أنواع خوارزميات الإجماع المختلفة

خوارزمية الإجماع هي إجراء يستخدم في علوم الكمبيوتر حيث يتفق المشاركون في شبكة موزعة على حالة الشبكة أو حالة قيمة بيانات واحدة ويؤسسون الثقة بين نظراء غير معروفين في الشبكة.

تم تصميم خوارزميات الإجماع بحيث يتوصل أعضاء سلسلة الكتل إلى اتفاق للتحقق من عملية على الشبكة، وتغيير معلمات الشبكة، وتحديد أي العقد موثوقة لمعالجة كتل جديدة، وغيرها من الوظائف المهمة.

لا تدع الطبيعة التقنية لهذه المقالة تعيقك - العثور على “الإجماع” هو أمر موجود من حولنا في كل مكان - إنها فكرة إنسانية جدًا، لكنها مجرد تطبيق على شيء يمكن أتمتته.

للبداية، في الأنظمة المركزية، يتم تنفيذ مهام الإجماع بواسطة سلطة مركزية.

في الأنظمة اللامركزية مثل بيتكوين، لدينا شبكة تتكون من مئات، وآلاف، وحتى مئات الآلاف من عمال المناجم أو العقد التي تنضم لأداء مهمة أو عدة مهام وتوفير نظام بيئي موثوق وفعال.

عند التفكير في الإجماع اللامركزي من خلال هذا المثال، افترض أنك في مجموعة من أربعة أصدقاء، وقدم أحد الأعضاء، أليكس، شخصًا خامسًا، بوب. عندما يغادر بوب، من المحتمل أن تبدأ المجموعة في الحديث عن بوب (هذه هي البروتوكول) لمعرفة ما إذا كانوا يحبونه (النتيجة ستكون “الإجماع”)

خوسيه: “يبدو أن بوب شخص رائع.”

كيفن: “نعم، شخص رائع. كيف تعرفت عليه؟”

أليكس: “كان في إحدى صفوف المالية الخاصة بي في الكلية؛ كنا نتبادل نصائح تداول العملات المشفرة، وانتهى به الأمر كونه شخصًا مضحكًا جدًا.”

كيفن: “جميل، لكن ميماته كانت غريبة جدًا.”

جون: “أنت فقط لا تفهم ثقافة الميمات.”

خوسيه: “نعم، أنت لا تقضي الكثير من الوقت في التمرير عبر تيك توك - اعتقدت أنها كانت مضحكة جدًا.”

في هذا المثال، تم التوصل إلى “الإجماع” حول ما إذا كان بوب يتكامل جيدًا في مجموعة الأصدقاء. هناك غالبًا إجماع ضروري في الرأي حتى في غياب التزامات أو عقود محددة. أحد المشاركين، كيفن، متردد بشأن السماح لبوب بالدخول إلى المجموعة، لكن خوسيه وأليكس وجون لا يمانعون في بوب.

في هذه الحالة، إذا كنا سنقوم بتدوين المثال أعلاه في خوارزمية إجماع: سيكون هناك 3 “هو شخص رائع” و 1 “هو شخص رائع لكنني غير متأكد بشأن XYZ” لا يزال يؤدي إلى “هو شخص رائع.” الأغلبية تفوز، لذا سيحظى بوب بفرصة قضاء الوقت مع الأصدقاء الرائعين رغم رأي كيفن.

بيتكوين، على سبيل المثال، مصممة لإيجاد إجماع حول ما إذا كانت المعاملات الجديدة صالحة (“رائعة”) أم لا.

هنا سنستعرض الأنواع الأكثر شعبية - وأقل شعبية - من خوارزميات إجماع سلسلة الكتل عبر الشبكات العامة والخاصة.

ما هو إثبات العمل؟

إثبات العمل (PoW) هو أكثر خوارزميات الإجماع شعبية وقديمة جاءت مع إنشاء بيتكوين في عام 2009 على يد ساتوشي ناكاموتو. يتكون نظام PoW من شبكة عالمية من عمال المناجم - تسمى عقد الشبكة - تتنافس لحل الألغاز الرياضية. الفائز في حل اللغز يحصل على الحق في إضافة كتلة جديدة إلى سلسلة الكتل ويتلقى مكافأة تدفع بعملة مشفرة تم إنشاؤها حديثًا.

