ما هو PoW (Proof of Work)؟

إثبات العمل (PoW) يشبه الشهادات في الحياة الواقعية مثل الشهادات الجامعية أو رخص القيادة، حيث يتم تحقق الصحة من خلال الامتحان (على سبيل المثال، اجتياز الاختبارات ذات الصلة). في عالم التشفير، يعتبر إثبات العمل نموذج الاتفاق الأساسي لشبكات البلوكشين، ويضع معايير للعقدة لتحقيق الاتفاق. يؤكد هذا النموذج المعاملات ويولد كتلًا جديدة في البلوكشين، وينشئ آلية حوافز تكافأ العقد التي تولد بنجاح الكتل.

مقترح PoW

بدأ البحث الأكاديمي المتعلق بـ PoW في أوائل التسعينيات. في عام 1993، اقترحت عالمة الحاسوب الأمريكية وأستاذة جامعية في جامعة هارفارد سينثيا دوورك مفهوم PoW لمعالجة مشاكل البريد العشوائي. في عام 1997، اخترع آدم باك تكنولوجيا HashCash، وتطبيق آلية PoW لمواجهة هجمات إنكار الخدمة وسوء استخدام البريد العشوائي. هذا يتطلب من كل مرسل بريد إلكتروني أداء كمية صغيرة من الحسابات التشفيرية، مما يتسبب بتأخير مؤقت بشكل متعمد.
تم استخدام تقنية HashCash في وقت لاحق على نطاق واسع لتصفية الرسائل غير المرغوب فيها وتنفيذها من قبل Microsoft في منتجات مثل Hotmail، Exchange، وOutlook. في عام 2008، قام ساتوشي ناكاموتو بتطبيق مفهوم PoW على توافق سلسلة الكتل في الورقة البارزة "بيتكوين: نظام نقدي إلكتروني ند-إلى-ند"، مما أدى إلى تقديم خوارزمية توافق PoW لنظام البيتكوين.

مبدأ

تعتمد خوارزمية إجماع إثبات العمل على وظائف التجزئة. بالنسبة لسلسلة إدخال معينة ، تنتج دالة التجزئة H (s) مخرجات ثابتة الطول ، ويكون حساب H (s) فعالا. يجب أن تفي وظائف التجزئة المستخدمة في أنظمة blockchain مثل Bitcoin و Ethereum بالمعايير الثلاثة التالية:

1. مقاومة الاصطدام: يجب أن يكون من غير المحتمل أن تنتج مدخلات مختلفة نفس إخراج التجزئة.
2. عدم القابلية للعكس: بناءً على مخرج التجزئة H(s)، يجب أن يكون من الصعب بشكل حسابي عكس هندسة الإدخال sss.
3. عدم التنبؤ: بصرف النظر عن أساليب القوة الخام، لا يجب أن يكون هناك أي طريقة أخرى قادرة على إنتاج مدخل يتجزأ إلى قيمة مستهدفة محددة.

كيف يعمل

يتبع خوارزمية الإجماع بروف العمل هذه الخطوات:

1. تعيين مستوى الصعوبة: يحدد النظام قيمة الصعوبة العالمية، التي تحدد نتيجة الحساب المطلوبة للتالي. عمومًا، يجب أن تكون قيمة الهاش أقل من عتبة معينة. مع توسع الشبكة، يزيد مستوى الصعوبة، ويقوم النظام بضبط الصعوبة بانتظام.
2. تغليف المعاملات: تقوم العقد بجمع رسائل المعاملات المتعددة وتغليفها في جسم كتلة جديدة.
3. تجميع رأس الكتلة: تقوم العقد بتجميع رأس الكتلة، والذي يشمل عادة قيمة التجزئة للكتلة السابقة، قيمة التجزئة للمعاملات في الكتلة الجديدة، قيمة الصعوبة الحالية، وقت الطابع، وقيمة عشوائية لا ترتبط.
4. عملية حساب الهاش: تستخدم العُقَد الخوارزمية الهاش المُحددة (على سبيل المثال، مزدوج SHA-256 في بيتكوين) لحساب هاش رأس الكتلة. إذا لم يفي الهاش بمتطلبات الصعوبة، يعدل العُقَد العدم ويعيد حساب الهاش. يُبث العقد الذي ينجح في حساب هاش يفي بمتطلبات الصعوبة الكتلة الجديدة إلى الشبكة.
   
5. التحقق والقبول: تقوم العقد بتلقي الكتلة المذاعة الخاصة والتحقق من صحتها (على سبيل المثال، من خلال مضاعفة الكتلة بواسطة تجزئة SHA-256 في بيتكوين). إذا كان التحقق ناجحًا، فإنهم يقبلون الكتلة الجديدة ويضيفونها إلى نسختهم المحلية من الدفتر اللامركزي.
6. التنافس على الكتلة القادمة: تبدأ العقد في التنافس للحصول على الحق في إضافة الكتلة القادمة.
   في خوارزمية PoW، يحصل العقد الذي يحسب أولاً تجتمع عنوانًا يفي بمتطلبات الصعوبة على الحق في إضافة الكتلة الجديدة إلى الدفتر الأكثر توزيعًا. ثم تستنسخ العقد الأخرى الكتلة الجديدة للحفاظ على التناسق عبر الدفتر الأكثر توزيعًا.

القيود

يعتمد خوارزمية الوصل البرهاني على الطاقة الحاسوبية لتخصيص الحق في تسجيل المعاملات. مع نمو مقياس شبكات البلوكشين، ينتج عن ذلك هدر كبير للموارد الحاسوبية والكهرباء. في عام 2020، استهلكت شبكة البيتكوين 134.89 مليار كيلووات-ساعة، ما يعادل استهلاك الكهرباء السنوي لإقليم. يعد هذا الاستهلاك العالي للطاقة قيدا رئيسيا للوصل البرهاني.
وعلاوة على ذلك، يؤدي خوارزمية الامتثال PoW الزمن الطويل المستغرق في الحسابات إلى انتظار مطول للحصول على حقوق التسجيل، مما يمتد بالتالي إلى دورات تأكيد المعاملات ويقلل من كفاءة توليد الكتل. على سبيل المثال، يولد بيتكوين كتلة كل 10 دقائق تقريبًا، مما يقيد عدد معاملاته لكل ثانية (TPS) ويسلط الضوء على قيود كفاءة خوارزمية الامتثال PoW.