أنواع خوارزميات الإجماع المختلفة

خوارزمية الإجماع هي إجراء يُستخدم في علوم الحاسوب، يقوم فيه المشاركون في شبكة موزعة **بالاتفاق على حالة الشبكة أو حالة قيمة بيانات واحدة، وإرساء الثقة بين الأقران المجهولين داخل الشبكة. **

صُممت خوارزميات الإجماع بحيث يصل أعضاء سلسلة الكتل إلى اتفاق للتحقق من صحة معاملة على الشبكة، وتغيير معلمات الشبكة، وتحديد أي العقد جديرة بالثقة لمعالجة الكتل الجديدة، ووظائف مهمة أخرى.

لا تدع الطبيعة التقنية لهذا المقال تُربكك—فإن “الإجماع” موجود حولنا في كل مكان—إنه مفهوم إنساني جدًا، لكنه مُطبَّق على شيء يمكن أتمتته.

**وللبداية، في الأنظمة المركزية، تُنفَّذ مهام الإجماع بواسطة سلطة مركزية. **

في الأنظمة اللامركزية مثل Bitcoin، لدينا شبكة تتكون من مئات وآلاف وحتى مئات الآلاف من عمال التعدين أو العقد التي تنضم لأداء مهمة واحدة أو أكثر وتوفير نظام بيئي موثوق وفعّال.

عند التفكير في الإجماع اللامركزي بهذا المثال، لنفترض أنك ضمن مجموعة من أربعة أصدقاء، ويقدم أحد أفرادها، Alex، شخصًا خامسًا، Bob. عندما يغادر Bob، فمن المرجح أن تبدأ المجموعة في الحديث عن Bob (هذه هي البروتوكولات) لمعرفة إن كانوا قد أعجبوا به (ستكون النتيجة هي “الإجماع”)

José: “يبدو أن Bob شاب رائع.”

Kevin: “نعم، شاب رائع. كيف قابلته؟”

Alex: “كان في إحدى حصص مادة المالية لديّ في الكلية؛ كنا نتبادل نصائح تداول العملات المشفرة، وانتهى به الأمر أن يكون شخصًا مضحكًا جدًا.”

Kevin: “جميل، لكن ميماته كانت غريبة بشكل مبالغ فيه.”

John: “أنت فقط لا تفهم ثقافة الميمات.”

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

في هذا المثال، تم التوصل إلى “إجماع” حول ما إذا كان “Bob” يندمج جيدًا في مجموعة الأصدقاء. غالبًا ما يكون هناك إجماع ضروري في وجهات النظر حتى في غياب الالتزامات أو العقود المحددة التي تم الاتفاق عليها. أحد المشاركين، Kevin، متردد بشأن إدخال Bob إلى المجموعة، لكن José وAlex وJohn مرتاحون مع Bob.

في هذه الحالة، إذا كنا سنحوّل المثال أعلاه إلى خوارزمية إجماع: فسيكون ذلك 3 “إنه شخص رائع” و1 “إنه شخص رائع لكنني غير متأكد بشأن XYZ” ومع ذلك لا يزال ينتج “إنه شخص رائع”. تفوز الأغلبية، لذلك سيُسمح لـ Bob أن يجلس مع الأطفال الذين يرون أنفسهم من ضمن الأشخاص الرائعين، رغم رأي Kevin.

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

هنا سنراجع أكثر أنواع—وأقل أنواع—خوارزميات إجماع سلسلة الكتل شيوعًا عبر الشبكات العامة والخاصة.

ما هو Proof of Work؟

**Proof of Work (PoW) هو خوارزمية الإجماع الأكثر شهرة والأقدم، والتي جاءت مع إنشاء Bitcoin في عام 2009 بواسطة Satoshi Nakamoto. **تتألف منظومة PoW من شبكة عالمية من عمال التعدين—المسمّين عقد الشبكة—يتنافسون لحل ألغاز رياضية. عامل التعدين الذي ينجح في حل اللغز يفوز بالحق في إضافة كتلة جديدة إلى سلسلة الكتل ويتلقى مكافأة تُدفع في عملة مشفرة مُنشأة حديثًا.

