الگوریتم اجماع (Consensus Algorithms) چیست؟

در سیستم‌های غیرمتمرکز، یکی از چالش‌های اساسی، توافق بین اعضای شبکه بر روی یک وضعیت واحد از داده‌ها است. الگوریتم اجماع (Consensus Algorithms) مکانیزم‌هایی هستند که برای دستیابی به این توافق در شبکه‌های توزیع‌شده و بلاکچین‌ها به کار می‌روند. این الگوریتم‌ها تضمین می‌کنند که تمامی گره‌های شبکه، حتی در صورت وجود نودهای مخرب یا خطاهای سیستمی، به یک نسخه واحد و معتبر از اطلاعات دست یابند.

الگوریتم‌های اجماع انواع مختلفی دارند که هر کدام برای شرایط و نیازهای خاصی طراحی شده‌اند. از جمله پرکاربردترین آن‌ها می‌توان به اثبات کار (PoW)، اثبات سهام (PoS) و الگوریتم رأی‌گیری عملی بیزانسی (PBFT) اشاره کرد. هر یک از این روش‌ها دارای مزایا و معایب خود هستند و بسته به کاربرد مورد نظر، انتخاب می‌شوند در این مقاله از فارسی اکسچنج به بررسی دقیق این مفاهیم خواهیم پرداخت.

با رشد فناوری بلاکچین و سیستم‌های غیرمتمرکز، الگوریتم‌های اجماع نقشی کلیدی در حفظ امنیت، اعتماد و پایداری این شبکه‌ها ایفا می‌کنند.

 کاربردهای الگوریتم اجماع

بلاکچین و ارزهای دیجیتال
الگوریتم‌های اجماع برای تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلوک‌های جدید در شبکه‌های بلاکچینی مانند بیت‌کوین و اتریوم استفاده می‌شوند. این مکانیزم‌ها مانع از دوبار خرج کردن شده و امنیت شبکه را تأمین می‌کنند.

سیستم‌های مالی و بانکی
بانک‌ها و موسسات مالی برای تسویه حساب‌ها، پردازش پرداخت‌های بین‌المللی و ایجاد دفتر کل توزیع‌شده از الگوریتم‌های اجماع استفاده می‌کنند. فناوری دفتر کل توزیع‌شده (DLT) امنیت و شفافیت تراکنش‌های مالی را افزایش می‌دهد.

سیستم‌های رأی‌گیری الکترونیکی
در انتخابات دیجیتال، استفاده از الگوریتم‌های اجماع مانع از دست‌کاری آرا و تقلب در رأی‌گیری می‌شود. سیستم‌های رأی‌گیری مبتنی بر بلاکچین صحت آرا را تضمین کرده و نتایج شفاف‌تری ارائه می‌دهند.

اینترنت اشیا (IoT)
الگوریتم‌های اجماع در سیستم‌های IoT برای مدیریت داده‌های حسگرها، تأمین امنیت ارتباطات و جلوگیری از حملات سایبری استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، در شبکه‌های هوشمند، الگوریتم‌های اجماع سبک‌تر مانند PoA (Proof of Authority) برای پردازش سریع داده‌ها به کار گرفته می‌شوند.

مدیریت زنجیره تأمین
الگوریتم‌های اجماع در زنجیره‌های تأمین برای رهگیری کالاها، تأیید اصالت محصولات و بهبود شفافیت بین تأمین‌کنندگان و مشتریان استفاده می‌شوند. شرکت‌هایی مانند IBM و Walmart از بلاکچین برای نظارت بر روند تأمین کالاها استفاده می‌کنند.

ذخیره‌سازی داده‌های غیرمتمرکز
سیستم‌های ذخیره‌سازی ابری غیرمتمرکز مانند IPFS و Filecoin از الگوریتم‌های اجماع برای توزیع ایمن داده‌ها و جلوگیری از سانسور یا تغییرات غیرمجاز بهره می‌برند.

انواع الگوریتم اجماع

الگوریتم‌های اجماع انواع مختلفی دارند که هر یک برای شرایط خاصی طراحی شده‌اند و در سیستم‌های غیرمتمرکز کاربردهای متفاوتی دارند. برای آشنایی بیشتر با این الگوریتم‌ها، ادامه را بخوانید.

