مقایسه PoW و PoS؛ این دو الگوریتم اجماع چه مزایا و معایبی دارند؟

وقتی درباره بیت کوین، اتریوم یا بلاکچین صحبت می‌کنیم، معمولا همه نگاه‌ها به قیمت و رشد بازار دوخته می‌شود؛ اما پشت پرده تمام این شبکه‌ها، چیزی وجود دارد که عملا تعیین می‌کند یک بلاکچین چقدر امن، سریع و غیرمتمرکز باشد و آن الگوریتم اجماع است. در واقع، اگر بلاکچین را یک شهر بزرگ و بدون رئیس تصور کنیم، الگوریتم اجماع همان قانونی است که باعث می‌شود میلیون‌ها نفر بدون اعتماد به یکدیگر، همچنان نظم شبکه را حفظ کنند و کسی نتواند تقلب کند یا اطلاعات را تغییر دهد.

سال‌ها الگوریتم گواه اثبات کار (Proof of Work) با بیت کوین گره خورده بود و بسیاری آن را امن‌ترین مدل اجماع دنیا می‌دانستند؛ اما مصرف برق سرسام‌آور، سرعت پایین تراکنش‌ها و مشکلات مقیاس‌پذیری باعث شد پروژه‌های جدید به سمت گواه اثبات سهام (Proof of Stake) حرکت کنند. مهاجرت تاریخی اتریوم به PoS هم این بحث را داغ‌تر از همیشه کرد. حالا سوال اصلی اینجاست: آیا PoS واقعا آینده بلاکچین است یا PoW همچنان امن‌ترین گزینه باقی می‌ماند؟ در این مقاله از میهن بلاکچین، به زبان ساده و با مثال‌های واقعی، تفاوت‌ها، مزایا، معایب و آینده این دو الگوریتم مهم را بررسی می‌کنیم.

الگوریتم اجماع چیست؟

بلاکچین‌ها برخلاف سیستم‌های بانکی، مدیر یا سرور مرکزی ندارند. یعنی هیچ نهاد واحدی مسئول تایید تراکنش‌ها یا نگهداری اطلاعات نیست. در عوض، هزاران کامپیوتر یا نود (Node) در سراسر دنیا نسخه‌ای از اطلاعات شبکه را نگهداری می‌کنند. حالا سوال مهم این است: وقتی هیچ مرجع مرکزی وجود ندارد، این نودها چطور درباره معتبر بودن تراکنش‌ها با هم به توافق می‌رسند؟ اینجاست که مفهوم «الگوریتم اجماع» وارد ماجرا می‌شود.

الگوریتم اجماع (Consensus Algorithm) در واقع مجموعه‌ای از قوانین و سازوکارهاست که به نودهای شبکه کمک می‌کند روی وضعیت بلاکچین به توافق برسند. به زبان ساده، الگوریتم اجماع تعیین می‌کند چه کسی اجازه دارد بلاک جدید را به شبکه اضافه کند، تراکنش‌ها چگونه تایید شوند و چطور جلوی تقلب یا دوبار خرج کردن (Double Spending) گرفته شود. بدون وجود این مکانیزم، عملا هیچ بلاکچین غیرمتمرکزی نمی‌توانست امن و قابل اعتماد باقی بماند.

در دنیای ارزهای دیجیتال، مدل‌های مختلفی از الگوریتم اجماع وجود دارد؛ اما دو مورد از معروف‌ترین و تاثیرگذارترین آن‌ها، «گواه اثبات کار» و «گواه اثبات سهام» هستند. بیت کوین با استفاده از PoW انقلابی در سیستم‌های مالی غیرمتمرکز ایجاد کرد و بعدها پروژه‌هایی مثل اتریوم برای حل مشکلات مقیاس‌پذیری و مصرف انرژی، به سمت PoS رفتند. در ادامه، هرکدام از این دو مدل را به‌طور کامل بررسی می‌کنیم.

