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

الگوریتم اجماع گواه اثبات کار (PoW) پرکاربردترین الگوریتم مورد استفاده در تکنولوژی بلاک چین است. بزرگ‌ترین ارزهای دیجیتال یعنی بیت کوین و اتریوم از این الگوریتم استفاده می‌کنند. البته اتریوم اکنون در سال ۲۰۲۱، در حال مهاجرت به الگوریتم گواه اثبات سهام (PoS) است. این تغییر بسیار بزرگی در دنیای بلاکچین و رمز ارزهاست؛ بنابراین طرفداران این صنعت، مشتاقانه درباره مزایا و معایب هر کدام از این دو الگوریتم اجماع بحث می‌کنند و آنها را با یکدیگر مقایسه می‌کنند. در این مقاله، ما نیز به مقایسه PoW و PoS می‌پردازیم و نقاط قوت و ضعف هر کدام از آنها را بررسی می‌کنیم. با ما همراه باشید. 

الگوریتم گواه اثبات کار (PoW) چیست؟

Proof of Work یا گواه اثبات کار یک الگوریتم اجماع است که هدف اصلی آن جلوگیری از حملات سایبری از جمله DoS است. ایده‌ اصلی این پروتکل توسط سینتیا دورک (Cynthia Dwork) و مونی نائور (Moni Naor) در سال ۱۹۹۳ معرفی شد و در سال ۱۹۹۹ نیز عبارت POW نیز توسط مارکوس جیکوبسون (Markus Jakobsson) و آری جوئلز (Ari Juels) در یک مقاله منتشر‍ شد و بعدها در سال ۲۰۰۸، گواه اثبات کار توسط ارز دیجیتال‌ بیت کوین کاربردی و مشهور شد.

سیستم توافق توزیع شده یا اجماع، یعنی در هنگام ارسال یا دریافت وجه نقد از هر شخصی، نیاز به اعتماد به یک سرویس شخص ثالث مثل بانک نباشد؛ در روش سنتی پرداخت، شما نیاز به اعتماد به یک سرویس شخص ثالث مورد قبول دو طرف معامله مثل بانک‌ها، ویزا کارت، مستر کارت و غیره دارید که تاریخچه‌ تراکنش‌ها و میزان موجودی شما را نگهداری می‌کنند. در روشی که Bitcoin و تعدادی دیگر از ارزهای دیجیتالی معرفی می‌کنند، هر کسی یک کپی از دفتر کل توزیع شده (DLT) (که در بیشتر ارزهای دیجیتال با نام بلاک چین شناخته می‌شود) را دارد و به صورت مستقیم می‌تواند اطلاعات مورد تایید خود را بر روی این دفتر کل بنویسد. شبکه توزیع شده را نمی‌توان نابود کرد یا توسط سرورهای متمرکز تحت کنترل گرفت.

برای اینکه بیشتر در مورد PoW بدانید، باید با ماینینگ یا استخراج آشنا شوید. برای انجام دادن عملیات ماینینگ، باید یک گروه از معاملات معتبر بر روی دفتر کل ثبت شود. عملیات ماینینگ به دو منظور صورت می‌گیرد:

• برای تایید اعتبار تراکنش‌ها و جلوگیری از پرداخت‌های مجدد (دو بار خرج کردن کوین‌ها)
• برای ایجاد یک ارز دیجیتالی که به عنوان جایزه کارهای انجام شده در گذشته توسط ماینر (استخراج‌کننده یا نود نیز نامیده می‌شود) به او داده می‌شود.

برای انجام تراکنش این مراحلی طی می‌شود:

• تراکنش‌ها در یک بلاک جمع‌آوری می‌شوند.
• ماینرها تراکنش‌هایی که در بلاک معتبر هستند را تایید می‌کنند.
• در ادامه Minerها بایستی به حل یک پازل یا معادله ریاضی بپردازند، که این پازل به عنوان مساله در PoW شناخته می‌شود.
• جایزه به اولین ماینری که بتواند مساله هر Block را حل کند، تعلق می‌گیرد.
• در مرحله‌ آخر، تراکنش‌های تایید شده بر روی بلاکچین عمومی ذخیره می‌شود.