إثبات العمل هو في الأساس طريقة عامل التعدين لإثبات أنهم قدّموا قدرة حوسبية 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، كانت PoW هي آلية الإجماع الأكثر أمانًا لسلاسل الكتل الخاصة بالعملات المشفرة. يتطلب تغيير الشبكة من مهاجم إعادة تعدين جميع الكتل الموجودة في السلسلة. كلما نمت سلسلة الكتل، أصبح من الأصعب احتكار قوة الحوسبة للشبكة، إذ إن ذلك سيتطلب استهلاكًا هائلًا للطاقة وعتادًا مكلفًا.

بمجرد أن يحل عامل التعدين لغزًا، يجد nonce (اختصارًا لرقم يُستخدم مرة واحدة) الذي ينتج هاشًا بقيمة أقل من أو تساوية لما تحدده صعوبة الشبكة.

يُعد الـ nonce جزءًا مركزيًا في أنظمة PoW لأنه سيسمح لعامل التعدين بإنشاء ترويسة كتلة مُجزأة باستخدام دالة SHA-256 للهاش، وهذا يعني وضع رقم مرجعي للكتلة في سلسلة. كما تتضمن ترويسة الكتلة طابعًا زمنيًا وهاش الكتلة السابقة.

عيوب PoW

يحتاج عمال التعدين إلى توفير قدر كبير من القدرة الحوسبية لحل الألغاز. ولكن بما أن الحسابات معقدة، فإن كمية الطاقة التي يستهلكها جهاز S9 Antminer الواحد عادةً تكون بين 1400 – 1500 واط في الساعة بمعدل hashrate يبلغ 14.5 TH/s. ويستهلك جهاز S19، وهو نسخة أكثر قوة، 3250 واط في الساعة عند hashrate قدره 110 TH/s.

وببعض الحسابات، يمكننا تقدير كمية الطاقة التي تستهلكها مراكز البيانات أو شركات التعدين مع مئات أو آلاف أجهزة التعدين (mining rigs) في موقع واحد يوميًا. يُعد ارتفاع استهلاك الطاقة والأضرار البيئية هي أبرز الانتقادات الموجهة لإثبات العمل.

لإعطاء منظور، قبل أن تنتقل Ethereum إلى Proof of Stake، كان عمال التعدين في Ethereum حول العالم يستهلكون حوالي 10 TWh/yr، وهو ما يعادل جمهورية التشيك.

كما أن الضوضاء العالية تضر أيضًا بمستويات السمع لدى البشر—فوق 80 dBa. ولهذا تُحفظ أجهزة التعدين عادةً في الأقبية أو مرافق التعدين لتجنب الإزعاج للأنشطة اليومية.

ما هو Proof of Stake؟

Proof of Stake (PoS) هو خوارزمية إجماع ثانية الأكثر شهرة. بدلًا من عمال التعدين، تمتلك سلاسل PoS عقد تحقق (validators) تستخدم عملاتها/رموزها كدليل على التزامها بالشبكة بدلًا من الاعتماد على القدرة الحاسوبية.

يعني staking “إقفال” أصول التشفير لفترة داخل منصة سلسلة الكتل، وبالمقابل تُكافئ هذا المستخدمين بمزيد من العملات المشفرة.

PoW مقابل PoS: الاختلافات الرئيسية

في PoS، يمكن للمستخدمين أن يضعوا جزءًا من أصولهم للغرض الوحيد المتمثل في توليد دخل سلبي. الخيار الآخر هو أن تصبح مُحققًا (validator). على عكس أنظمة PoW، لا تتنافس الـ validators لإنشاء كتل جديدة لأنها تُختار عشوائيًا بواسطة خوارزمية. كلما زادت عدد العملات/الرموز التي يضعها المستخدم في الحجز (stake)، زادت فرصه في أن يصبح مُحققًا وأن يخلق كتلًا جديدة في سلسلة الكتل.