توصیه می‌کنیم برای درک بهتر چیستی الگوریتم اجماع در شبکه‌های بلاکچینی، حتما مقاله «الگوریتم اجماع چیست؟ آشنایی با راهکارهای توافق در شبکه‌های بلاکچین» را در بلاگ میهن بلاکچین مطالعه کنید.

الگوریتم گواه اثبات کار (PoW) چیست؟

الگوریتم گواه اثبات کار (Proof of Work) که معمولا به اختصار PoW نامیده می‌شود، اولین و شناخته‌شده‌ترین الگوریتم اجماع در دنیای بلاکچین است؛ مدلی که بیت کوین با استفاده از آن توانست مفهوم «پول غیرمتمرکز» را به جهان معرفی کند. در این سیستم، امنیت شبکه از طریق قدرت پردازشی کامپیوترها تامین می‌شود. یعنی ماینرها باید با صرف توان محاسباتی و مصرف انرژی، مسائل پیچیده ریاضی را حل کنند تا اجازه ثبت بلاک جدید را به دست آورند.

ایده اولیه اثبات کار البته خیلی قدیمی‌تر از بیت کوین است. این مفهوم نخستین‌بار در دهه ۹۰ میلادی (سال ۱۹۹۳) توسط سینتیا دورک (Cynthia Dwork) و مونی نائور (Moni Naor) برای مقابله با حملات اسپم و سوءاستفاده‌های اینترنتی مطرح شد. در سال ۱۹۹۹ نیز عبارت POW نیز توسط مارکوس جیکوبسون (Markus Jakobsson) و آری جوئلز (Ari Juels) در یک مقاله منتشر‍ شد. بعدها در سال ۲۰۰۸، ساتوشی ناکاموتو از همین ایده برای ساخت بیت کوین استفاده کرد و PoW به یکی از مهم‌ترین پایه‌های صنعت بلاکچین تبدیل شد.

در شبکه‌های مبتنی بر PoW، زمانی که کاربران تراکنشی انجام می‌دهند، این تراکنش‌ها داخل یک بلاک جمع‌آوری می‌شوند. سپس ماینرها برای تایید این بلاک با یکدیگر رقابت می‌کنند. هر ماینر باید عددی پیدا کند که خروجی هش بلاک را به شرایط خاصی برساند؛ فرآیندی که به آن «ماینینگ» یا استخراج گفته می‌شود. اولین ماینری که موفق شود این مسئله را حل کند، بلاک را به شبکه اضافه می‌کند و در ازای آن پاداش دریافت می‌کند.

در واقع، اثبات کار را می‌توان شبیه یک مسابقه بزرگ جهانی تصور کرد؛ مسابقه‌ای که در آن هزاران دستگاه استخراج در سراسر دنیا همزمان تلاش می‌کنند زودتر از بقیه پاسخ درست را پیدا کنند. هرچه قدرت پردازشی یک ماینر بیشتر باشد، شانس موفقیت او هم افزایش پیدا می‌کند. همین رقابت سنگین باعث می‌شود حمله به شبکه بسیار پرهزینه و دشوار شود.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های PoW این است که امنیت شبکه را به «هزینه واقعی» گره می‌زند. یعنی اگر فرد یا گروهی بخواهد به بلاکچین حمله کند، باید حجم عظیمی از قدرت پردازشی و برق را در اختیار داشته باشد؛ موضوعی که مخصوصا در شبکه‌هایی مثل بیت کوین، هزینه‌ای سرسام‌آور دارد. به همین دلیل، بسیاری هنوز هم اثبات کار را امن‌ترین مدل اجماع در دنیای کریپتو می‌دانند.

البته این مدل بدون ایراد هم نیست. مصرف انرژی بالا، سرعت محدود پردازش تراکنش‌ها و نیاز به تجهیزات تخصصی استخراج باعث شد به‌مرور انتقادهای زیادی به PoW وارد شود؛ انتقادهایی که بعدها زمینه را برای رشد الگوریتم‌هایی مثل اثبات سهام فراهم کردند.

