به گزارش پایگاه تحلیلی خبری ایراسین، فناوری بلاک‌چین یکی از نوآورانه‌ترین دستاوردهای قرن بیست و یکم است که توانایی ایجاد سیستم‌های امن، شفاف و غیرمتمرکز برای ثبت و انتقال اطلاعات را به ارمغان آورده است. این فناوری که در سال ۲۰۰۸ با معرفی بیت‌کوین توسط ساتوشی ناکاموتو آغاز شد، امروزه در حوزه‌های مختلفی از جمله امور مالی، مراقبت‌های بهداشتی، اینترنت اشیا، حفاظت از حقوق مالکیت و حریم خصوصی کاربرد یافته است.
هسته اصلی این فناوری، الگوریتم‌های اجماع هستند که به گره‌های توزیع‌شده در شبکه اجازه می‌دهند تا بر روی وضعیت بلاک‌چین به توافق برسند. این مطالعه مروری جامع بر انواع الگوریتم‌های اجماع شامل اثبات کار، اثبات سهام و رویکردهای ترکیبی ارائه می‌دهد و مزایا، معایب و تأثیرات بالقوه آنها بر مقیاس‌پذیری و امنیت شبکه را تحلیل می‌کند.
بلاک‌چین نوعی فناوری دفتر کل توزیع‌شده است که امکان ذخیره‌سازی امن، شفاف و تغییرناپذیر داده‌ها را فراهم می‌کند. این سیستم از شبکه‌ای از رایانه‌ها به نام گره‌ها تشکیل شده که یک رکورد مشترک و هماهنگ از تراکنش‌ها را نگهداری می‌کنند. تراکنش‌ها در واحدهایی به نام بلاک قرار می‌گیرند که به صورت زنجیره‌ای به هم متصل‌اند و هر بلاک حاوی مهر زمانی و پیوندی به بلاک قبلی است.
معماری بلاک‌چین به صورت غیرمتمرکز طراحی شده است، به این معنا که توسط یک مرجع مرکزی واحد کنترل نمی‌شود، بلکه شبکه‌ای از گره‌ها به طور مشترک مسئولیت اعتبارسنجی و ثبت تراکنش‌ها را بر عهده دارند. این ساختار غیرمتمرکز امکان انتقال دارایی‌های دیجیتال بدون نیاز به واسطه‌هایی مانند بانک‌ها یا سازمان‌های مالی را فراهم می‌کند.
الگوریتم اجماع پروتکل یا مکانیزمی است که برای دستیابی به توافق میان گره‌ها در یک شبکه توزیع‌شده استفاده می‌شود. در شبکه بلاک‌چین، گره‌ها دستگاه‌هایی هستند که نسخه‌ای از بلاک‌چین را ذخیره و نگهداری می‌کنند، و الگوریتم اجماع تضمین می‌کند که همه گره‌ها دید یکسانی از بلاک‌چین داشته و بر روی ترتیب تراکنش‌ها توافق کنند. این امر بدون نیاز به یک مرجع مرکزی، امکان نگهداری یک دفتر کل یکپارچه، سازگار و دستکاری‌ناپذیر از تراکنش‌ها را فراهم می‌آورد.
هر بلاک در بلاک‌چین شامل دو بخش اصلی است: سرآیند بلاک و بدنه بلاک. سرآیند حاوی اطلاعات مهمی نظیر پیوند به بلاک قبلی، مهر زمان، اثبات کار، ریشه مرکل و یک عدد تصادفی به نام نانس است. بدنه بلاک نیز شامل لیست تراکنش‌ها، امضاهای رمزنگاری‌شده و سایر داده‌های مرتبط است.
درخت مرکل ساختار داده‌ای است که برای تأیید کارآمد یکپارچگی مجموعه‌های بزرگ داده در بلاک‌چین استفاده می‌شود. در این ساختار، داده‌های جداگانه هش می‌شوند و در ساختار درختی دودویی قرار می‌گیرند، به طوری که هر گره والد حاوی هش دو گره فرزند خود است. این فرایند تا رسیدن به یک گره ریشه نهایی که حاوی هش ترکیبی همه داده‌ها است، ادامه می‌یابد.
الگوریتم‌های اجماع غیربیزانسی برای مدیریت خطاهای سیستمی بدون حضور گره‌های مخرب طراحی شده‌اند. این الگوریتم‌ها معمولاً در محیط‌های بسته با اعتماد بالا بین گره‌ها، مانند بلاک‌چین‌های کنسرسیوم یا خصوصی استفاده می‌شوند و عملکرد بالا و تحمل قوی نسبت به خطاهای غیربیزانسی را ارائه می‌دهند.