في أنظمة PoW، يتم تحديد وقت توليد الكتل الجديدة حسب صعوبة التعدين؛ فكلما انضم مزيد من المشاركين إلى الشبكة، زادت قدرة الهاش، أي القدرة الحاسوبية المطلوبة لتعدين الكتل الجديدة. بالمقابل، تمتلك سلاسل PoS وقتًا ثابتًا لإنشاء الكتل يتم تقسيمه إلى slots—وهو الوقت اللازم لإنشاء كتلة—وepochs، وهي وحدات زمن تتكون من slots.

لشرح ذلك بشكل أفضل: في Ethereum، يتكون الـ slot من 12 ثانية، وهي المدة التي تستغرقها الشبكة لإنشاء كتلة، و32 slot تُشكل epoch. لذلك، تساوي epoch واحدة 6.4 دقائق. كل slot في سلسلة PoS يحتوي على عدد محدد سلفًا من الـ validators الذين يصوتون على صحة الكتلة المرشحة. إذا كانت الكتلة صحيحة، تُضاف إلى السلسلة، ويتلقى مُقترح الكتلة والجهات التي تصادق عليها مكافآت في ETH.

تُعاقب سلاسل PoS الجهات الخبيثة التي تهاجم الشبكة بهجمات على نمط 51%، ويُسمى ذلك slashing، حيث يقوم الـ validators الأمناء بطرد الـ validator الخبيث من الشبكة وتصريف رصيده. هذا يثني الجهات الخبيثة عن مهاجمة الشبكة لأن العدد المطلوب من الأموال المُقفلَة (staked funds) مرتفع بشكل ملحوظ. وفي حالة Ethereum، تبلغ 32 ETH.

إيجابيات PoS:

• طاقة أقل استهلاكًا مقارنة بـ PoW
• أكثر ملاءمة للعمل مع حلول الطبقة الثانية layer-2 مقارنةً بـ PoW
• قادر على تحقيق إنتاجية أعلى لأن الإجماع يتم تأسيسه قبل تمرير الكتل.
• أقل تكلفة من سلاسل PoW لأنها لا تتطلب عتادًا فائقًا لإنشاء كتل جديدة.

سلبيات PoS

• لا تزال أنظمة PoS عرضة للمركزية إذا تمكن validators يمتلكون عددًا كبيرًا من الرموز المقفلة من التأثير في الشبكة.
• إثبات أقل من حيث الأمان مقارنةً بسلاسل PoW.

ما هو Proof of History؟

**Proof of History (PoH) هو خوارزمية إجماع قدمتها سلسلة Solana، وتتمثل في وضع طابع زمني (timestamp) على جميع الأحداث داخل الشبكة لإثبات أنها حدثت في وقت محدد. **يمكن وصف PoH بأنه “ساعة” تشفيرية تؤكد المعاملات بالترتيب التسلسلي.

تجمع Solana بين نهجها في PoH وتطبيق PoS. لذلك، يتعين على المشاركين في الشبكة أن يقوموا بإقفال SOL لتصبحوا validators ومعالجة الكتل الجديدة، بينما تتحقق آلية PoH من صحة تلك المعاملات التي تحدث في الزمن الحقيقي. بمعنى آخر، يحافظ PoH على الأمان، بينما يقدم PoS شبكة من validators يمكنها التحقق من الطوابع الزمنية وتأكيد المعاملات.

لكن، تتنازل Solana عن اللامركزية مقابل توفير إنتاجية معاملات فائقة السرعة. تعتمد سلسلة الكتل على بنية شبه مركزية يتم فيها انتخاب عقدة واحدة كقائد (leader) تكون مسؤولة عن تنفيذ “مصدر واحد للوقت”، أي ساعة PoH، وتجب على جميع العقد الأخرى اتباع تسلسلات الوقت وفقًا لذلك. يتم انتخاب القادة بشكل دوري عبر انتخابات PoS.

