خوارزميات إجماع البلوك تشين | النزاهة مربحة أكثر من الغش

في عالم البيتكوين والعملات الرقمية، تعتبر خوارزمات الإجماع القلب النابض لسلاسل الكتل البلوك تشين blockchain، وهي مصممة لتحقيق الموثوقية في شبكة تتضمن عدة عقد غير موثوقة بها، حيث تمكن من التحقق من صحة وأمن كل معاملة. ويتوصل مدققو سلسلة الكتل إلى اتفاق مشترك حول حالة دفتر الأستاذ الموزع بشكل يؤسس للثقة بين مشتركين لا يعرفون بعضهم في بيئة الحوسبة الموزعة.

سلط ساتوشي ناكاموتو الضوء على أهمية خوارزميات الإجماع في ورقة البيتكوين البيضاء، ومنذ ذلك الحين ظهرت الآلاف من مشاريع البلوك تشين كل منها يعتمد خوارزمية إجماع معينة. فما هي خوارزميات الإجماع؟ وكيف تعمل؟ وما أنواعها المختلفة؟ وما هي خوارزميات الإجماع الأكثر شيوعا؟

ما هي خوارزمية إجماع البلوك تشين blockchain؟

خوارزمية إجماع البلوك تشين من أكثر مفاهيم العملات الرقمية أهمية، وهي مجموعة من القواعد التي تتوصل من خلالها العقد إلى اتفاق عند الموافقة على المعاملات. فبدون قواعد واضحة وشفافة تحدد تشغيل الاتفاقية في شبكة موزعة، لن يكون للبلوكشين أي معنى ولن تتمكن العقد من إضافة كتل جديدة إلى سلسلة الكتل بطريقة محددة بدقة. 

ترتبط إضافة كتل جديدة بمكافأة للعقد التي تتحقق من صحة شبكة معينة. بدون هذه الجائزة، لن يرغب أحد في فقدان قوته الحاسوبية، وبالتالي إهدار الكهرباء (إثبات العمل أو PoW) أو إيداع أمواله (إثبات الحصة أو PoS) في مكان آخر غير جيبه. وتقع خوارزمية الإجماع في قلب تشغيل قواعد البيانات الموزعة واللامركزية.

 في الحلول التقليدية المركزية، من أجل تأكيد المعاملات، يجب أن يكون هناك طرف ثالث يجمع البيانات للسماح للمرء بتحديد صحة المعاملة التي قدمها المشاركون في العملية. مع تقنية البلوكشين، ليست هناك حاجة لهذا الطرف حيث يتم استبداله بخوارزمية إجماع.

في سياق العملات المشفرة، تضمن خوارزمية الإجماع الامتثال لقواعد البروتوكول. إنها تضمن تنفيذ جميع المعاملات بشكل صحيح، بحيث لا يمكن إنفاق الأموال مرتين - مشكلة الإنفاق المزدوج.

تاريخ خوارزميات الإجماع في البلوكشين

إن تاريخ آليات توافق الآراء تاريخ طويل ومعقد يمتد لعدة عقود. في سبعينيات القرن العشرين، بدأ الباحثون استكشاف مشكلة التوصل إلى توافق في الآراء في الأنظمة الموزعة، والتي تتكون من عقد متعددة تتواصل وتنسق مع بعضها البعض لتحقيق هدف مشترك.

• واحدة من أقدم آليات الإجماع المقترحة كانت خوارزمية Paxos، التي تم تقديمها في عام 1989 من قبل ليزلي لامبورت. Paxos هي عائلة من البروتوكولات التي يمكن استخدامها لحل مشكلة الإجماع الموزع بطريقة متسامحة مع الأخطاء. تضمن الخوارزمية أن جميع العقد في الشبكة تتفق على قيمة واحدة، حتى إذا فشلت بعض العقد أو كانت ضارة.