الگوریتم پاکسوس یکی از قدیمی‌ترین الگوریتم‌های اجماع است که توسط لزلی لمپورت در سال ۱۹۹۸ معرفی شد. این الگوریتم به گره‌های یک شبکه توزیع‌شده اجازه می‌دهد تا بر روی یک مقدار پیشنهادی به توافق برسند، حتی زمانی که برخی گره‌ها به درستی پاسخ نمی‌دهند یا اصلاً پاسخ نمی‌دهند. پاکسوس از سه نوع گره استفاده می‌کند: پیشنهاددهندگان که مقادیر را پیشنهاد می‌کنند، پذیرندگان که مقادیر پیشنهادی را ارزیابی و قبول یا رد می‌کنند، و یادگیرندگان که مقادیر پذیرفته‌شده را دریافت و نسخه‌های محلی خود را به‌روزرسانی می‌کنند.
الگوریتم تکرارپذیری مهرزمان‌دار یا VR، الگوریتم اجماع توزیع‌شده‌ای است که به گره‌ها اجازه می‌دهد بر روی ترتیب و یکپارچگی تراکنش‌ها در یک پایگاه داده توزیع‌شده توافق کنند. در این سیستم، هر گره یک لاگ از تراکنش‌ها و یک شماره "نما" جاری را نگهداری می‌کند که وضعیت فعلی آن را نشان می‌دهد. زمانی که گره اولیه در دسترس نباشد، گره‌های دیگر می‌توانند فرایند تغییر نما را برای انتخاب یک گره اولیه جدید آغاز کنند.
الگوریتم رفت یا RAFT، جایگزین ساده‌تری برای پاکسوس است که درک و پیاده‌سازی آن آسان‌تر است. در رفت، گره‌ها به دو دسته رهبران و پیروان تقسیم می‌شوند. رهبر مسئول پیشنهاد مقادیر یا وضعیت‌های جدید برای سیستم و تکرار آنها به پیروان است. پیروان نیز مسئول پذیرش یا رد پیشنهادها بر اساس مجموعه‌ای از قوانین و رأی‌دادن برای رهبر جدید در صورت عدم دسترسی به رهبر فعلی هستند.
الگوریتم‌های تحمل‌پذیر خطای بیزانسی قادرند حتی در حضور گره‌های مخرب به اجماع برسند. تحمل‌پذیری خطای بیزانسی می‌تواند زمانی حاصل شود که گره‌های عملکردی در شبکه بر روی مقادیر خود به اجماع برسند. اگر پیامی در بازه زمانی مشخص دریافت نشود، می‌توان فرض کرد که پیام از آن گره خطادار است.
الگوریتم تحمل‌پذیری عملی خطای بیزانسی یا pBFT در اواخر دهه ۱۹۹۰ توسط باربارا لیسکوو و میگوئل کاسترو توسعه یافت. این الگوریتم برای سیستم‌های ناهمزمان بهینه‌سازی شده است. در یک سیستم دارای pBFT، گره‌ها به صورت ترتیبی سازماندهی می‌شوند که یک گره به عنوان اولیه و دیگران به عنوان ثانویه تعیین می‌شوند. هدف pBFT این است که همه گره‌های صادق با استفاده از قاعده اکثریت بر روی وضعیت سیستم به اجماع برسند. یک سیستم pBFT می‌تواند تا زمانی که تعداد حداکثر گره‌های مخرب کمتر یا مساوی یک‌سوم کل گره‌های سیستم باشد، عملکرد داشته باشد.
اثبات کار یا PoW اولین الگوریتم اجماع مورد استفاده در بیت‌کوین است. در این روش، استخراج‌کنندگان برای حل مسائل ریاضی پیچیده رقابت می‌کنند. اولین استخراج‌کننده‌ای که مسئله را حل کند، مجاز به ایجاد یک بلاک جدید از تراکنش‌ها و افزودن آن به بلاک‌چین می‌شود. این فرایند نیاز به قدرت محاسباتی قابل توجهی دارد و استخراج‌کننده‌ای که مسئله را حل می‌کند با تعدادی واحد ارز دیجیتال پاداش داده می‌شود. الگوریتم اثبات کار در برابر دستکاری و تقلب مقاوم است، زیرا تغییر محتویات یک بلاک نیاز به انجام مجدد اثبات کار برای آن بلاک و تمام بلاک‌های بعدی دارد.
