أنواع خوارزميات الإجماع المختلفة

تعد خوارزمية الإجماع إجراءً يُستخدم في علوم الحاسوب يوافق فيه المشاركون في شبكة موزعة على حالة الشبكة أو حالة قيمة بيانات واحدة، ويُنشئون الثقة فيما بينهم بين نظيرين غير معروفين في الشبكة.

تم تصميم خوارزميات الإجماع بحيث يصل أعضاء سلسلة الكتل إلى اتفاق للتحقق من صحة معاملة على الشبكة، وتغيير معلمات الشبكة، وتحديد أي عقد موثوقة لمعالجة كتل جديدة، ووظائف مهمة أخرى.

لا تدع الطابع التقني لهذا المقال يضللك—فـ“الإجماع” موجود حولنا في كل مكان—إنه مفهوم إنساني جدًا، لكن مطبَّق على شيء يمكن أتمتته.

**لبدء الأمر، في الأنظمة المركزية، تُنجز مهام الإجماع بواسطة سلطة مركزية. **

في الأنظمة اللامركزية مثل Bitcoin، لدينا شبكة مكوّنة من مئات وآلاف بل وحتى مئات آلاف من عمال المناجم أو العقد التي تنضم لتنفيذ مهمة واحدة أو عدة مهام وتوفير نظام بيئي موثوق وفعّال.

فكر في الإجماع اللامركزي بهذا المثال: لنفترض أنك ضمن مجموعة من أربعة أصدقاء، وأحد أعضاء المجموعة، Alex، يقدم شخصًا خامسًا هو Bob. عندما يغادر Bob، فمن المرجح أن تبدأ المجموعة بالحديث عن Bob (وهذا هو البروتوكول) لمعرفة ما إذا كانوا قد أعجبوا به (وسيكون الناتج هو “الإجماع”)

José: “يبدو أن Bob شخص رائع.”

Kevin: “نعم، شخص رائع. كيف قابلته؟”

Alex: “كان في إحدى موادّي المالية في الجامعة؛ كنا نتبادل نصائح حول تداول العملات المشفرة، وانتهى به الأمر أن يكون شخصًا مضحكًا جدًا.”

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

John: “أنت ببساطة لا تفهم ثقافة الميمات.”

José: “نعم، أنت لا تقضي وقتًا طويلًا في التمرير على TikTok—اعتقدت أنها كانت مضحكة جدًا.”

في هذا المثال، تم التوصل إلى “إجماع” بشأن ما إذا كان Bob يندمج بشكل جيد في مجموعة الأصدقاء. غالبًا ما توجد ضرورة لإجماع الرأي حتى في غياب التزامات أو عقود محددة تمّت. أحد المشاركين، Kevin، متردد بشأن إدخال Bob إلى المجموعة، لكن José وAlex وJohn مرتاحون لوجود Bob.

في هذه الحالة، إذا كنا سنحوّل المثال أعلاه إلى خوارزمية إجماع: فسيكون لدينا 3 “هو شخص رائع” و1 “هو شخص رائع لكن أنا غير متأكد من XYZ”، ومع ذلك لا يزال الناتج “هو شخص رائع”. تتغلب الأغلبية، لذلك سيحصل Bob على فرصة للجلوس مع الأصدقاء “الأشخاص الرائعين” رغم رأي Kevin.

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

هنا سنستعرض أكثر أنواع خوارزميات إجماع سلاسل الكتل شهرة—وأقلها شهرة—عبر الشبكات العامة والخاصة.

ما هو إثبات العمل؟

**إثبات العمل (PoW) هو خوارزمية الإجماع الأكثر شهرة والأقدم التي جاءت مع إنشاء Bitcoin في عام 2009 بواسطة Satoshi Nakamoto. **يتكوّن نظام PoW من شبكة عالمية من عمال المناجم—المسماة عقد الشبكة—يتنافسون لحل ألغاز رياضية. يفوز عامل المنجم الذي ينجح في حل اللغز بالحق في إضافة كتلة جديدة إلى سلسلة الكتل، ويحصل على مكافأة تُدفع في عملة مشفرة تم إنشاؤها حديثًا.