على الرغم من أن Solana من أسرع سلاسل الكتل في المجال، إلا أنها تتعرض بانتظام إلى توقفات (downtimes). منذ إطلاقها في 2020، عانت الشبكة من حوالي عشر حالات توقف، حدثت خمس منها في عام 2022. السبب الرئيسي لهذه الأعطال هو “عقدة مُهيأة بشكل غير صحيح”.

ما هو Delegated Proof of Stake؟

Delegated Proof of Stake** (DPoS) هو نوع/صيغة مختلفة من مفهوم PoS، حيث تلعب الجماعة (community) دورًا محوريًا.**

في سلاسل DPoS، يقوم أعضاء المجتمع بإقفال عملاتهم المشفرة للتصويت على الشهود أو المندوبين (delegates) القادمين لإنتاج الكتل. وللقيام بذلك، يجب على المستخدمين تجميع رموزهم داخل “حوض” staking الخاص بسلسلة الكتل ثم ربط الأموال بمندوب محدد.

تم تطوير DPoS بواسطة Dan Larimer، كبير مسؤولي التقنية السابق (CTO) في EOS، والذي قام بتنفيذ الخوارزمية على BitShares في عام 2015. وقد قال Larimer وأنصار DPoS الآخرون إن DPoS يوسع النطاق الديمقراطي، لأن المجتمع هو من يختار الـ validator التالي. اليوم، تستخدم سلاسل مثل TRON وCardano DPoS.

ومع ذلك، تتمثل الانتقادات الموجهة إلى DPoS في أن منهجيته تفضّل المستخدمين الأثرياء. فذوو عدد كبير من الرموز يمكنهم أن يكون لهم تأثير أكبر في الشبكة. كان Vitalik Buterin من أوائل منتقدي DPoS، إذ ادعى في منشور مدونة أن خوارزمية الإجماع هذه تحفز الشهود على تكوين كارتلات (cartels) وشراء/رشوة الناخبين للحصول على الدعم.

ما هو Proof of Authority؟

**Proof of Authority (PoA) هي خوارزمية إجماع يمكن فيها فقط للأعضاء الحاصلين على إذن التفاعل مع سلسلة الكتل، وإجراء المعاملات، واقتراح أو إجراء تغييرات على معلمات الشبكة، ومراجعة سجل المعاملات، إلخ. **

صُك هذا المصطلح بواسطة Gavin Wood، وهو مطور في مجال سلسلة الكتل شارك في تأسيس Ethereum وPolkadot وشبكة Kusama.

في سلسلة PoA، **كل شيء يتعلق بالسمعة—حيث يقوم المشاركون في الشبكة بإقفال هوياتهم بدلًا من إقفال العملات. **إنهم يوفّرون مستوى أعلى من قابلية التوسع والإنتاجية لأن ذلك يعتمد فقط على عدد محدود من validators. قد نرى أن هذا نموذج شديد المركزية، لكن سلاسل PoA عادةً ما تكون خاصة وتناسب بشكل أفضل الشركات والمؤسسات التي تستخدم تقنيات سلسلة الكتل لتعزيز الأعمال وأنظمة التشغيل.

ما هو Proof of Elapsed Time؟

Proof of Elapsed Time (PoET) هي خوارزمية إجماع أخرى تعمل بشكل أفضل مع سلاسل الكتل الخاصة.

تم تقديم خوارزمية PoET لأول مرة من قِبل مطوري برمجيات لدى Intel وتم تنفيذها في Hyperledger Sawtooth، واستهدفت سلاسل الكتل الخاصة والمؤسسات.

قد لا تكون الخوارزمية شائعة مثل سلاسل الكتل الأخرى لأنها لم تُعرَّف بشكل كافٍ. لكن كانت الفكرة تتمثل في تقديم “محرك جاهز” على طريقة Nakamoto يسمح لسلاسل الكتل الخاصة باختيار مُنتِج الكتلة التالي. وكيف تختلف؟ حسنًا، تقوم الخوارزمية بتوليد “وقت انتظار عشوائي” لكل عقدة في الشبكة، وخلال ذلك الوقت يجب على العقدة أن “تنام”. العقدة ذات أقصر مدة انتظار تستيقظ أولًا وتفوز بالحق في إنتاج كتلة في السلسلة.