• آلية إجماع مؤثرة أخرى هي خوارزمية التسامح مع الخطأ البيزنطي (BFT)، والتي تم تقديمها في عام 1982 من قبل ليزلي لامبورت وروبرت شوستاك ومارشال بيز. تم تصميم BFT لحل مشكلة الجنرالات البيزنطيين، وهي مشكلة أساسية في الحوسبة الموزعة التي تتعامل مع التحدي المتمثل في التوصل إلى توافق في الآراء في وجود عقد معيبة أو مضللة. في نظام BFT، يتم تصنيف العقد على أنها إما صادقة أو بيزنطية. تتبع العقد الصادقة البروتوكول وتتصرف بشكل صحيح، بينما قد تتصرف العقد البيزنطية بشكل مضلل وتحاول تعطيل النظام. تضمن خوارزميات BFT أن العقد يمكن أن تصل إلى توافق في الآراء حتى لو كان ما يصل إلى ثلث العقد بيزنطية.

• سريعا إلى الأيام الأولى للبلوك تشين، كانت أول آلية إجماع مستخدمة في blockchain Bitcoin هي إثبات العمل (PoW)، والذي اقترحه ساتوشي ناكاموتو في ورقة عمل Bitcoin في عام 2008. PoW هي آليات إجماع تعتمد على لغز حسابي لتأمين الشبكة. يتنافس عمال المناجم لحل اللغز والتحقق من صحة المعاملات الجديدة، ويكافأ أول عامل منجم يحل اللغز بعملات البيتكوين المسكوكة حديثا.

• في عام 2012، تم اقتراح آليات إجماع إثبات الحصة (PoS) كبديل لإثبات العمل. تم تصميم PoS لتكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من PoW وتعتمد على حصة العقدة في الشبكة كمقياس لسلطتها. في نظام PoS ، يتم اختيار المدققين للتحقق من صحة المعاملات بناء على مقدار العملات الرقمية التي يمتلكونها ويرغبون في حبسها كحصة. يتم تحفيز المدققين على التصرف بأمانة لأنهم يخاطرون بفقدان حصتهم إذا قاموا بالمصادقة على المعاملات الاحتيالية.

• منذ إدخال PoS، تم اقتراح العديد من آليات الإجماع الأخرى، بما في ذلك إثبات الحصة المفوض (DPoS) وهو متغير أكثر كفاءة من PoS يسمح لحاملي الرمز المميز بالتصويت لعدد محدود من المدققين المسؤولين عن التحقق من صحة المعاملات. اليوم، هناك العديد من آليات الإجماع قيد الاستخدام، ولكل منها نقاط قوتها وضعفها، ومن المحتمل أن يستمر تطوير آليات إجماع جديدة مع تطور تقنية البلوكتشين.

خوارزمية إثبات العمل Proof of Work

آلية إثبات العمل هي أول خوارزمية إجماع يتم إنشاؤها. وهي التي تستخدمها Bitcoin والعديد من العملات الرقمية الأخرى.

في البلوكشين ، يتم استخدام هذه الخوارزمية للتحقق من صحة المعاملات الصادرة عن المستخدمين وإنتاج كتل جديدة. يضع إثبات العمل عمال المناجم في منافسة مع بعضهم لتأمين المعاملات، وذلك بهدف الحصول على عملة مشفرة كمكافأة.

سيوفر عمال المناجم (أو العقد) وهم عبارة عن أجهزة كمبيوتر (وحدة المعالجة المركزية، وحدة معالجة الرسومات، ASIC، FGPA) قوة الحوسبة للتحقق من المعاملات والتحقق من صحتها. ويتطلب هذا التحقق العديد من المحاولات العشوائية التي تسمى التجزئة. يجب أن يكون لدى التجزئة الكثير من قوة الحوسبة للعمل وتأمين إثبات العمل.

مصطلح التجزئة هو وظيفة حاسوبية ستولد بصمة فريدة للسماح بالتحقق من صحة كتلة المعاملات بناء على البيانات.

وبالتالي، كلما زادت قوة الحوسبة، زاد احتمال إيجاد حل للتحقق من صحة الكتل الجديدة وارتفعت ربحية عامل المنجم.