إثبات العمل هو في الأساس طريقة عامل المناجم لإثبات أنه قدّم قوة حسابية لتحقيق إجماع الشبكة والتحقق من صحة كل كتلة. علاوة على ذلك، يتم ترتيب كل كتلة (معاملة) في ترتيب تسلسلي، مما يلغي خطر الإنفاق المزدوج.

حتى الآن، كان PoW هو آلية الإجماع الأكثر أمانًا لسلاسل الكتل الخاصة بالعملات المشفرة. يتطلب تغيير الشبكة من المهاجم إعادة استخراج (re-mine) جميع الكتل الموجودة في السلسلة. كلما نمت سلسلة الكتل، أصبح من الصعب السيطرة على قوة الحوسبة في الشبكة، لأن ذلك يتطلب استهلاكًا هائلًا للطاقة ومعدات باهظة الثمن.

بمجرد أن يحل عامل منجم لغزًا، يجد nonce (اختصارًا لعبارة number used once أي رقم يُستخدم مرة واحدة) ينتج تجزئة بقيمة أقل من أو تساوي ما تحدده صعوبة الشبكة.

يُعد nonce جزءًا محوريًا من أنظمة PoW لأنه سيسمح لعامل المنجم بإنشاء رأس كتلة مُجزّأ باستخدام دالة التجزئة SHA-256، أي وضع رقم مرجعي للكتلة داخل سلسلة. يتضمن رأس الكتلة أيضًا طابعًا زمنيًا وتجزيء الكتلة السابقة.

سلبيات PoW

يحتاج عمال المناجم إلى توفير قدر كبير من القوة الحاسوبية لحل الألغاز. لكن نظرًا لأن الحسابات معقّدة، فإن كمية الطاقة التي يستهلكها جهاز S9 Antminer الواحد عادةً تكون بين 1400 – 1500 واط لكل ساعة بمعدل hashrate يبلغ 14.5 TH/s. أما S19، وهي نسخة أقوى، فتستهلك 3250 واط لكل ساعة بمعدل hashrate يبلغ 110 TH/s.

وببعض الحسابات، يمكننا تحديد مقدار الطاقة التي تستهلكها مراكز البيانات أو شركات التعدين باستخدام مئات أو آلاف أجهزة التعدين في موقع واحد يوميًا. يُعد الاستهلاك العالي للطاقة والأذى البيئي أبرز الانتقادات الموجهة لإثبات العمل.

للتوضيح، قبل أن يتحول Ethereum إلى إثبات الحصة، كان عمال مناجم Ethereum حول العالم يستهلكون قرابة 10 TWh/yr، وهو ما يعادل جمهورية التشيك.

كما أن الضجيج العالي يضر بسمع البشر—فوق 80 dBa. ولهذا السبب تُحفظ أجهزة التعدين عادةً في الأقبية أو مرافق التعدين لتجنب إزعاج الأنشطة اليومية.

ما هو إثبات الحصة؟

إثبات الحصة (PoS) هو ثاني أكثر خوارزمية إجماع شهرة. بدلًا من عمال المناجم، تمتلك سلاسل كتل PoS مُتحقِّقين على الشبكة يستخدمون عملاتهم/رموزهم كدليل على التزامهم تجاه الشبكة بدلًا من قوة الحوسبة.

يعني Staking “قفل” أصول العملات المشفرة لفترة زمنية على منصة ضمن سلسلة كتل، وبالمقابل يكافئ ذلك المستخدمين بمزيد من العملات المشفرة.