لذلك، يتمثل الاختلاف الرئيسي في أن عمال التعدين في PoET لا يعملون 24/7 ولا يستهلكون طاقة أقل. كذلك، في شبكة PoW يتنافس عمال التعدين على تجزئة (hash) ترويسة الكتلة التالية، بينما في PoET الأمر أقرب إلى نظام اختيار عشوائي.

أسئلة متكررة حول خوارزميات الإجماع:

هل ستصبح Ethereum أسرع الآن بعد انتقالها إلى PoS؟

سوء فهم شائع هو أن Ethereum ستقوم تلقائيًا بالتحجيم (scale) بمجرد أن تصبح سلسلة كتلة مبنية على PoS. لكن تم إجراء هذا الانتقال لتحسين Ethereum عبر:

• خفض استهلاك الطاقة
• خفض الحواجز أمام الدخول عبر إزالة متطلبات العتاد
• السماح بفرض عقوبات اقتصادية على سوء سلوك العقد
• إدخال نموذج جديد لانبعاثات الرموز (token emissions)
• وبنية تحتية أفضل للعمل مع حلول Ethereum Layer-2.

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

تشير سلسلة الكتل permissionless إلى سلسلة كتلة عامة يمكن لأي شخص من خلالها إجراء معاملات، ومراجعة سجل المعاملات، وإقفال العملات، والتحول إلى مُحقق (validator)، إلخ. من ناحية أخرى، في سلاسل الكتل permissioned (الخاصة)، لا يمكن الوصول إلى الشبكة إلا للأعضاء الحاصلين على إذن لإجراء المعاملات، والتفاعل مع عقد الشبكة، وتتبع النشاط على السلسلة، إلخ.

هل PoW هي خوارزمية الإجماع الأكثر أمانًا؟ لدى PoW نصيبها من العيوب، لكن حتى الآن، كانت الطريقة الأكثر إثباتًا وثقة للحفاظ على إجماع الشبكة وأمنها في سلسلة الكتل.

الخلاصة النهائية: شرح خوارزمية الإجماع

سلسلة الكتل هي تقنية قادرة على حل العديد من التحديات ونقاط الألم داخل مختلف الصناعات، وليس فقط في مجال البنوك والتمويل. ومع ذلك، لديها نصيبها من الإخفاقات. لذلك، أنشأ المطورون أنواعًا وإصدارات متعددة من خوارزميات الإجماع لمعالجة المشكلات الشائعة، مثل المركزية، وضعف قابلية التوسع، وانخفاض الإنتاجية.

لكن الحديث عن مستقبل خوارزميات سلسلة الكتل صعب بسبب تحدٍ واحد: Blockchain Trilemma. وقد حدده Vitalik Buterin أولًا، وهو ينص على عدم قدرة شبكات سلسلة الكتل على تقديم اثنين فقط من بين ثلاث مزايا: اللامركزية والأمان وقابلية التوسع. توجد منصات متعددة لسلاسل الكتل، مثل Fantom وSolana، قامت بتنفيذ نسخ هجينة خاصة بها من خوارزميات الإجماع بهدف حل معضلة الثلاثي لسلسلة الكتل، لكن لم ينجح أي منها حتى الآن بشكل فعلي.

تمت أيضًا محاولات لتحقيق تحسينات تقنية لتعزيز خصائص سلسلة الكتل، ومن أكثر الحلول شيوعًا الطبقة الثانية (layer-2s)، وهي سلاسل مرتبطة بسلسلة من الطبقة الأولى (layer-1)، مثل Arbitrum مع Ethereum، والتجزئة (sharding)، التي تقسم سلسلة الكتل بأكملها إلى العديد من الشبكات الأصغر. يرى Buterin أن التجزئة هي أفضل نهج لتوفير الخصائص الثلاث لسلسلة كتلة مثالية.