مزایای الگوریتم گواه اثبات کار

امنیت بسیار بالا و امتحان‌پس‌داده

مهم‌ترین نقطه قوت الگوریتم اثبات کار، امنیت بالای آن است. شبکه‌هایی مثل بیت کوین سال‌هاست با استفاده از PoW فعالیت می‌کنند و با وجود ارزش بازار عظیم خود، همچنان هک نشده‌اند. دلیل این امنیت بالا، هزینه سنگین حمله به شبکه است. برای کنترل بلاکچین، مهاجم باید بخش بزرگی از قدرت پردازشی شبکه را در اختیار بگیرد که در عمل بسیار دشوار و پرهزینه است.

غیرمتمرکز بودن شبکه

در PoW هر فردی که تجهیزات لازم را داشته باشد، می‌تواند به استخراج بپردازد و در امنیت شبکه مشارکت کند. این موضوع باعث می‌شود کنترل شبکه در اختیار یک نهاد خاص نباشد و بلاکچین ماهیت غیرمتمرکز خود را حفظ کند. هرچند امروزه استخرهای استخراج بزرگ شکل گرفته‌اند، اما همچنان ساختار کلی شبکه‌های مبتنی بر PoW نسبت به بسیاری از سیستم‌های سنتی غیرمتمرکزتر است.

توزیع مداوم کوین‌ها در بازار

در سیستم اثبات کار، ماینرها برای تامین هزینه برق و تجهیزات خود معمولا بخشی از پاداش استخراج را می‌فروشند. همین موضوع باعث می‌شود کوین‌های تازه استخراج‌شده به‌صورت مداوم وارد بازار شوند و نقدشوندگی شبکه حفظ شود. بسیاری معتقدند این مکانیزم به پویایی اقتصاد شبکه کمک می‌کند.

مقاومت بالا در برابر سانسور

از آنجایی که هزاران ماینر مستقل در سراسر جهان در تایید تراکنش‌ها نقش دارند، سانسور کردن تراکنش‌ها در شبکه‌های PoW بسیار دشوار است. همین ویژگی یکی از دلایل محبوبیت بیت کوین در میان طرفداران آزادی مالی و تمرکززدایی محسوب می‌شود.

معایب الگوریتم گواه اثبات کار

مصرف انرژی بسیار بالا

بزرگ‌ترین انتقادی که به PoW وارد می‌شود، مصرف بالای برق است. ماینرها برای حل مسائل ریاضی به دستگاه‌های قدرتمند نیاز دارند و این دستگاه‌ها انرژی زیادی مصرف می‌کنند. همین موضوع باعث شده منتقدان، استخراج ارزهای دیجیتال را برای محیط زیست مضر بدانند؛ مخصوصا زمانی که برق مصرفی از منابع تجدیدناپذیر تامین شود.

سرعت پایین و مقیاس‌پذیری محدود

شبکه‌های مبتنی بر اثبات کار معمولا سرعت پردازش پایینی دارند. مثلا در بیت کوین به‌طور میانگین هر ۱۰ دقیقه یک بلاک تولید می‌شود و تعداد تراکنش‌هایی که در هر ثانیه پردازش می‌شوند، محدود است. به همین دلیل، هنگام شلوغ شدن شبکه، کارمزدها افزایش پیدا می‌کنند و تایید تراکنش‌ها زمان بیشتری می‌برد.

نیاز به تجهیزات گران‌قیمت

در سال‌های اولیه بیت کوین، استخراج با کامپیوترهای معمولی هم ممکن بود؛ اما امروز ماینینگ به دستگاه‌های تخصصی ASIC نیاز دارد که قیمت بالایی دارند. همین مسئله باعث شده استخراج برای کاربران عادی سخت‌تر شود و بخش بزرگی از قدرت شبکه در اختیار شرکت‌ها و فارم‌های بزرگ استخراج قرار بگیرد.

احتمال افزایش تمرکز در استخراج

اگرچه PoW ذاتا غیرمتمرکز طراحی شده، اما هزینه بالای تجهیزات و برق باعث شده استخراج به‌مرور در اختیار شرکت‌های بزرگ قرار بگیرد. استخرهای استخراج و شرکت‌های ماینینگ بزرگ می‌توانند بخش قابل‌توجهی از هش‌ریت شبکه را کنترل کنند؛ موضوعی که از نگاه بعضی منتقدان، تهدیدی برای تمرکززدایی محسوب می‌شود.