همه ماینرها برای اینکه اولین نفری باشند که این پازل ریاضی را حل می‌کند، با هم رقابت می‌کنند. برای حل این پازل ریاضی، میزان سختی معینی در نظر گرفته شده است که یک رقابت بین ماینرها ایجاد می‌کند و باعث می‌شود قدرت محاسبه بیشتری به شبکه اضافه شود؛ با سخت‌تر شدن عملیات ماینینگ در واقع ماینرها مجبور می‌شوند کارایی و اثربخشی فرایند را افزایش دهند و این امر سبب حفظ تعادل اقتصادی این شبکه می‌شود.

مزایای گواه اثبات کار

• به خاطر این که ماینرها هزینه زیادی برای استخراج کوین‌ها صرف می‌کنند، بنابراین به خاطر جبران این هزینه‌ها، معمولا پاداش به‌دست آورده خود را بلافاصله می‌فروشند و آن را وارد چرخه بازار می‌کنند؛ پس بازار هرگز دچار کمبود رمز ارز مورد نظر نمی‌شود. 
• هر چه تعداد نودهای یک شبکه بیشتر باشند، خطر حمله ۵۱ درصد نیز کاهش می‌یابد؛ زیرا هزینه این حملات به شدت افزایش می‌یابد. 

معایب PoW

• هزینه اجرای اثبات کار زیاد است و از منابع به صورت غیرموثر استفاده می‌کند. تجهیزات آن گران‌قیمت است و به سرعت فرسوده می‌شوند. همچنین این دستگاه‌ها گرمای زیادی تولید می‌کنند و برق زیادی نیز مصرف می‌کنند. علاوه بر تمام این موارد، هدررفت انرژی این دستگاه‌های ماینر نیز بسیار زیاد است. 
• سیستم‌های Proof of Work بسیار کُند هستند. به طور میانگین، ۱۰ دقیقه طول می‌کشد تا یک بلاک بیت کوین استخراج شود. به علاوه، زمانی که شبکه شلوغ می‌شود، کارمزد تراکنش‌ها سر به فلک می‌کشد؛ زیرا شبکه قادر به تایید سریع تراکنش‌ها نیست. 
• با گذشت زمان،‌ سختی استخراج نیز افزایش می‌یابد؛ تا سال ۲۰۱۵، بیت کوین را می‌توانستیم با یک کامپیوتر معمولی استخراج کنیم، اما از چند سال قبل دستگاه‌های گران‌قیمت اسیک (Asic) پا به میدان گذاشته‌اند؛ بنابراین هزینه ماینینگ بیتکوین نیز افزایش یافته است. در سیستم‌های PoW‌ هیچ محدودیتی برای سختی شبکه وجود ندارد و مدام با افزایش این سختی، هزینه استخراج نیز افزایش می‌یابد. خودِ همین مسئله، باعث افزایش متمرکز شدن بلاکچین می‌شود؛ زیرا هر کسی قادر به تهیه تجهیزات پرهزینه ماینینگ را ندارد. 

الگوریتم گواه اثبات سهام (PoS) چیست؟

در اثبات سهام، نودها به منظور تایید تراکنش‌‌ها، کوین‌های خود را سپرده‌گذاری یا استیک (Stake) می‌کنند. به این نودها استیکر (Staker)، فورجر (Forger) یا ولیدیتور (Validator) می‌گویند؛ هر چه مقدار کوین‌های Stake کرد و مدت زمان استیکینگ این نودها بیشتر باشد، شانس بیشتری برای تایید تراکنش‌ها و در نتیجه، کسب درآمد خواهند داشت. 

PoS یا گواه اثبات سهام در واقع یک راه دیگر برای اعتباربخشی به معاملات و برقرار کردن توافق توزیع شده است. هدف گواه اثبات کار و گواه اثبات سهام یکسان است؛ اما فرایند رسیدن به این هدف متفاوت است. ایده‌ اصلی PoS در یکی از فروم‌ها در سال ۲۰۱۱ مطرح شد و اولین ارز‌های دیجیتالی که از آن استفاده کردند ،Peercoin ،Nxt ،Blackcoin ،NuBit ،Qora ،Nav coin بودند.