اثبات کار (PoW)

اثبات کار (PoW) یکی از رایج‌ترین الگوریتم‌های اجماع است که در شبکه‌های بلاکچینی برای تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلوک‌های جدید به کار می‌رود. این الگوریتم مبتنی بر حل معادلات پیچیده ریاضی است که توسط ماینرها انجام می‌شود و نیازمند توان پردازشی بالا و مصرف انرژی زیادی است. در PoW، ماینری که زودتر مسئله ریاضی را حل کند، حق افزودن بلوک جدید به زنجیره را به دست می‌آورد و در ازای آن پاداش دریافت می‌کند. این مکانیزم امنیت شبکه را تضمین کرده و از حملات مخرب مانند دوبار خرج کردن (Double Spending) جلوگیری می‌کند.

 اثبات سهام (PoS)

اثبات سهام (PoS) یک الگوریتم اجماع است که برای تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلوک‌های جدید در بلاکچین به جای توان پردازشی، از میزان دارایی کاربر در شبکه استفاده می‌کند. در این روش، اعتبارسنج‌ها (Validators) بر اساس مقدار ارزی که در شبکه قفل کرده‌اند (Stake)، انتخاب می‌شوند و هرچه میزان سهام بیشتری داشته باشند، شانس بیشتری برای افزودن بلوک جدید و دریافت پاداش خواهند داشت. این الگوریتم نسبت به اثبات کار (PoW) مصرف انرژی کمتری دارد و مقیاس‌پذیری شبکه را افزایش می‌دهد، در حالی که همچنان امنیت بلاکچین را حفظ می‌کند.

اثبات سهام نمایندگی شده (DPoS)

اثبات سهام نمایندگی‌شده (DPoS) نسخه بهینه‌شده‌ای از اثبات سهام (PoS) است که برای افزایش سرعت و مقیاس‌پذیری بلاکچین طراحی شده است. در این روش، دارندگان ارز دیجیتال می‌توانند با استفاده از حق رأی خود، نمایندگانی (Delegates) را انتخاب کنند تا فرآیند تأیید تراکنش‌ها و تولید بلوک‌ها را مدیریت کنند. این نمایندگان، که تعداد محدودی دارند، به طور چرخشی وظیفه اعتبارسنجی را انجام می‌دهند و پاداش‌های کسب‌شده را با رأی‌دهندگان خود به اشتراک می‌گذارند. الگوریتم DPoS باعث افزایش سرعت پردازش تراکنش‌ها و کاهش مصرف انرژی می‌شود، اما به دلیل تمرکز نسبی بر نمایندگان منتخب، ممکن است تا حدودی از تمرکززدایی کامل فاصله بگیرد.

اثبات سهام استیجاری (LPoS)

اثبات سهام استیجاری (LPoS) نسخه‌ای اصلاح‌شده از اثبات سهام (PoS) است که به کاربران امکان می‌دهد بدون نیاز به اجرای یک نود کامل، دارایی‌های خود را به یک نود اعتبارسنج (Validator) اجاره دهند. در این روش، کاربرانی که مقدار کمی از توکن‌های شبکه را دارند اما نمی‌خواهند یا نمی‌توانند نود راه‌اندازی کنند، می‌توانند دارایی‌های خود را به نودهای معتبر اجاره دهند و در ازای آن، سهمی از پاداش اعتبارسنجی دریافت کنند. این مدل باعث افزایش امنیت شبکه و تمرکززدایی بیشتر می‌شود، زیرا افراد بیشتری می‌توانند بدون نیاز به منابع فنی قوی، در فرآیند اجماع مشارکت داشته باشند. یکی از بلاکچین‌های معروفی که از این الگوریتم استفاده می‌کند، Waves است.

 الگوریتم اثبات اعتبار (PoA)

اثبات اعتبار (PoA) یک الگوریتم اجماع است که به جای وابستگی به توان پردازشی یا مقدار دارایی سهام‌گذاری‌شده، بر هویت و اعتبار تأییدکنندگان (Validators) متکی است. در این روش، تعداد محدودی از اعتبارسنج‌های معتبر که هویت آن‌ها مشخص و مورد اعتماد شبکه است، وظیفه تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلوک‌های جدید را بر عهده دارند. این الگوریتم به دلیل سرعت بالا، کارایی بیشتر و کاهش مصرف انرژی برای شبکه‌های خصوصی و سازمانی مناسب است، اما به دلیل متمرکز بودن انتخاب اعتبارسنج‌ها، نسبت به روش‌های غیرمتمرکز مانند اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) از تمرکززدایی کمتری برخوردار است.