با این حال، PoW مصرف انرژی بالا و استفاده زیاد از منابع محاسباتی را به همراه دارد و خطر حمله ۵۱ درصدی را نیز در بر می‌گیرد. به همین دلیل، الگوریتم اثبات سهام یا PoS به عنوان جایگزینی کارآمدتر معرفی شد. در PoS، بلاک بعدی بر اساس سهم استخراج‌کننده - یعنی مقدار ارز دیجیتالی که نگهداری می‌کند - انتخاب می‌شود، نه قدرت محاسباتی آن. این روش مصرف انرژی کمتر و سخت‌افزار کمتری نسبت به PoW نیاز دارد. با این حال، PoS می‌تواند منجر به انباشت سکه و انحصارگرایی شود.
الگوریتم‌های دیگری نیز توسعه یافته‌اند، از جمله اثبات سوختن یا PoB که در آن اعتبارسنج‌ها با "سوزاندن" سکه‌ها یا ارسال آنها به آدرسی که هرگز قابل بازیابی نیست، تعهد خود را به سیستم نشان می‌دهند. اثبات ظرفیت یا PoC که از فضای هارددیسک برای استخراج استفاده می‌کند و جایگزین کارآمدتری از نظر انرژی برای PoW است. اثبات فعالیت یا PoA که سیستمی ترکیبی است که امنیت PoW را با کارآیی انرژی PoS ترکیب می‌کند. اثبات کار تأخیری یا dPoW که با گنجاندن عناصری از یک بلاک‌چین امن‌تر، امنیت یک شبکه بلاک‌چین را بهبود می‌بخشد. و اثبات سهام تفویضی یا DPoS که در آن دارندگان توکن می‌توانند قدرت رأی خود را به نمایندگان یا شاهدان تفویض کنند.
گراف غیرچرخه‌ای جهت‌دار یا DAG فناوری دفتر کل توزیع‌شده‌ای است که بر اساس اصول گراف‌های غیرچرخه‌ای جهت‌دار ساخته شده است. این الگوریتم‌ها تراکنش‌ها را به عنوان گره‌هایی در DAG نمایش می‌دهند و یال‌های بین گره‌ها وابستگی بین تراکنش‌ها را نشان می‌دهند.
یکی از مزایای اصلی الگوریتم‌های اجماع مبتنی بر DAG نسبت به الگوریتم‌های اجماع مبتنی بر بلاک‌چین سنتی، توانایی پردازش سریع‌تر و انعطاف‌پذیرتر تراکنش‌ها است. این به این دلیل است که الگوریتم‌های مبتنی بر DAG شامل بلاک‌هایی که باید به ترتیب خاصی به زنجیره اضافه شوند نیستند و نیازی به محاسبات پرهزینه اثبات کار توسط استخراج‌کنندگان ندارند. در عوض، تراکنش‌ها به صورت موازی به DAG اضافه می‌شوند که منجر به توان عملیاتی بالاتر می‌شود.
IOTA یک فناوری دفتر کل توزیع‌شده با ساختار اصلی مبتنی بر DAG است که برای کمک به اینترنت اشیا طراحی شده است. یکی از ویژگی‌های کلیدی IOTA مقیاس‌پذیری آن است که از طریق استفاده از تنگل، یک الگوریتم اجماع مبتنی بر DAG حاصل می‌شود. در تنگل، هر تراکنش باید دو تراکنش دیگر را قبل از اینکه بتواند به DAG اضافه شود، اعتبارسنجی کند. این به IOTA اجازه می‌دهد تا توان عملیاتی بالا و هزینه‌های تراکنش پایین را به دست آورد.
نانو یک ارز دیجیتال است که از الگوریتم اجماع مبتنی بر DAG به نام بلاک لتیس استفاده می‌کند. در بلاک لتیس، هر حساب نانو بلاک‌چین خاص خود به نام "زنجیره حساب" دارد که برای ردیابی موجودی و تاریخچه تراکنش حساب استفاده می‌شود. یکی از مزایای اصلی بلاک لتیس، مقیاس‌پذیری آن است، زیرا تراکنش‌ها می‌توانند به صورت موازی پردازش شوند.
جوینت‌گراف الگوریتم اجماعی است که بر اساس تحمل‌پذیری خطای بیزانسی ساخته شده و از رویدادها برای بسته‌بندی تراکنش‌ها استفاده می‌کند. این رویدادها از طریق یک پروتکل شایعه ارسال می‌شوند که به هر کسی اجازه می‌دهد رویدادها را به یک گره تصادفی ارسال کند. بلاک‌دگ نیز الگوریتم اجماع مبتنی بر DAG است که از مرتب‌سازی و ادغام برای بازسازی یک سیستم بلاک‌چین مبتنی بر زنجیره واحد استفاده می‌کند.