تمام ارزهای دیجیتال در این نوع شبکه‌ها از قبل تولید شده‌اند و بنابراین چیزی به نام ماینینگ در PoS وجود ندارد؛ بنابراین دیگر نیازی به حل پازل‌های پیچیده و مصرف بالای انرژی و هزینه‌های بالای مصرف برق نیست. به علاوه، نیازی به درگیر شدن کل شبکه در پروسه تایید تراکنش‌ها نیست که این موضوع باعث افزایش مقیاس‌پذیری شبکه می‌شود. 

به علاوه، سیستم‌های PoS از یک تکنولوژی به نام شاردینگ (Sharding) نیز استفاده می‌کنند؛ شاردینگ مفهومی است که ابتدا در مدیریت دیتابیس به کار رفت. با استفاده از Sharding، دیتابیس به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌شود، تا مدیریت آن ساده‌تر و موثرتر شود. در سیستم‌های بلاکچینی، شاردینگ به معنی ذخیره تقسیم بخش‌های مختلف یک شبکه در گروه‌های جداگانه نودهاست. از آنجا که هیچ نودی کل شبکه را نمی‌بیند و تنها بخش مربوط به خود را می‌بیند، بنابراین Sharding نمی‌تواند در الگوریتم گواه اثبات کار مورد استفاده قرار گیرد. 

مزایای PoS

• مشکل مقادیر زیاد منابع هدر رفته در سیستم‌های گواه اثبات کار، برطرف شده است. 
• رمز ارزهایی که از PoS استفاده می‌کنند، مقیاس‌پذیری بهتری دارند. 
• تراکنش‌ها سریع‌تر پردازش می‌شوند.

معایب گواه اثبات سهام

• مشکل متمرکز بودن در بیشتر شبکه‌ها همچنان وجود دارد؛ نهنگ‌ها می‌توانند بخش بزرگی از کوین‌ها را در اختیار داشته باشند و بر روی شبکه تاثیر بگذارند.
• استیک کردن کوین‌ها سود بیشتری نسبت به فروش آنها دارد؛ بنابراین این موضوع می‌تواند باعث رکود بازار شود. 

مقایسه PoW و PoS: کدام‌یک بهتر است؟ 

گواه اثبات کار تا امروز به خوبی امتحان خود را پس داده و در رمزارزهای زیادی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با وجود تکنولوژی‌های پیشرفته محاسباتی که در دنیای امروز وجود دارند، حملات DDOS به شبکه‌های بلاک چینی بسیار دشوار شده است؛ اما این الگوریتم هزینه انرژی زیادی مصرف می‌کند، بر محیط زیست اثرات مخربی می‌گذارد، باعث افزایش متمرکز شدن ماینینگ می‌شود و تعداد تراکنش‌هایی که این نوع شبکه‌ها می‌توانند تایید کنند، بسیار کم است و در بلندمدت مشکلات جدی برای شبکه ایجاد می‌کند. جامعه جهانی درباره تاثیرات مخرب استخراج بیت کوین بر روی آب و هوا هشدار می‌دهد و کشور چین نیز صنعت ماینینگ را در کشور خود نمی‌پذیرد. 

از آن طرف، الگوریتم PoS‌ بلاکچین مقیاس‌پذیرتری ارائه می‌دهد و قادر است تراکنش‌های بیشتری را در ثانیه تایید کند؛ اما امنیت آن نسبت به الگوریتم گواه اثبات کار کاملا غیرمتمرکز، کمتر است. البته گفتنی است که کوین‌هایی که از اثبات سهام استفاده می‌کنند، معمولا از زیرمجموعه‌های آن از جمله DPoS، LPoS، HPoS و غیره استفاده می‌کنند، که تا حدودی متمرکز هستند. منظور از امنیت پایین‌تر PoS نسبت به PoW، همین الگوریتم‌های تقریبا متمرکز هستند. 