إثبات العمل هو أساسًا وسيلة عمال المناجم لإظهار دليل على أنهم قدموا قوة حوسبة لتحقيق إجماع الشبكة والتحقق من صحة كل كتلة. علاوة على ذلك، يتم ترتيب كل كتلة (معاملة) بترتيب زمني، مما يلغي خطر الإنفاق المزدوج.

حتى الآن، كان PoW هو أكثر آليات الإجماع أمانًا لعملات سلسلة الكتل المشفرة. يتطلب تغيير الشبكة من المهاجم إعادة تعدين جميع الكتل الموجودة في السلسلة. كلما نمت سلسلة الكتل، زادت صعوبة احتكار قوة حوسبة الشبكة حيث سيتطلب ذلك استهلاك طاقة هائل ومعدات باهظة الثمن.

بمجرد أن يحل عامل المناجم لغزًا، يجد nonce (اختصار لـ number used once) الذي ينتج تجزئة بقيمة أقل من أو تساوي تلك التي تحددها صعوبة الشبكة.

الـ nonce هو جزء مركزي من أنظمة PoW حيث يسمح لعامل المناجم بإنشاء رأس كتلة مُجزأة باستخدام دالة تجزئة SHA-256، مما يعني وضع رقم مرجعي لكتلة في سلسلة. يحتوي رأس الكتلة أيضًا على طابع زمني وتجزئة الكتلة السابقة.

سلبيات PoW

يحتاج عمال المناجم إلى توفير قوة حوسبة كبيرة لحل الألغاز. ولكن نظرًا لأن الحوسبة معقدة، فإن كمية الطاقة التي يستهلكها جهاز Antminer S9 تبلغ عادةً ما بين 1400 – 1500 واط في الساعة لمعدل تجزئة يبلغ 14.5 TH/s. بينما النسخة الأقوى S19 تستهلك 3250 واط في الساعة بمعدل تجزئة يبلغ 110 TH/s.

مع بعض الرياضيات، يمكننا حساب كمية الطاقة التي تستهلكها مراكز البيانات أو شركات التعدين مع مئات أو آلاف من أجهزة التعدين في موقع واحد يوميًا. يعد الاستهلاك العالي للطاقة والضرر البيئي النقد الرئيسي الموجه ضد إثبات العمل.

لإعطاء فكرة عن ذلك، قبل أن تنتقل إيثريوم إلى إثبات الحصة، كانت تتناول عمال المناجم في جميع أنحاء العالم حوالي 10 TWh/yr، وهو ما يعادل استهلاك جمهورية التشيك.

كما أن الضوضاء العالية تضر بمستويات السمع البشرية — فوق 80 دBa. لهذا السبب عادة ما يتم الاحتفاظ بأجهزة التعدين في الطوابق السفلية أو مرافق التعدين لتجنب إزعاج الأنشطة اليومية.

ما هو إثبات الحصة؟

إثبات الحصة (PoS) هو ثاني أكثر خوارزميات الإجماع شعبية. بدلاً من عمال المناجم، تحتوي سلاسل الكتل PoS على مدققين للشبكة يستخدمون عملاتهم/رموزهم كدليل على التزامهم بالشبكة بدلاً من قوة الحوسبة.

تشير عملية التخزين إلى “تأمين” الأصول المشفرة لفترة معينة في منصة سلسلة الكتل، والتي، في المقابل، تكافئ المستخدمين بمزيد من العملات المشفرة.

PoW مقابل PoS: الاختلافات الرئيسية

في PoS، يمكن للمستخدمين تخزين جزء من أصولهم لغرض وحيد هو توليد دخل سلبى. الخيار الآخر هو أن يصبح مدققًا. على عكس أنظمة PoW، لا يتنافس المدققون لإنشاء كتل جديدة حيث يتم اختيارهم عشوائيًا بواسطة خوارزمية. كلما زادت العملات/الرموز التي يخزنها المستخدم، زادت فرصه في أن يصبح مدققًا ويقوم بإنشاء كتل جديدة في سلسلة الكتل.