منذ آخر تنصيف للبيتكوين (11 مايو 2020)، يتلقى عامل المنجم 6.25 بيتكوين جديد عند التحقق من صحة الكتلة. وبالتالي فإن إجماع إثبات العمل يجعل من الممكن إثبات المعاملات بسهولة وسرعة.

خوارزمية إثبات الحصة Proof of Stake

آلية إثبات الحصة (PoS) هو البديل الأكثر شيوعا لآلية إثبات العمل PoW. في هذا النوع من خوارزمية الإجماع، بدلا من الاستثمار في أجهزة باهظة الثمن لحل لغز رياضي معقد، يستثمر المدققون في عملات النظام عن طريق تخزين بعض عملاتهم الرقمية كحصص. بعد ذلك، سيبدأ جميع المدققين في التحقق من صحة الكتل عن طريق وضع رهان عليها عندما يكتشفون كتلة يعتقدون أنه يمكن إضافتها إلى السلسلة.

استنادا إلى الكتل الفعلية المضافة في البلوك تشين، يحصل جميع المدققين على مكافأة تتناسب مع رهاناتهم، وتزداد حصتهم وفقا لذلك. في النهاية، يتم اختيار المدقق لإنشاء كتلة جديدة بناء على حصته الاقتصادية في الشبكة. وبالتالي، تشجع PoS المدققين من خلال آلية الحوافز للتوصل إلى اتفاق.

خوارزمية إثبات الحصة المفوض (DPoS)

خوارزمية إجماع إثبات الحصة المفوض هي تطور لإثبات الحصة، لأنها تسمح للمستخدمين بالتصويت لصالح مدقق الكتلة التالي من خلال إنفاق عدد معين من العملات الرقمية، بدلا من إنشاء الكتل بأنفسهم.

إثبات الملكية المفوض (DPoS) مستدام وقابل للتطوير وذو كفاءة عالية من حيث استهلاك الطاقة. وبالتالي، فإنه يلغي الحاجة إلى قوة الحوسبة من قبل مالكي الرمز المميز، ويوفر إدراج آلية التصويت درجة معينة من الأمن بين الأقران. إنه أكثر مركزية نسبيا.

والواقع أن المندوبين لديهم سلطة تحديد قواعد البروتوكول وحالة المعاملات، حيث يصوت حاملو الرمز المميز على المندوبين من خلال الالتزام بالرموز المميزة الخاصة بهم في تجمع تخزين مركزي، والذي يتوافق مع مندوب معين. 

خوارزمية إثبات السعة / إثبات المساحة (PoC)

يعرف مفهوم إثبات السعة (POC) أيضا باسم خوارزمية إثبات المساحة أو آلية إثبات القدرة.

تعد خوارزمية إجماع إثبات السعة / إثبات القدرة (PoC) بديلا لإثبات العمل. والغرض منه أيضا هو تقليل استهلاك الطاقة لتعدين العملات المشفرة.

تعمل آلية إثبات السعة (PoC) على استخدام المساحة الفارغة على محركات الأقراص الثابتة لعقد شبكة blockchain لتعدين العملة المشفرة وتخزينها. والغرض من هذه العمليات هو تجنب تغيير الأرقام الموجودة في الكتلة بانتظام بالإضافة إلى التجزئة المستخدمة بشكل أساسي لاكتشاف قيمة الحل.

يعتمد اختيار المدقق على السعة التخزينية الإجمالية للعقدة (أو عامل المنجم). لذلك، كلما زادت سعة التخزين لديك، زادت احتمالية اختيارك للتحقق من صحة الكتلة.

خوارزمية إجماع إثبات السلطة (PoA)

تستخدم خوارزميات إثبات السلطة بشكل رئيسي في الشبكات الخاصة بسبب طبيعتها المركزية. هذا يعني أن الحسابات الموثوقة (التي يختارها مسؤولو النظام) تقوم بإجراء عمليات التحقق من الصحة على الشبكة. 

للمساعدة في التحقق من صحة المعاملات وإنشاء كتل جديدة، يستخدم إثبات السلطة بنية قائمة على السمعة.