PoW مقابل PoS: الاختلافات الرئيسية

في PoS، يمكن للمستخدمين رهن جزء من أصولهم لغرض وحيد هو توليد دخل سلبي. الخيار الآخر هو أن تصبح مُتحققًا. وعلى عكس أنظمة PoW، لا يتنافس المُتحققون لإنشاء كتل جديدة لأنهم يتم اختيارهم عشوائيًا بواسطة خوارزمية. كلما زاد عدد العملات/الرموز التي يراهنها المستخدم، زادت فرصه في أن يصبح مُتحققًا وإنشاء كتل جديدة في سلسلة الكتل.

في أنظمة PoW، يتم تحديد وقت توليد الكتل الجديدة بواسطة صعوبة التعدين؛ كلما انضم المزيد من المشاركين إلى الشبكة، زادت قوة التجزئة، أي القوة الحاسوبية المطلوبة لاستخراج كتل جديدة. بالمقابل، تمتلك سلاسل كتل PoS وقت توليد كتلة ثابتًا مقسمًا إلى “slots” — أي مقدار الوقت اللازم لإنشاء كتلة — وإلى “epochs”، وهي وحدات زمنية تتكون من slots.

لشرح ذلك بشكل أفضل: يتكون slot في Ethereum من 12 ثانية، وهو مقدار الوقت الذي تحتاجه الشبكة لإنشاء كتلة، وتُشكّل 32 slot epoch. لذلك، فإن epoch واحدة تساوي 6.4 دقائق. في سلسلة كتلة PoS، يوجد عدد محدد مسبقًا من المُتحققين في كل slot يقومون بالتصويت على صحة الكتلة المقترحة. إذا كانت الكتلة صحيحة، تُضاف إلى السلسلة، ويحصل مُقترح الكتلة و”attestors” على مكافآت في ETH.

تُعاقب سلاسل كتل PoS الجهات الخبيثة التي تهاجم الشبكة عبر هجمات على نمط 51%، ويُسمى ذلك slashing، حيث يقوم المُتحققون الأمناء بإقصاء المُتحقق الخبيث من الشبكة وتصريف رصيده. وهذا يثبط الجهات الخبيثة عن مهاجمة الشبكة لأن العدد المطلوب من الأموال المرهونة مرتفع جدًا. في حالة Ethereum، يبلغ ذلك 32 ETH.

مزايا PoS:

• أقل استهلاكًا للطاقة مقارنة بـ PoW
• أكثر ملاءمة للعمل مع حلول طبقة-2 مقارنة بـ PoW
• قادر على تحقيق إنتاجية أعلى لأن الإجماع يتم إنشاؤه قبل تمرير الكتل.
• أقل تكلفة من سلاسل كتل PoW لأنه لا يتطلب أجهزة فائقة التخصص لإنشاء كتل جديدة.

سلبيات PoS

• ما زالت أنظمة PoS عرضة للمركزية إذا استطاع مُتحققون يحملون عددًا كبيرًا من الرموز المرهونة التأثير في الشبكة.
• أقل إثباتًا من ناحية الأمان مقارنة بسلاسل كتل PoW.

ما هو إثبات التاريخ؟

**إثبات التاريخ (PoH) هو خوارزمية إجماع قدمتها سلسلة Solana blockchain ويتكون من وضع طابع زمني على جميع الأحداث في الشبكة لإثبات أنها حدثت في وقت محدد. **يمكن وصف PoH بأنه “ساعة” تشفيرية تتحقق من المعاملات بالترتيب التسلسلي.

تدمج Solana نهج PoH مع PoS. لذلك، يتعين على المشاركين في الشبكة رهن SOL ليصبحوا مُتحققين ومعالجة الكتل الجديدة، وتتحقق آلية PoH من صحة تلك المعاملات التي تحدث في الوقت الفعلي. بمعنى آخر، يحافظ PoH على الأمان، بينما يقدّم PoS شبكة من المُتحققين القادرين على التحقق من الطوابع الزمنية وتأكيد المعاملات.

لكن Solana تُضحّي باللامركزية لتوفير إنتاجية معاملات سريعة للغاية. تعتمد سلسلة الكتل على بنية شبه مركزية يتم فيها انتخاب عقدة واحدة كقائدة تتولى تنفيذ مصدر واحد للوقت، أي ساعة PoH، وتجب على جميع العقد الأخرى اتباع تسلسل الأوقات وفقًا لذلك. يتم انتخاب القادة بشكل دوري عبر انتخابات PoS.