في أنظمة PoW، يتم تحديد الوقت لإنشاء كتل جديدة بواسطة صعوبة التعدين؛ كلما انضم المزيد من المشاركين إلى الشبكة، زادت قوة التجزئة، أي، قوة الحوسبة المطلوبة لتعدين كتل جديدة. بالمقابل، تحتوي سلاسل الكتل PoS على وقت ثابت لإنشاء الكتل مقسم إلى فترات —الوقت المستغرق لإنشاء كتلة— وعصور، وهي وحدات زمنية تتكون من فترات.

لتوضيح ذلك بشكل أفضل، تتكون فترة في إيثريوم من 12 ثانية، وهي المدة التي تستغرقها الشبكة لإنشاء كتلة، و32 فترة تشكل عصرًا. وبالتالي، فإن عصرًا واحدًا يعادل 6.4 دقيقة. تحتوي كل فترة في سلسلة الكتل PoS على عدد محدد مسبقًا من المدققين الذين يصوتون على صحة الكتلة المقترحة. إذا كانت الكتلة صالحة، يتم إضافتها إلى السلسلة، ويحصل مقترح الكتلة والمصدقون على مكافآت بالـ ETH.

تعاقب سلاسل الكتل PoS الفاعلين الضارين على مهاجمة الشبكة بهجمات بنسبة 51%، والتي تسمى “التمزيق”، حيث يقوم المدققون النزيهون بطرد المدقق الضار من الشبكة واستنزاف رصيده. وهذا يثني الفاعلين الضارين عن مهاجمة الشبكة حيث أن العدد المطلوب من الأموال المخزنة مرتفع بشكل كبير. في حالة إيثريوم، هو 32 ETH.

مزايا PoS:

• أقل استهلاكًا للطاقة مقارنة بـ PoW
• أكثر ملاءمة للعمل مع حلول الطبقة الثانية مقارنة بـ PoW
• قادرة على تحقيق إنتاجية أعلى حيث يتم تأسيس الإجماع قبل تمرير الكتل.
• أقل تكلفة من سلاسل الكتل PoW حيث لا تتطلب معدات متقدمة لإنشاء كتل جديدة.

سلبيات PoS

• لا تزال أنظمة PoS عرضة للتركيز إذا كان المدققون الذين يمتلكون عددًا كبيرًا من الرموز المخزنة يمكنهم التأثير على الشبكة.
• أقل إثباتًا من حيث الأمان مقارنة بسلاسل الكتل PoW.

ما هو إثبات التاريخ؟

إثبات التاريخ (PoH) هو خوارزمية إجماع قدمتها سلسلة كتل سولانا وتقوم على وضع طابع زمني لجميع الأحداث على الشبكة لإثبات أنها حدثت في وقت معين. يمكن وصف PoH بأنه ساعة تشفيرية تؤكد المعاملات بترتيب زمني.

تجمع سولانا نهج PoH الخاص بها مع PoS. لذلك، يحتاج المشاركون في الشبكة إلى تخزين SOL ليصبحوا مدققين ويعالجوا كتل جديدة، وآلية PoH تتحقق من صحة تلك المعاملات التي تحدث في الوقت الحقيقي. بعبارة أخرى، يحافظ PoH على الأمان، بينما يجلب PoS شبكة من المدققين القادرين على التحقق من الطوابع الزمنية وتأكيد المعاملات.

ومع ذلك، تضحي سولانا باللامركزية لتوفير سرعة معاملات فائقة. تعتمد سلسلة الكتل على بنية شبه مركزية حيث يتم انتخاب عقدة واحدة كقائد تكون مسؤولة عن تنفيذ مصدر زمني واحد، أي ساعة PoH، ويجب على جميع العقد الأخرى اتباع تسلسلات الوقت وفقًا لذلك. يتم انتخاب القادة دوريًا عبر انتخابات PoS.