عادة ما يكون المدققون في إثبات إجماع السلطة هم المستخدمون الذين تم اختيارهم والموافقة عليهم من قبل المشاركين الآخرين في الشبكة للعمل كمشرفين على النظام. ونتيجة لذلك، عادة ما يكون المدققون مستثمرين مؤسسيين أو شركاء مهمين آخرين في النظام البيئي للبلوكتشين الذين لديهم مصلحة في نجاح الشبكة على المدى الطويل ومستعدون للكشف عن أسمائهم لغرض الشفافية والمساءلة.

PoA هي طريقة هجينة تجمع بين فوائد كل من خوارزميات إجماع PoW و PoS. حيث يتنافس عمال المناجم لحل تحدي التشفير في أسرع وقت ممكن باستخدام أجهزة وطاقة كهربائية محددة، كما يفعلون في PoW. من ناحية أخرى، تتضمن الكتل التي يصادفونها فقط معلومات حول هوية الفائز بالكتلة ومعاملة المكافأة. هذه هي النقطة التي يتحول فيها النظام إلى نموذج (PoS).

خوارزمية إثبات الوقت المنقضي (PoET) 

خوارزميات إثبات الوقت المنقضي هي واحدة من أكثر خوارزميات الإجماع عدلا والتي تختار الكتلة التالية باستخدام الوسائل العادلة فقط، وتستخدم على نطاق واسع في شبكات البلوك تشين المصرح بها. في هذه الخوارزمية، يحصل كل مدقق على الشبكة على فرصة عادلة لإنشاء كتلة خاصة به.

تقوم جميع العقد بذلك عن طريق انتظار فترة زمنية عشوائية، مع إضافة دليل على انتظارها في الكتلة. يتم بث الكتل التي تم إنشاؤها إلى الشبكة للنظر فيها من قبل الآخرين. الفائز هو المدقق الذي لديه أقل قيمة مؤقت في جزء الإثبات.

يتم إلحاق الكتلة من عقدة المدقق الفائزة بالبلوكشين. هناك فحوصات إضافية في الخوارزمية لمنع العقد من الفوز دائما في الانتخابات، ومنع العقد من توليد أقل قيمة مؤقت.

حاليا، تعد أداة Hyperledger Sawtooth هي المستخدم الرئيسي لخوارزميات إثبات الوقت المنقضي (PoET).

خوارزمية إثبات النشاط (PoA)

خوارزميات إثبات النشاط (PoA) هي نوع من الخوارزمية الهجينة التي تجمع بين إثبات العمل واثبات الحصة. وبالتالي، يتم اختيار مدقق الكتلة وفقا للنشاط الفعلي لعامل المنجم.

يهدف هذا المفهوم إلى تعزيز وتشجيع استخدام البلوكتشين. وكلما كان عامل المنجم أكثر نشاطا على البلوكشين المعني، زاد احتمال التحقق من صحة الكتل.

خوارزمية إثبات الحرق (PoB)

تعد خوارزمية إجماع إثبات الحرق (PoB) خاصة لأنها تهدف إلى تدمير العملة المشفرة من أجل خلق نقص لزيادة قيمتها.

وبالتالي، ففي عملية حرق العملة المشفرة، ترسل العملات إلى عنوان عام يمكن التحقق منه. يتم إنشاء عناوين الحرق بشكل عشوائي تماما ودون استرداد أي مفتاح خاص.

بمجرد إيداع العملات الرقمية على هذه العناوين، ستفقد إلى الأبد، من أجل تقليل العرض المتداول وزيادة قيمة العملة. بهذه الطريقة، كلما زاد عدد الرموز المميزة التي تحرقها العقدة، زاد احتمال تحديدها للتحقق من صحة الكتلة.

يتم استخدام خوارزمية إثبات النسخ (PoB) بواسطة مشروع الطرف المقابل (XCP).