تحمل خطای بیزانس (BFT)

تحمل خطای بیزانس (BFT) یک الگوریتم اجماع است که برای حل مشکلات ناشی از وجود نودهای مخرب یا خرابکار در شبکه‌های غیرمتمرکز طراحی شده است. هدف این الگوریتم این است که حتی در صورتی که برخی از نودها به اشتباه یا به عمد اطلاعات نادرستی ارسال کنند، شبکه همچنان بتواند به توافق برسد و عملکرد صحیح خود را حفظ کند. در BFT، نودها از طریق مکانیسم‌های رای‌گیری و تایید به توافق جمعی می‌رسند و به این ترتیب از حملات بیزانس، که در آن برخی نودها قصد گمراه کردن یا اختلال در فرآیند اجماع را دارند، جلوگیری می‌شود. این الگوریتم به ویژه در شبکه‌های بلاکچینی که به امنیت و قابلیت اطمینان بالا نیاز دارند، کاربرد دارد و در سیستم‌هایی مانند Hyperledger Fabric و Tendermint مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 تحمل خطای بیزانس عملی (PBFT)

تحمل خطای بیزانس عملی (PBFT) یک الگوریتم اجماع پیشرفته است که برای بهبود تحمل خطای بیزانس (BFT) طراحی شده و می‌تواند تضمین کند که حتی در صورت وجود نودهای خرابکار در شبکه، اجماع به درستی صورت گیرد. در این الگوریتم، نودهای شبکه برای تأیید صحت تراکنش‌ها از یک فرآیند سه مرحله‌ای استفاده می‌کنند: پیشنهاد بلوک، رای‌گیری و تایید نهایی. PBFT به ویژه برای شبکه‌های بلاکچینی با مقیاس پایین‌تر که نیاز به تراکنش‌های سریع و با هزینه کم دارند، مناسب است. این الگوریتم قادر است تا تا یک سوم از نودها خرابکار یا خراب‌کار شوند و همچنان عملکرد صحیح خود را حفظ کند. از مزایای آن می‌توان به سرعت بالا و کاهش تأخیر در تایید تراکنش‌ها اشاره کرد، اما در شبکه‌های با تعداد نودهای زیاد، مقیاس‌پذیری آن ممکن است محدود شود.

 تحمل خطای بیزانس تفویض شده (dBFT)

تحمل خطای بیزانس تفویض‌شده (dBFT) یک الگوریتم اجماع است که نسخه‌ای بهبود یافته از PBFT محسوب می‌شود و برای ایجاد یک شبکه مقیاس‌پذیرتر و کارآمدتر طراحی شده است. در این الگوریتم، اعتبارسنج‌ها از طریق انتخاب نمایندگان (Delegates) که مسئول تأیید تراکنش‌ها و بلوک‌ها هستند، فرآیند اجماع را انجام می‌دهند. به این ترتیب، فرآیند اجماع از حالت متمرکز و پیچیده PBFT به حالتی ساده‌تر و مقیاس‌پذیرتر تبدیل می‌شود. در dBFT، نمایندگان منتخب توسط دارندگان توکن انتخاب می‌شوند و آن‌ها نقش مهمی در حفظ امنیت و یکپارچگی شبکه ایفا می‌کنند. این الگوریتم در بلاکچین‌هایی مانند Neo استفاده می‌شود و با داشتن سرعت بالا و مقیاس‌پذیری بهبود یافته، برای شبکه‌های عمومی و خصوصی مناسب است. از مزایای dBFT می‌توان به کاهش بار پردازشی، مقیاس‌پذیری بهتر و مقاومت در برابر حملات بیزانس اشاره کرد.

 گراف جهت‌دار غیرمدور (DAG)

گراف جهت‌دار غیرمدور (DAG) یک نوع ساختار داده است که در آن رئوس (نقاط) توسط یال‌ها (خطوط) به یکدیگر متصل شده‌اند و هیچ مسیری وجود ندارد که دوباره به راس اولیه باز گردد، به عبارت دیگر هیچ چرخه‌ای در آن وجود ندارد. این ساختار به دلیل ویژگی‌های خاص خود، در زمینه‌های مختلفی مانند مدیریت داده‌ها، پردازش موازی و بلاکچین کاربرد دارد. در بلاکچین‌هایی که از DAG استفاده می‌کنند، برخلاف بلاکچین‌های سنتی، تراکنش‌ها به صورت موازی ثبت می‌شوند و تراکنش‌ها به ترتیب وارد زنجیره نمی‌شوند، که این موضوع باعث می‌شود سرعت پردازش تراکنش‌ها بیشتر و هزینه‌ها کاهش یابد. پروژه‌هایی مانند IOTA و Hedera Hashgraph از این ساختار برای بهبود مقیاس‌پذیری و کارایی شبکه‌های خود استفاده کرده‌اند. DAG به دلیل قابلیت‌های بالا در مقیاس‌پذیری و عدم وابستگی به بلوک‌ها، آینده روشنی در زمینه‌های مختلف دارد.