بينما تُعتبر سولانا واحدة من أسرع سلاسل الكتل في الصناعة، إلا أنها تعاني بانتظام من فترات توقف. منذ إطلاقها في عام 2020، عانت الشبكة من حوالي عشرة فترات توقف، حدث خمسة منها في عام 2022. السبب الرئيسي لهذه الانقطاعات هو “عقدة غير مكونة بشكل صحيح.”

ما هو إثبات الحصة المندوبة؟

إثبات الحصة المندوبة (DPoS) هو نوع من مفهوم PoS حيث تلعب المجتمع دورًا مركزيًا.

في سلاسل الكتل DPoS، يقوم أعضاء المجتمع بتخزين عملاتهم المشفرة للتصويت على الشهود أو المندوبين التاليين لإنتاج الكتل. للقيام بذلك، يجب على المستخدمين تجميع رموزهم في مجموعة تخزين سلسلة الكتل ثم ربط الأموال بمندوب محدد.

تم تطوير DPoS بواسطة دان لاريمر، الرئيس التنفيذي السابق للتكنولوجيا في EOS، الذي طبق الخوارزمية على BitShares في عام 2015. وقد قال لاريمر ومؤيدو DPoS الآخرون إن DPoS يوسع النطاق الديمقراطي حيث يختار المجتمع المدقق التالي. اليوم، تستخدم سلاسل الكتل مثل TRON وكاردانو DPoS.

ومع ذلك، فإن النقد الموجه ضد DPoS هو أن منهجيته تفضل المستخدمين الأثرياء. أولئك الذين يمتلكون عددًا كبيرًا من الرموز يمكن أن يكون لديهم تأثير أكبر في الشبكة. كان فيتاليك بوتيرين أحد أول منتقدي DPoS، حيث ادعى في منشور مدونة أن هذه الخوارزمية تحفز الشهود على تشكيل كارتلات ورشوة الناخبين للحصول على الدعم.

ما هو إثبات السلطة؟

إثبات السلطة (PoA) هو خوارزمية إجماع حيث يمكن فقط للأعضاء المصرح لهم التفاعل مع سلسلة الكتل، وإجراء المعاملات، وإجراء تغييرات أو اقتراح تغييرات على معلمات الشبكة، ومراجعة تاريخ المعاملات، إلخ.

تم صياغة المصطلح من قبل غافين وود، مطور سلسلة الكتل الذي شارك في تأسيس إيثريوم، بولكادوت، وشبكة كوساما.

في سلسلة الكتل PoA، كل شيء يتعلق بالسمعة - المشاركون في الشبكة يضعون هوياتهم بدلاً من العملات. يوفرون مستوى أعلى من القابلية للتوسع والإنتاجية حيث يعتمد فقط على عدد محدود من المدققين. قد نعتقد أن هذا نموذج مركزي بشكل كبير، ولكن سلاسل الكتل PoA عادة ما تكون خاصة وتناسب بشكل أفضل الشركات والمنظمات التي تستخدم تقنية سلسلة الكتل لتعزيز الأعمال والأنظمة التشغيلية.

ما هو إثبات الوقت المنقضي؟

إثبات الوقت المنقضي (PoET) هو خوارزمية إجماع أخرى تعمل بشكل أفضل مع سلاسل الكتل الخاصة.

تم تقديم خوارزمية PoET أولاً من قبل مطوري البرمجيات في إنتل وتم تنفيذها على Hyperledger Sawtooth، المستهدفة سلاسل الكتل الخاصة والمؤسسات.

قد لا تكون الخوارزمية مشهورة مثل سلاسل الكتل الأخرى حيث لم يتم تعريفها بشكل كافٍ. لكن الفكرة كانت تقديم محرك جاهز، على نمط ناكاموتو، يسمح للسلاسل الخاصة باختيار منتج الكتلة التالي. وكيف تختلف؟ حسنًا، تولد الخوارزمية “وقت انتظار عشوائي” لكل عقدة في الشبكة، وخلال ذلك الوقت يجب على العقدة أن “تنام”. العقدة التي لديها أقصر فترة انتظار تستيقظ أولاً وتفوز بحق إنتاج كتلة في السلسلة.