الگوریتم گواه اثبات سهام (PoS) چیست؟

الگوریتم گواه اثبات سهام (Proof of Stake) که معمولا با نام PoS شناخته می‌شود، یکی از مهم‌ترین رقیب‌های اثبات کار در دنیای بلاکچین است؛ مدلی که با هدف حل مشکلاتی مثل مصرف بالای انرژی، سرعت پایین تراکنش‌ها و هزینه سنگین استخراج به وجود آمد. برخلاف PoW که امنیت شبکه را با قدرت پردازشی و مصرف برق تامین می‌کند، در PoS این «سرمایه کاربران» است که نقش اصلی را در تامین امنیت شبکه دارد.

در شبکه‌های مبتنی بر اثبات سهام، دیگر خبری از ماینینگ و رقابت سنگین دستگاه‌های استخراج نیست. در عوض، کاربرانی که مقداری از ارز دیجیتال شبکه را قفل یا استیک (Stake) می‌کنند، می‌توانند به اعتبارسنج یا ولیدیتور (Validator) تبدیل شوند. شبکه بر اساس معیارهایی مثل میزان دارایی استیک‌شده، مدت زمان استیکینگ و گاهی فاکتورهای تصادفی، یکی از این ولیدیتورها را برای ساخت بلاک بعدی انتخاب می‌کند. اگر این نود تراکنش‌ها را به‌درستی تایید کند، پاداش دریافت می‌کند؛ اما اگر رفتار مخرب داشته باشد، بخشی از دارایی استیک‌شده او جریمه می‌شود.

به زبان ساده، اگر PoW را شبیه یک مسابقه استخراج طلا بدانیم که در آن همه با دستگاه‌های قدرتمند رقابت می‌کنند، PoS بیشتر شبیه یک سیستم سپرده‌گذاری است؛ سیستمی که در آن کاربران با قفل کردن سرمایه خود، امنیت شبکه را تامین می‌کنند و در ازای آن پاداش می‌گیرند.

ایده اولیه اثبات سهام نخستین‌بار در سال ۲۰۱۱ در انجمن‌های مرتبط با بیت کوین مطرح شد؛ زمانی که توسعه‌دهندگان به‌دنبال راهی برای کاهش مصرف انرژی بلاکچین‌ها بودند. کمی بعد، پروژه‌هایی مثل پیر کوین (Peercoin)، Nxt و بلک کوین (BlackCoin) جزو اولین شبکه‌هایی بودند که از مدل PoS استفاده کردند. اما نقطه عطف اصلی این الگوریتم زمانی بود که اتریوم بعد از سال‌ها توسعه، در آپگرید تاریخی «مرج» (The Merge) از اثبات کار به اثبات سهام مهاجرت کرد؛ اتفاقی که توجه کل صنعت کریپتو را به PoS جلب کرد.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های اثبات سهام، کاهش چشمگیر مصرف انرژی است. از آنجایی که دیگر نیازی به حل مسائل پیچیده ریاضی و فعالیت مداوم دستگاه‌های استخراج وجود ندارد، شبکه‌های PoS برق بسیار کمتری مصرف می‌کنند. علاوه بر این، بسیاری از بلاکچین‌های مبتنی بر PoS توان پردازش تراکنش بالاتری نسبت به شبکه‌های PoW دارند و راحت‌تر می‌توانند مقیاس‌پذیر شوند.

البته اثبات سهام هم بدون انتقاد نیست. بعضی معتقدند در PoS افرادی که سرمایه بیشتری دارند، قدرت بیشتری روی شبکه به دست می‌آورند و این موضوع می‌تواند در بلندمدت به تمرکز منجر شود. با این حال، توسعه‌دهندگان بلاکچین‌ها طی سال‌های اخیر مدل‌های مختلفی از PoS را طراحی کرده‌اند تا این مشکلات را تا حد ممکن کاهش دهند.