خوارزمية إثبات الأهمية (PoI) 

ستعطي خوارزميات إثبات الأهمية (PoI) الأولوية بشكل عام لعمال المناجم بناء على:

1. الأقدمية
2. عدد المعاملات التي تمت في العملة المشفرة المقابلة
3. كمية العملات المشفرة المملوكة
4. المحافظ التي تتم المعاملات منها ومنها
5. العوامل الأخرى التي تعتمد على البلوكتشين الذي يستخدم هذا الإجماع

من المعايير المذكورة أعلاه سيتم اختيار مدقق الكتلة. وبالتالي، فإن فرص المدققين للتحقق من صحة الكتلة ستزداد بما يتناسب مع عدد المعاملات التي أجراها على الشبكة.

لذلك تهدف سلاسل الكتل التي تستخدم إجماع إثبات الأهمية (PoI) إلى مكافأة المستخدمين الأكثر نشاطا على الشبكة.

يتم استخدام خوارزمية إثبات الأهمية (PoI) بواسطة مشروع NEM (XEM).

خوارزمية إثبات النقل (PoX)

خوارزميات إجماع إثبات النقل (PoX) قريبة من إثبات الحرق PoB ولكن مع بعض التفاصيل الدقيقة. فإذا كان PoB يهدف إلى حرق العملة المشفرة، فلن يدمر PoT تلك العملة المشفرة.

للمشاركة في هذا الإجماع، يجب على عمال المناجم إرسال العملات الرقمية إلى ما يسمى بعنوان الضمان. من الناحية النظرية، كلما زادت كمية العملة المرسلة، زاد احتمال اختيار عامل المنجم.

على سبيل المثال، سيتعين على أعضاء مشروع Blockstack نقل Bitcoin إلى عنوان معين لمكافأتهم. عند البحث عن مدقق، فإن استخدام دالة عشوائية يمكن التحقق منها (تسمى VRF)، أما بالنسبة للإجماع الآخر الذي سيكون بمثابة اختيار. بمجرد التحقق من صحة الكتلة، سيظل المعدن يتلقى مكافأته بالعملة الرقمية.

خوارزمية إثبات الحجز (PoH)

خوارزمية إجماع إثبات الحجز (PoH) قريبة جدا من إثبات الحصة.

الفرق الحقيقي الوحيد بين هذين الإجماعين هو أن احتمال اختيار العقدة يعتمد على عمر العملة المشفرة، أي على الوقت الذي لم يتم خلاله نقل العملة.

يستخدم مفهوم إثبات الحجز (PoH) في مشروع Peercoin الذي يستخدم أيضا إثبات العمل. 

خوارزمية التسامح مع الخطأ في النمط البيزنطي (BFT)

كما يوحي الاسم، يتم استخدام التسامح مع الخطأ البيزنطي للتعامل مع الخطأ البيزنطي (المعروف أيضا باسم مشكلة الجنرالات البيزنطيين) - وهو ظرف يجب أن يتفق فيه المشاركون في النظام على استراتيجية مناسبة لتجنب الانهيار، وذلك بالرغم من وجود مشاركين مشكوك في نواياهم اتجاه الشبكة.

نماذج إجماع PBFT وDBFT هما نوعان شائعان من نموذج إجماع BFT في عالم بلوكتشين.

التسامح مع الخطأ في الممارسة البيزنطية (PBFT)

التسامح مع الخطأ في الممارسة البيزنطية (PBFT) هي طريقة blockchain خفيفة الوزن تتغلب على مشكلات الجنرال البيزنطي من خلال السماح للمستخدمين بالتحقق من صحة الرسائل التي تم إرسالها إليهم عن طريق إجراء عملية حسابية للتحقق من قرار الصلاحية.

ثم يقوم الطرف بإبلاغ العقد الأخرى بقراره، والتي يطلب منها بعد ذلك اتخاذ قرار. ثم يعتمد الاختيار النهائي على المعلومات التي تم جمعها من العقد الأخرى.

إيجابيات آليات الإجماع

• الأمن: يعتبر إثبات العمل بروتوكول الإجماع الأكثر أمانا بسبب القوة الحسابية المطلوبة للمشاركة في عملية التحقق من الصحة. يعتبر PBFT آمنا للغاية بسبب المدققين المختارين مسبقا الذين يجب أن يتفقوا على صحة المعاملات.