 اثبات ظرفیت (PoC)

اثبات ظرفیت (PoC) یک الگوریتم اجماع است که به جای استفاده از توان پردازشی یا دارایی‌های دیجیتال، از فضای ذخیره‌سازی موجود در دیسک‌های سخت (HDD) برای تأیید تراکنش‌ها و تولید بلوک‌های جدید استفاده می‌کند. در این الگوریتم، کاربران فضای ذخیره‌سازی خود را برای ذخیره داده‌های مورد نیاز برای حل مسائل پیچیده اختصاص می‌دهند و هرچه ظرفیت بیشتری اختصاص دهند، شانس بیشتری برای دریافت پاداش دارند. PoC به دلیل استفاده از فضای ذخیره‌سازی به جای پردازش‌های محاسباتی پیچیده، مصرف انرژی کمتری دارد و از این رو نسبت به الگوریتم‌هایی مانند اثبات کار (PoW) به مراتب سازگارتر با محیط زیست است. این الگوریتم در پروژه‌هایی مانند Chia به کار گرفته شده و می‌تواند جایگزین مناسبی برای الگوریتم‌های انرژی‌بر دیگر باشد.

 اثبات سوزاندن (PoB)

اثبات سوزاندن (PoB) یک الگوریتم اجماع است که در آن کاربران بخشی از دارایی‌های دیجیتال خود را به‌طور دائمی “می‌سوزانند” یا از دسترس خارج می‌کنند تا در فرآیند تأیید تراکنش‌ها و تولید بلوک‌ها مشارکت کنند. این روش به‌طور عمدی از دارایی‌ها برای کاهش عرضه و ایجاد ارزش در شبکه استفاده می‌کند. در PoB، سوزاندن توکن‌ها به عنوان نشانه‌ای از تعهد به شبکه و جلب اعتماد دیگر شرکت‌کنندگان عمل می‌کند. به‌عبارت دیگر، هر چه مقدار بیشتری از دارایی‌ها سوزانده شود، قدرت و شانس بیشتری برای دریافت پاداش در فرآیند اجماع وجود خواهد داشت. این الگوریتم می‌تواند تأثیر مثبتی بر کاهش تورم و افزایش ارزش بلندمدت ارز دیجیتال داشته باشد. پروژه‌هایی مانند BurnX از این مدل برای تقویت شبکه و ایجاد انگیزه برای مشارکت کاربران استفاده می‌کنند.

اثبات هویت (PoI)

اثبات هویت (PoI) یک الگوریتم اجماع است که برای تأیید اعتبار و شرکت در فرآیند اجماع بر اساس هویت واقعی کاربران طراحی شده است. در این الگوریتم، به جای استفاده از معیارهای مالی یا پردازشی، از اطلاعات هویتی معتبر برای تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلوک‌های جدید استفاده می‌شود. این سیستم به کاربران نیاز دارد که هویت خود را به‌طور معتبر ثبت و تأیید کنند، به طوری که تنها افراد شناخته‌شده و تاییدشده قادر به مشارکت در فرآیند اجماع و دریافت پاداش باشند. اثبات هویت (PoI) بیشتر در شبکه‌هایی که تمرکز زیادی بر امنیت و هویت افراد دارند، مانند سیستم‌های حکمرانی دیجیتال یا شبکه‌های اجتماعی غیرمتمرکز، کاربرد دارد. این الگوریتم می‌تواند از تقلب و حملات هویتی جلوگیری کرده و اعتماد بیشتری در شبکه‌های غیرمتمرکز ایجاد کند.