افرادی که می‌خواهند تبدیل به نودهای ولیدیتور شوند، می‌توانند بخش بزرگی از کوین‌های شبکه را بخرند و بعد، شروع به تایید تراکنش‌های نامعتبر و اشتباه بکنند و یا به شبکه حمله کنند؛ اما اقتصاد این نوع شبکه‌ها به گونه‌ای طراحی شده که اگر یک نود بدکار بخواهد تعداد زیادی از کوین‌ها را خریداری کند، قیمت آن ارز دیجیتال به طور چشمگیری افزایش می‌یابد تا کار نود بدکار را دشوارتر کند. همچنین در الگوریتم‌های PoS (بر خلاف سیستم‌های PoW) یک سیستم مجازات نیز طراحی شده، که زمانی که یک نود بدکار می‌خواهد حمله‌ای ترتیب دهد، از کوین‌های استیک کرده او کسر می‌شود و اگر این حملات چند بار تکرار شوند، شبکه کل کوین‌های او را ضبط می‌کند و نود را از شبکه اخراج می‌کند. اکنون هیچ شبکه بلاک چینی از سیستم PoS کاملا غیرمتمرکز استفاده نمی‌کند و تنها اتریوم است که برنامه دارد در آینده‌ای نسبتا نزدیک، از الگوریتم گواه اثبات کار به گواه اثبات سهام غیرمتمرکز مهاجرت کند. 

چرا اتریوم می‌خواهد از گواه اثبات سهام استفاده کند؟

در PoW ماینرها نیاز به صرف انرژی زیادی دارند. به طور مثال در سال ۲۰۱۵ برای انجام یک تراکنش بیت کوین، به برق مصرفی معادل ۱/۵۷ خانواده آمریکایی مورد نیاز بود. این هزینه انرژی با ارزهای فیات پرداخت می‌شود و این امر می‌تواند سبب پایین آمدن ارزش ارزهای دیجیتالی که از اثبات کار استفاده می‌کنند، شود. جامعه اتریوم به دنبال حل این مشکل است و راه حلی مبتنی بر PoS ارائه کرده و مدعی آن است که این روش ارزان‌تر است.

ولی آیا واقعا گواه اثبات سهام از گواه اثبات کار امن‌تر است؟ در واقع با توجه به مصرف انرژی بالایی که سیستم PoW دارد، برنامه‌ریزی برای حمله به آن خیلی گران تمام می‌شود و مبلغی که مهاجم باید برای سرقت هزینه کند، از مبلغی که از حمله به دست می‌آورد، بیشتر است.

با این تفاسیر مهاجمان انگیزه‌ حمله به سیستم گواه اثبات کار را ندارند، ولی در سیستم PoS هزینه‌ برنامه‌ریزی حمله کمتر است؛ پس برای حل این مشکل، خالق اتریوم پروتکل کسپر (Casper) را معرفی کرد و در این پروتکل اگر خطایی از تاییدکنندگان (ماینرها) صورت بگیرد، کل مبلغ استیک کرده این نود، از او گرفته می‌شود. در واقع ویتالیک بوترین (Vitalik Buterin) خالق اتریوم، در معرفی پروتکل کسپر اعلام کرد که هر نود ولیدیتور باید برای همکاری مبلغ معینی را سرمایه‌گذاری کند و اگر تخطی صورت بگیرد، این مبلغ را از دست خواهند داد.

جمع‌بندی

هر دو شبکه PoW و PoS خاصیت غیرمتمرکز بودن را دارند؛ اما به خاطر هزینه زیاد استفاده از تجهیزات ماینینگ (گواه اثبات کار)، این شبکه‌ها رفته‌رفته متمرکزتر می‌شوند. در این مقاله، به مقایسه PoW و PoS پرداختیم و مزایا و معایب هر کدام از آنها را بررسی کردیم. اثبات کار آزمایش خود را در طول سال‌ها پس داده، اما هزینه زیادی دارد و بر روی محیط زیست نیز می‌تواند اثرات مخربی داشته باشد؛ از طرفی، اثبات سهام از تجهیزات گران‌قیمت استفاده نمی‌کند، اما باید مقدار مشخصی از کوین شبکه را استیک یا سپرده‌گذاری کنید تا بتوانید تبدیل به نود تاییدکننده تراکنش‌ها شوید، که این می‌تواند هزینه نسبتا زیادی داشته باشد. در مجموع، به نظر می‌رسد که برای دنیای امروز که صنعت ارزهای دیجیتال شکوفا شده و کاربران زیادی از آنها استفاده می‌کنند، الگوریتم‌های گواه اثبات سهام بهتر باشند؛ زیرا می‌توانند تراکنش‌ها را سریع‌تر پردازش کنند.