لذا، فإن الاختلاف الرئيسي هو أن عمال المناجم في PoET لا يعملون 24/7 ويستهلكون طاقة أقل. علاوة على ذلك، في شبكة PoW، يتنافس عمال المناجم لتجزئة رأس الكتلة التالي، بينما في PoET يكون الأمر أكثر نظام اختيار عشوائي.

أسئلة شائعة حول خوارزميات الإجماع:

هل ستصبح إيثريوم أسرع الآن بعد أن انتقلت إلى PoS؟

هناك مفهوم خاطئ شائع وهو أن إيثريوم ستتوسع تلقائيًا الآن بعد أن أصبحت سلسلة كتل قائمة على PoS. ومع ذلك، تم إجراء هذا الانتقال لتعزيز إيثريوم من خلال:

• تقليل استهلاك الطاقة
• تقليل الحواجز أمام الدخول من خلال القضاء على متطلبات الأجهزة
• السماح بالعقوبات الاقتصادية لسلوك العقد غير المشروع
• تقديم نموذج جديد لانبعاثات الرموز
• وبنية تحتية أفضل للعمل مع حلول الطبقة الثانية لإيثريوم.

ما هي سلاسل الكتل المفتوحة وسلاسل الكتل المصرح بها؟

تشير سلسلة الكتل غير المصرح بها إلى سلسلة كتل عامة يمكن لأي شخص إجراء معاملات، ومراجعة تاريخ المعاملات، وتخزين العملات، وأن يصبح مدققًا، إلخ. من ناحية أخرى، في سلاسل الكتل المصرح بها (الخاصة)، يمكن فقط للأعضاء المصرح لهم الوصول إلى الشبكة لإجراء معاملات، والتفاعل مع عقد الشبكة، وتتبع النشاط على السلسلة، إلخ.

هل إثبات العمل هو أكثر خوارزميات الإجماع أمانًا؟ يحمل PoW نصيبه العادل من العيوب، ولكنه حتى الآن كان الطريقة الأكثر إثباتًا وموثوقية للحفاظ على إجماع الشبكة وأمانها في سلسلة الكتل.

أفكار نهائية: شرح خوارزمية الإجماع

سلسلة الكتل هي تقنية قادرة على حل العديد من التحديات والنقاط العمياء داخل صناعات مختلفة، وليس فقط البنوك والتمويل. ومع ذلك، لديها نصيبها من العوائق. لذا، قام المطورون بإنشاء أنواع وإصدارات متعددة من خوارزميات الإجماع للتعامل مع المشاكل الشائعة، مثل المركزية، وعدم القدرة على التوسع، وانخفاض الإنتاجية.

لكن التحدث عن مستقبل خوارزميات سلسلة الكتل أمر صعب بسبب تحدٍ واحد: معضلة سلسلة الكتل. تم توضيحها لأول مرة بواسطة فيتاليك بوتيرين، حيث تنص على عدم قدرة شبكات سلسلة الكتل على توفير اثنين من ثلاثة فوائد: اللامركزية، والأمان، والقابلية للتوسع. هناك العديد من منصات سلسلة الكتل، مثل فانتوم وسولانا، التي نفذت إصدارات هجينة خاصة بها من خوارزميات الإجماع في محاولة لحل معضلة سلسلة الكتل، لكن لم ينجح أي منها حتى الآن.

تم اتخاذ نهج فني آخر لتعزيز خصائص سلسلة الكتل، وأحد أشهرها هو الطبقات الثانية، التي هي سلاسل متصلة بطبقة أولى، مثل Arbitrum مع إيثريوم، وتقسيم السلسلة الكاملة إلى العديد من الشبكات الأصغر. يعتبر بوتيرين أن تقسيم السلسلة هو أفضل نهج لتوفير الخصائص الثلاثة لسلسلة الكتل المثالية.