وبينما تُعد Solana واحدة من أسرع سلاسل الكتل في الصناعة، فإنها تتعرض بانتظام لانقطاعات. منذ إطلاقها في 2020، عانت الشبكة من حوالي عشر حالات انقطاع، حدثت خمس منها في 2022. والسبب الرئيسي لهذه الأعطال هو “عقدة تم إعدادها بشكل غير صحيح”.

ما هو إثبات الحصة المفوض؟

إثبات الحصة المفوض** (DPoS) هو نوع من مفهوم PoS حيث تلعب الجماعة دورًا محوريًا.**

في سلاسل كتل DPoS، يقوم أعضاء المجتمع برهن عملاتهم المشفرة للتصويت على الشهود أو المندوبين التاليين لإنتاج الكتل. وللقيام بذلك، يجب على المستخدمين تجميع رموزهم في “staking pool” الخاص بسلسلة الكتل ثم ربط الأموال بمندوب محدد.

تم تطوير DPoS بواسطة Dan Larimer، المدير التنفيذي السابق لـ EOS، والذي نفّذ الخوارزمية على BitShares في 2015. وقد قال Larimer وأنصار DPoS الآخرون إن DPoS يوسّع نطاق الديمقراطية لأن المجتمع هو الذي يختار المُتحقق التالي. اليوم، تستخدم سلاسل كتل مثل TRON وCardano DPoS.

ومع ذلك، تتمثل انتقادات DPoS في أن منهجيته تُفضّل المستخدمين الأثرياء. يمكن للذين لديهم عدد كبير من الرموز أن يكون تأثيرهم أكبر في الشبكة. كان Vitalik Buterin واحدًا من أوائل منتقدي DPoS، إذ قال في منشور على مدونة إن خوارزمية الإجماع هذه تُحفز الشهود على تشكيل “cartels” ودفع رشاوى للمصوتين مقابل الدعم.

ما هو إثبات السلطة؟

**إثبات السلطة (PoA) هو خوارزمية إجماع يمكن فيها للأعضاء المصرّح لهم فقط التفاعل مع سلسلة الكتل، وإجراء المعاملات، واقتراح أو تنفيذ تغييرات على معلمات الشبكة، ومراجعة سجل المعاملات، وما إلى ذلك. **

صاغ هذا المصطلح Gavin Wood، مطور بلوك تشين شارك في تأسيس Ethereum وPolkadot وKusama Network.

في سلسلة كتلة PoA، **يدور كل شيء حول السمعة—فمشاركو الشبكة يقومون برهن هوياتهم بدلًا من العملات. **يوفرون مستوى أعلى من قابلية التوسع والإنتاجية لأنّه يعتمد على عدد محدود فقط من المُتحققين. قد نعتقد أن هذا نموذج شديد المركزية، لكن سلاسل كتل PoA تكون عادةً خاصة وتتوافق بشكل أفضل مع الشركات والمؤسسات التي تستخدم تقنية بلوك تشين لتعزيز الأعمال وأنظمة التشغيل.

ما هو إثبات الوقت المنقضي؟

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

قُدمت خوارزمية PoET لأول مرة من قِبل مطوري برامج Intel وتم تطبيقها على Hyperledger Sawtooth، الموجه لسلاسل الكتل الخاصة والمؤسسات.

قد لا تكون الخوارزمية شائعة مثل سلاسل الكتل الأخرى لأنها لم تُعرَّف بشكل كافٍ. لكن كانت الفكرة تقديم محرك جاهز على نمط Nakamoto يسمح لسلاسل الكتل الخاصة باختيار مُنتج الكتلة التالي. وكيف تختلف؟ حسنًا، تُولّد الخوارزمية “وقت انتظار عشوائي” لكل عقدة في الشبكة، وخلال ذلك الوقت يجب على العقدة “sleep” (النوم). يستيقظ صاحب أقصر فترة انتظار أولًا ويحصل على الحق في إنتاج كتلة في السلسلة.

