نیز امتحان کرده باشید، آن‎ها فقط باید یک بار داده‌های شما را از طریق یک تابع اجرا خواهند کرد. اگر داده‌های شما یک هش معتبر تولید کند، پذیرفته می‌شود و پاداش دریافت خواهید کرد و در غیر این صورت، شبکه آن را رد خواهد کرد و شما زمان و برق را بیهوده تلف کرده‌اید.

• اثبات سهام (PoS)
  اثبات سهام یا Proof of Stake  یکی از محبوب‎ترین انواع الگوریتم اجتماع است که به­عنوان جانشین  PoW از آن یاد می‎شود که Peer coin، Decreed و به احتمال قوی در آینده‎ای نزدیک، اتریوم از آن استفاده می‎کنند. گره‎هایی که سکه‎های خود را شرط­بندی کرده‎اند، در صورت نیاز به اجماع، نظر خود را بیان خواهند کرد.
  یکی از مزیت‎های PoS نسبت به  PoW این است که نیاز به توان محاسباتی ندارد. همچنین، منبع هزینه در این الگوریتم، خود توکن‌ها هستند که طبق آن، اگر یک گره سهام‎داری نتواند به تراکنش صحیح رأی دهد، سهام خود را از دست خواهد داد و در صورت موفقیت، شانس بیشتری برای سهام در هنگام انجام معاملۀ بعدی خواهد داشت.
  در این نوع الگوریتم اجماع، اعتبارسنجی‌ها به جای سرمایه‌گذاری روی سخت‌افزار گران‌قیمت با توان محاسباتی بالا برای حل یک معمای پیچیده، روی سکه‌های سیستم با قفل­کردن برخی از سکه‌های خود به­عنوان سهام سرمایه‌گذاری خواهند کرد.
  طبق این الگوریتم بر­اساس بلاک‌های واقعی اضافه‌شده در بلاک­چین، همۀ اعتبار‌دهنده‌ها پاداشی متناسب با شرط‌­بندی‌های خود دریافت کرده و بر این اساس، سهام آن‎ها افزایش می‌یابد.

• اثبات سوختگی (PoB)
  PoB نیز برخلاف  PoW، به­جای سرمایه‌گذاری روی تجهیزات سخت‌افزاری گران‌قیمت، اعتبارسنجی‌های سکه‌ها را با ارسال به آدرسی غیرقابل بازیابی انجام می‎دهند؛ به بیانی بهتر، با تخصیص سکه‌ها به آدرسی غیرقابل دسترسی، اعتبارسنجی‌ها این امتیاز را به دست می‌آورند که بر­اساس فرایند انتخاب تصادفی، در سیستم استخراج کنند. بنابراین، سوزاندن سکه­ها در اینجا به این معنی است که اعتبار­سنجی­ها در ازای ضرر کوتاه­مدت خود، یک تعهد بلند­مدت دارند.
  با وجود اینکه PoB  جایگزین مناسبی برای PoW  است، این الگوریتم همچنان منابع را بیهوده هدر داده و حتی شاید قدرت استخراج را به­سادگی به کسانی واگذار کند که مایل هستند سکۀ بیشتری بسوزانند!
  از دیگر موارد الگوریتم اجماع در بلاک­چین نیز می‎توان به اثبات ظرفیت (PoC)، اثبات اعتبار (PoA) و اثبات زمان سپری­شده (PoET) نیز اشاره کرد که هر کدام عملکرد متفاوتی را از خود به نمایش می‌گذارند.

سخن پایانی

Consensus Algorithms   یکی از اصلی‎ترین بخش‎های سیستم‏های غیرمتمرکز توزیع­شده به شمار می‎رود که دارای انواع مختلفی بوده که هر کدام براساس اصولی خاص عمل کرده و مزایا و معایب مختص به خود را دارند.

حتی بسیاری بر این باور هستند که بزرگترین نوآوری در بیت­کوین، استفاده از الگوریتم اجماع Proof of Work برای قادر­ساختن کاربران به توافق بر سر مجموعه­ای از داده‎های مشترک بود.

در بین همۀ الگوریتم‌ها، Proof of Work کماکان قابل­اعتمادترین و مطمئن­ترین گزینه است، هر چند که تحقیقات و توسعۀ عظیمی برای جایگزینی برای PoS به جای  PoW صورت گرفته و احتمالاً در سال‌های آینده، بیشتر از آن خواهیم شنید.