• كفاءة الطاقة: تشتهر PoS بكفاءة الطاقة، والتي يمكن أن تقلل من التأثير البيئي والاقتصادي للتحقق من الصحة.

• معالجة سريعة للمعاملات: يمكن أن تتيح DPoS أوقات معالجة أسرع للمعاملات مقارنة بآليات الإجماع الأخرى. يمكن أن يتيح PBFT أوقات معالجة أسرع للمعاملات مقارنة بآليات الإجماع الأخرى.

سلبيات آلية الإجماع

• ارتفاع استهلاك الطاقة: تشتهر إثبات العمل باستهلاكها العالي للطاقة، والذي يمكن أن يكون له آثار بيئية واقتصادية.

• مركزية التعدين: في بعض الحالات، يمكن أن يصبح التعدين مركزيا بين عدد قليل من مجمعات التعدين الكبيرة، مما قد يقلل من لامركزية الشبكة.

• المركزية المحتملة للمدققين: في بعض الحالات، يمكن أن تؤدي PoS إلى مركزية سلطة التحقق من الصحة بين عدد قليل من المدققين الكبار، مما قد يقلل من لامركزية الشبكة.

• المركزية الممكنة لسلطة التحقق: في بعض الحالات، يمكن أن تؤدي DPoS إلى مركزية سلطة التحقق من الصحة بين عدد قليل من المدققين الكبار، مما قد يقلل من لامركزية الشبكة.

• التعرض للهجمات: يمكن أن تكون DPoS عرضة لهجوم بنسبة 51٪، حيث يتحكم كيان واحد في غالبية سلطة التحقق من الصحة. يمكن أن يكون PBFT عرضة لهجوم بنسبة 33٪، حيث يتحكم كيان واحد في ثلث قوة التحقق من الصحة.

• المركزية: PBFT هي آلية إجماع مصرح بها، مما يعني أنه يمكن فقط للمدققين المختارين مسبقا المشاركة في عملية التحقق من الصحة، والتي يمكن أن تقلل من لامركزية الشبكة.

باختصار، يعد اختيار آلية الإجماع المناسبة أمرا بالغ الأهمية عند تصميم شبكة blockchain. في حين أن كل آلية توافق في الآراء لها نقاط قوتها وضعفها، يجب اتخاذ القرار بناء على المتطلبات المحددة للشبكة. 

مستقبل خوارزمية الإجماع في blockchain 

بالنسبة للمبتدئين، يجب أن نتذكر أن بلوك تشين لا يزال شابا. تولد العديد من خوارزميات الإجماع بانتظام مع تطوير مشاريع جديدة.

في هذه المرحلة، ليس من الممكن حقا تحديد ما هي آلية الإجماع الناجحة. في الواقع، فإن البلوكشين الذي يتطور سيختار أو يطور إجماعا وفقا لاحتياجاته.

بالإضافة إلى هذا الجانب المقارن، نفتقر أيضا إلى التعليقات من حيث وقت الاستخدام والاستخدام على نطاق واسع.

إجماع البلوكشين هو ما كانت عليه بروتوكولات TCP وIP في الأيام الأولى للإنترنت. مع الاستخدام على نطاق واسع وإضفاء الطابع الديمقراطي على البلوكتشين، سيتطور عالم العملة الرقمية بسرعة، وهذا أمر مؤكد.

استنتاج

ومن المثير للاهتمام والملهم ملاحظة الطرق التي تطور بها بروتوكول الاجماع وتكيف على المدى الطويل لتلبية الاحتياجات المتغيرة باستمرار لنظام كهذا. سيكون من الرائع مشاهدة تطور الأفكار الجديدة.

من المهم اختيار الأفضل بناء على احتياجات شبكة الأعمال، نظرا لأن شبكات Blockchain غير قادرة على العمل بشكل صحيح بدون خوارزميات إجماع تتحقق من كل معاملة يتم إجراؤها.