مزایای الگوریتم گواه اثبات سهام

مصرف انرژی بسیار کمتر

مهم‌ترین مزیت اثبات سهام، کاهش شدید مصرف برق است. در PoS دیگر نیازی به دستگاه‌های استخراج قدرتمند و رقابت پردازشی وجود ندارد و همین موضوع باعث می‌شود شبکه انرژی بسیار کمتری مصرف کند. برای مثال، بعد از مهاجرت اتریوم به PoS، مصرف انرژی این شبکه به شکل چشمگیری کاهش پیدا کرد؛ اتفاقی که یکی از مهم‌ترین اهداف توسعه‌دهندگان اتریوم بود.

سرعت بالاتر و مقیاس‌پذیری بهتر

شبکه‌های مبتنی بر اثبات سهام معمولا می‌توانند تراکنش‌ها را سریع‌تر پردازش کنند و ظرفیت بالاتری نسبت به بسیاری از بلاکچین‌های PoW داشته باشند. به همین دلیل، بسیاری از پروژه‌های جدید برای توسعه اپلیکیشن‌های غیرمتمرکز، بازی‌های بلاکچینی و پروژه‌های دیفای به سمت PoS حرکت کرده‌اند.

عدم نیاز به تجهیزات گران‌قیمت

در PoS دیگر لازم نیست کاربران برای مشارکت در شبکه، دستگاه‌های ماینینگ گران‌قیمت خریداری کنند. هر فردی که مقدار مشخصی از ارز شبکه را در اختیار داشته باشد، می‌تواند در فرایند اعتبارسنجی مشارکت کند یا از طریق استیکینگ سود به دست آورد. این موضوع باعث شده ورود به شبکه‌های PoS برای کاربران عادی ساده‌تر باشد.

امکان پیاده‌سازی قابلیت‌های جدید

بسیاری از بلاکچین‌های مدرن به دلیل ساختار PoS راحت‌تر می‌توانند از فناوری‌هایی مثل شاردینگ (Sharding) استفاده کنند؛ فناوری‌ای که شبکه را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کند تا پردازش تراکنش‌ها سریع‌تر و مقیاس‌پذیری بیشتر شود. همین موضوع یکی از دلایلی بود که اتریوم برای آینده خود به سمت اثبات سهام رفت.

معایب الگوریتم گواه اثبات سهام

احتمال تمرکز قدرت در دست سرمایه‌داران بزرگ

یکی از مهم‌ترین انتقادهایی که به PoS وارد می‌شود، خطر تمرکز است. در این مدل، کاربرانی که سرمایه بیشتری دارند، شانس بیشتری هم برای تایید بلاک‌ها و دریافت پاداش خواهند داشت. همین مسئله باعث شده بعضی منتقدان بگویند PoS ممکن است در بلندمدت به نفع نهنگ‌ها و سرمایه‌داران بزرگ عمل کند.

امنیت کمتر نسبت به PoW از نگاه برخی کارشناسان

اگرچه شبکه‌های PoS مکانیزم‌های امنیتی پیشرفته‌ای دارند، اما هنوز بسیاری معتقدند اثبات کار به دلیل وابستگی به هزینه واقعی انرژی و سخت‌افزار، امنیت اثبات‌شده‌تری دارد. به همین دلیل، بحث بر سر امنیت PoW و PoS همچنان یکی از داغ‌ترین موضوعات دنیای کریپتو است.

قفل شدن دارایی‌ها در استیکینگ

در بسیاری از شبکه‌های PoS، کاربران برای مشارکت در اعتبارسنجی باید دارایی خود را برای مدتی قفل کنند. این موضوع می‌تواند نقدشوندگی سرمایه را کاهش دهد و در زمان نوسانات شدید بازار، ریسک‌هایی برای کاربران ایجاد کند.