الگوریتم‌های اجماع ترکیبی عناصری از انواع مختلف مکانیزم‌های اجماع را برای دستیابی به ویژگی‌ها یا اهداف خاص ترکیب می‌کنند. این الگوریتم‌ها می‌توانند با استفاده از مکانیزم‌های متعدد به صورت موازی یا پی‌درپی، با شرایط یا الزامات در حال تغییر سازگار شوند. آنها همچنین می‌توانند تعادلی بین غیرمتمرکزسازی و کارآیی ایجاد کنند و امکان پردازش سریع‌تر تراکنش‌ها را با حفظ غیرمتمرکز بودن فراهم آورند.
نمونه‌هایی از الگوریتم‌های اجماع ترکیبی شامل اثبات سهام تفویضی، ترکیب اثبات کار و اثبات سهام، و تحمل‌پذیری خطای بیزانسی هستند. EOS یک سیستم نرم‌افزار بلاک‌چین شناخته‌شده است که از مکانیزم اجماعی به نام BFT-DPoS استفاده می‌کند که ترکیبی از اثبات سهام تفویضی و تحمل‌پذیری خطای بیزانسی است.
آینده الگوریتم‌های اجماع نامشخص است، زیرا این حوزه دائماً در حال تغییر است و فناوری‌های جدید معرفی می‌شوند. با این حال، برخی روندها که ممکن است بر آینده الگوریتم‌های اجماع تأثیر بگذارند شامل تمرکز بر افزایش کارآیی برای کاهش استفاده از منابع و مصرف انرژی، تمرکز بر افزایش امنیت برای محافظت در برابر آسیب‌پذیری‌ها و حملات، پذیرش گسترده‌تر در صنایع و کاربردهای مختلف، و نیاز به مقیاس‌پذیری برای مدیریت حجم در حال رشد تراکنش‌ها است.
الگوریتم‌های اجماع سنتی اغلب دارای نقص‌ها و محدودیت‌هایی هستند و محققان در تلاش برای بهبود و پیشرفت الگوریتم‌های اصلی بوده‌اند. هدف رسیدگی و غلبه بر نقاط ضعف آنها برای گسترش توسعه و تکامل الگوریتم‌های اجماع است. به عنوان مثال، پروتکل Bitcoin-NG از بلاک‌های کلیدی برای انتخاب رهبر و میکروبلاک‌ها برای نگهداری اطلاعات تراکنش استفاده می‌کند تا تولید بلاک را سریع‌تر و کارآمدتر کند. الگوریتم Ethash با معرفی مسدودسازی ورودی/خروجی و یک گراف غیرچرخه‌ای جهت‌دار، مسئله مصرف بالای قدرت محاسباتی را برطرف می‌کند.
الگوریتم‌های اجماع جز ضروری سیستم‌های غیرمتمرکز هستند و کاربردهای متعددی در پایگاه‌های داده توزیع‌شده، دفاتر کل توزیع‌شده و فناوری بلاک‌چین دارند. هر یک از این الگوریتم‌ها ویژگی‌ها و مبادلات منحصربه‌فردی دارند که آنها را برای موارد استفاده مختلف مفید می‌سازد. به عنوان مثال، اثبات کار امنیت و غیرمتمرکزسازی بالایی را ارائه می‌دهد اما مشکلات مقیاس‌پذیری و مصرف انرژی بالا دارد. در مقابل، اثبات سهام از تکنیک اجماع متفاوتی برای رسیدگی به مشکلات مقیاس‌پذیری و مصرف انرژی مرتبط با اثبات کار استفاده می‌کند.
کاربرد یک الگوریتم اجماع نیز تأثیر قابل توجهی بر عملکرد و امنیت سیستم دارد. ارزیابی مناسب بودن الگوریتم برای یک مورد استفاده خاص و در نظر گرفتن متغیرهایی مانند مقیاس‌پذیری، امنیت و مصرف انرژی حیاتی است. علی‌رغم پیشرفت‌ها در این زمینه، مسائل مقیاس‌پذیری و امنیت در سیستم‌های غیرمتمرکز همچنان چالش‌های قابل توجهی محسوب می‌شوند.
در آینده، علاقه روزافزونی به تحقیق در مورد الگوریتم‌های اجماع جدید برای فناوری‌های دفتر کل توزیع‌شده وجود دارد، از جمله الگوریتم‌های مبتنی بر تکه‌بندی، الگوریتم‌های ترکیبی که مکانیزم‌های اجماع متعدد را ترکیب می‌کنند، روش‌هایی برای کاهش مصرف انرژی در الگوریتم‌های اثبات کار و رسیدگی به مسائل امنیتی در الگوریتم‌های اثبات سهام. تحقیق و توسعه مداوم در این زمینه برای پیشرفت و پذیرش گسترده فناوری‌های غیرمتمرکز ضروری است.
ارسال نظر