 اثبات فعالیت (PoA)

اثبات فعالیت (PoA) یک الگوریتم اجماع است که ترکیبی از روش‌های اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) است. در این الگوریتم، فرآیند اجماع ابتدا با اثبات کار (PoW) شروع می‌شود که به نودها اجازه می‌دهد برای حل مسائل پیچیده و استخراج بلوک‌ها رقابت کنند. سپس، پس از ایجاد بلوک، فرآیند اجماع به حالت اثبات سهام (PoS) تغییر می‌کند، جایی که دارندگان توکن‌ها به صورت تصادفی برای تأیید بلوک‌ها و ایجاد بلوک‌های جدید انتخاب می‌شوند. این مدل ترکیبی به شبکه کمک می‌کند تا از مزایای هر دو الگوریتم بهره‌برداری کند: از یک سو، امنیت بالا را از طریق PoW فراهم می‌کند و از سوی دیگر، مقیاس‌پذیری و کارایی بهتر را با PoS به ارمغان می‌آورد. الگوریتم PoA در شبکه‌هایی که به دنبال ترکیب امنیت و مقیاس‌پذیری هستند، مانند Ethereum 2.0 در آینده یا دیگر پروژه‌های مشابه، کاربرد دارد.

اثبات زمان سپری شده (PoET)

اثبات زمان سپری شده (PoET) یک الگوریتم اجماع است که از زمان تأخیر تصادفی برای انتخاب اعتبارسنج‌ها استفاده می‌کند. در این روش، نودها به طور تصادفی زمان خاصی را برای خوابیدن یا انتظار سپری می‌کنند و سپس اولین نودی که زمان تعیین‌شده را به پایان رساند، حق تولید بلوک بعدی را به دست می‌آورد. این فرآیند به گونه‌ای طراحی شده که مصرف انرژی بسیار کمتری نسبت به اثبات کار (PoW) داشته باشد، زیرا نودها به جای رقابت برای انجام محاسبات پیچیده، تنها منتظر می‌مانند تا زمان تعیین‌شده بگذرد. PoET معمولاً در شبکه‌هایی که نیاز به مقیاس‌پذیری بالا دارند، مانند Hyperledger Sawtooth، استفاده می‌شود. این الگوریتم علاوه بر کاهش مصرف انرژی، امنیت را نیز با ایجاد فرصت‌های برابر برای نودها حفظ می‌کند.

اثبات اهمیت (PoI)

اثبات اهمیت (PoI) یک الگوریتم اجماع است که بر اساس فعالیت و مشارکت کاربران در شبکه به آن‌ها امتیاز می‌دهد و از این امتیاز برای تعیین نقش آن‌ها در فرآیند تأیید تراکنش‌ها و تولید بلوک‌ها استفاده می‌کند. در این سیستم، کاربران با توجه به فعالیت‌های گذشته خود، مانند تعداد تراکنش‌های انجام‌شده، مدت زمان حضور در شبکه یا میزان مشارکت در شبکه، امتیاز اهمیت می‌گیرند. این امتیاز به آن‌ها اجازه می‌دهد تا در فرآیند اجماع شرکت کنند و شانس بیشتری برای تأیید تراکنش‌ها یا ایجاد بلوک‌های جدید داشته باشند. برخلاف الگوریتم‌های مبتنی بر اثبات سهام (PoS) که به دارایی‌های مالی وابسته‌اند، PoI بیشتر به فعالیت و مشارکت واقعی کاربران توجه دارد، که باعث می‌شود کاربران فعال‌تر و با انگیزه‌تر در حفظ یکپارچگی شبکه نقش داشته باشند. این الگوریتم می‌تواند در سیستم‌هایی که می‌خواهند از کاربران واقعی و فعال برای اجماع استفاده کنند، کاربرد داشته باشد.

سخن پایانی

در نهایت، الگوریتم‌های اجماع بخش حیاتی در عملکرد شبکه‌های بلاکچین هستند که تضمین می‌کنند تراکنش‌ها به‌طور ایمن و شفاف ثبت شوند و همه نودها در شبکه به توافق برسند. این الگوریتم‌ها نه تنها امنیت شبکه را تامین می‌کنند، بلکه نقش مهمی در مقیاس‌پذیری، کارایی و کاهش مصرف انرژی دارند. با توجه به نیازهای خاص هر شبکه، انواع مختلفی از الگوریتم‌های اجماع وجود دارد که انتخاب مناسب آن‌ها بسته به نوع کاربرد، مقیاس شبکه و میزان امنیت مورد نیاز متفاوت است. به طور کلی، پیشرفت در این الگوریتم‌ها به بلاکچین‌ها کمک کرده تا در برابر حملات مقاوم‌تر و به طور همزمان سریع‌تر و مقیاس‌پذیرتر شوند. با توجه به رشد سریع این فناوری، انتظار می‌رود که الگوریتم‌های اجماع همچنان به تکامل خود ادامه دهند و به بهبود عملکرد و کارایی بلاکچین‌ها کمک کنند.

سوالات متداول