إذًا، يتمثل الاختلاف الرئيسي في أن عمال المناجم في PoET لا يعملون 24/7 ولا يستهلكون طاقة أقل. علاوة على ذلك، في شبكة PoW، يتنافس عمال المناجم لتجزئة رأس الكتلة التالي، بينما في PoET الأمر أقرب إلى نظام اختيار عشوائي.

الأسئلة الشائعة حول خوارزميات الإجماع:

هل سيصبح Ethereum أسرع الآن بعد انتقاله إلى PoS؟

هناك اعتقاد خاطئ شائع بأن Ethereum سيتوسع تلقائيًا بمجرد أن يصبح بلوك تشين قائمًا على PoS. ومع ذلك، تم إجراء هذا الانتقال لتحسين Ethereum عبر:

• خفض استهلاك الطاقة
• خفض عوائق الدخول بإزالة متطلبات الأجهزة
• السماح بفرض عقوبات اقتصادية على سوء تصرف العقد
• إدخال نموذج جديد لانبعاثات الرموز
• وبنية تحتية أفضل للعمل مع حلول Ethereum Layer-2.

**ما هي سلاسل الكتل permissionless وpermissioned?: **

تشير سلسلة كتلة permissionless إلى سلسلة بلوك تشين عامة يمكن لأي شخص من خلالها إجراء المعاملات، ومراجعة سجل المعاملات، ورهن العملات، وأيضًا أن يصبح مُتحققًا، وما إلى ذلك. من ناحية أخرى، في سلاسل كتل permissioned (خاصة)، يمكن للأعضاء المصرّح لهم فقط الوصول إلى الشبكة لإجراء المعاملات، والتفاعل مع عقد الشبكة، وتتبع النشاط على السلسلة، وما إلى ذلك.

هل يُعد PoW أكثر خوارزمية إجماع أمانًا؟ يمتلك PoW نصيبه من العيوب، لكن حتى الآن كان هو الطريقة الأكثر إثباتًا وموثوقية للحفاظ على إجماع وأمان الشبكة في سلسلة كتل.

أفكار ختامية: شرح خوارزمية الإجماع

يُعد البلوك تشين تقنية قادرة على حل العديد من التحديات ونقاط الألم داخل مختلف الصناعات، وليس فقط في مجال الخدمات المصرفية والتمويل. ومع ذلك، فإنه يملك أيضًا نصيبه من الإخفاقات. لذلك أنشأ المطورون عدة أنواع وإصدارات من خوارزميات الإجماع لمعالجة المشكلات الشائعة، مثل المركزية، وضعف قابلية التوسع، وانخفاض الإنتاجية.

لكن الحديث عن مستقبل خوارزميات البلوك تشين أمر صعب بسبب تحدٍّ واحد: Blockchain Trilemma. وقد حدده Vitalik Buterin أولًا، وهو ينص على عجز شبكات البلوك تشين عن توفير فائدتيْن من أصل ثلاث: اللامركزية والأمان وقابلية التوسع. توجد منصات بلوك تشين عديدة، مثل Fantom وSolana، قامت بتنفيذ إصدارات هجينة خاصة بها من خوارزميات الإجماع في محاولة لمعالجة blockchain trilemma، لكن لم ينجح أي منها فعليًا حتى الآن.

كما تم تقديم مقاربات تقنية أخرى لتعزيز خصائص البلوك تشين، ومن أكثرها شيوعًا حلول طبقة-2، وهي سلاسل متصلة بطبقة-1، مثل Arbitrum مع Ethereum، وsharding، الذي يقسم سلسلة الكتل بأكملها إلى شبكات أصغر عديدة. يرى Buterin أن sharding هو أفضل نهج لتوفير الخصائص الثلاث لبلوك تشين “مثالي”.