پیچیدگی بیشتر برخی مدل‌های PoS

بسیاری از بلاکچین‌های مبتنی بر اثبات سهام از نسخه‌های پیشرفته‌تر و ترکیبی مثل DPoS یا NPoS استفاده می‌کنند که ساختار پیچیده‌تری دارند. همین موضوع گاهی باعث می‌شود درک مکانیزم شبکه و نحوه توزیع قدرت در آن سخت‌تر شود.

مقایسه PoW و PoS: کدام‌یک بهتر است؟ 

مقایسه اثبات کار و اثبات سهام، سال‌هاست یکی از مهم‌ترین بحث‌های دنیای بلاکچین محسوب می‌شود. هر دو الگوریتم یک هدف مشترک دارند: تامین امنیت شبکه و ایجاد توافق میان نودها؛ اما مسیر رسیدن به این هدف کاملا متفاوت است. PoW امنیت را از طریق قدرت پردازشی و مصرف انرژی تامین می‌کند، در حالی که PoS بر پایه استیک کردن دارایی‌ها و مشارکت اقتصادی کاربران ساخته شده است.

گواه اثبات کار تا امروز به خوبی امتحان خود را پس داده و در رمزارزهای زیادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. طرفداران اثبات کار معتقدند هیچ الگوریتمی هنوز نتوانسته از نظر امنیت و غیرمتمرکز بودن به بیت کوین نزدیک شود. آن‌ها می‌گویند برای حمله به شبکه‌های PoW باید هزینه واقعی، از خرید تجهیزات استخراج گرفته تا مصرف برق عظیم پرداخت شود. همین موضوع نیز باعث می‌شود حمله به شبکه بسیار دشوار و غیر اقتصادی باشد.

در مقابل، حامیان اثبات سهام باور دارند آینده بلاکچین بدون مقیاس‌پذیری و مصرف انرژی پایین ممکن نیست. آن‌ها معتقدند شبکه‌های PoS سریع‌تر، ارزان‌تر و سازگارتر با محیط زیست هستند و راحت‌تر می‌توانند میلیون‌ها کاربر را پشتیبانی کنند. مهاجرت اتریوم به PoS هم دقیقا با همین هدف انجام شد.

واقعیت این است که پاسخ قطعی برای سوال «کدام بهتر است؟» وجود ندارد؛ چون انتخاب بین PoW و PoS به هدف یک بلاکچین بستگی دارد. اگر امنیت، مقاومت در برابر سانسور و غیرمتمرکز بودن اولویت اصلی باشد، بسیاری هنوز PoW را انتخاب می‌کنند. اما اگر سرعت، کارمزد پایین و مقیاس‌پذیری اهمیت بیشتری داشته باشد، PoS گزینه جذاب‌تری به نظر می‌رسد.

در جدول زیر می‌توانید مهم‌ترین تفاوت‌های این دو الگوریتم را در یک نگاه مشاهده کنید:

سوالات متداول

سخن پایانی

الگوریتم‌های اجماع، ستون اصلی دنیای بلاکچین هستند؛ سازوکارهایی که بدون نیاز به بانک یا نهاد مرکزی، امکان فعالیت شبکه‌های غیرمتمرکز را فراهم می‌کنند. در این میان، گواه اثبات کار و گواه اثبات سهام به مهم‌ترین مدل‌های اجماع در صنعت کریپتو تبدیل شده‌اند؛ دو رویکرد متفاوت که هرکدام مزایا، معایب و فلسفه خاص خود را دارند.

اثبات کار با بیت کوین ثابت کرد می‌توان یک سیستم مالی امن و غیرمتمرکز ساخت؛ اما مصرف انرژی بالا و محدودیت مقیاس‌پذیری باعث شد پروژه‌های جدید به سمت اثبات سهام حرکت کنند. حالا با مهاجرت اتریوم به PoS، رقابت این دو مدل وارد مرحله تازه‌ای شده است. با این حال، هنوز مشخص نیست در آینده کدام الگوریتم به استاندارد اصلی صنعت تبدیل خواهد شد و احتمالا دنیای بلاکچین برای سال‌ها ترکیبی از هر دو مدل را در کنار هم حفظ خواهد کرد.