Proof of Work (POW) چیست؟ مفهوم، مزایا، معایب الگوریتم اثبات کار

اگر با بیت کوین آشنایی داشته باشید، به‌خوبی می‌دانید که این بلاک‌چین زیر نظر هیچ نهاد متمرکزی اداره نمی‌شود. ممکن است این پرسش برای شما پیش بیاید که فرآیند اعتبارسنجی و تأیید تراکنش‌ها در بلاک‌چین بیت کوین چگونه انجام می‌پذیرد؟ چه سازوکاری باعث شده علی‌رغم سپری شدن بیش از ۱۶ سال از رونمایی بیت کوین، هیچ خدشه‌ای به امنیت این شبکه وارد نشود؟ کلید پاسخ به این دو پرسش مهم، آشنایی با مفهوم الگوریتم اثبات کار (Proof of Work) است. اگر کنجکاو هستید که الگوریتم PoW چیست و چه مزایا و معایبی دارد، مطلب حاضر را تا پایان دنبال کنید. 

 

الگوریتم Proof of Work چیست؟ 

پیش از هر چیز باید اشاره کنیم مکانیزم اثبات کار تنها مختص بیت کوین نیست. بلکه در بسیاری از بلاک‌چین‌های دیگر نیز استفاده می‌شود. اما در این مطلب برای توضیح آسان‌تر الگوریتم اثبات کار (Proof of Work) روی شبکه بیت کوین متمرکز می‌شویم. 

بلاک‌چین بیت کوین نوعی دفتر کل توزیع شده (Distributed ledger) است. تمام داده‌های شبکه بیت کوین در دفتر کل توزیع شده اختصاصی آن ذخیره می‌شود که به‌صورت عمومی در دسترس قرار دارد. هر تراکنش در شبکه بیت کوین تنها زمانی رسمیت پیدا می‌کند که اطلاعات آن در دفتر کل ثبت شود و مورد تأیید قرار بگیرد. باتوجه‌به ماهیت غیرمتمرکز بلاک‌چین بیت کوین، برای تأیید ثبت اطلاعات نیاز به تأیید گره‌های فعال در این شبکه وجود دارد. در شبکه بیت کوین، گره‌ها به عنوان ماینر (Miner) فعالیت می‌کنند. 

الگوریتم اثبات کار، سازوکار مورد توافق همه ماینرها برای تأیید تراکنش‌های بیت کوین است. برای این منظور، ماینرها سخت افزارهایی با توان پردازشی بالا را تهیه و به بلاک‌چین بیت کوین متصل می‌کنند. وظیفه ماینرها، اعتبارسنجی تأیید تراکنش‌های زنجیره بیت کوین است. داده‌های تراکنش‌ها در زنجیره بیت کوین در قالب بلوک‌هایی ذخیره می‌شوند. هر بلوک در زنجیره بیت کوین دارای شناسه اختصاصی است که با نام هش (Hash) شناخته می‌شود. 

یک بلوک جدید تنها در صورتی به زنجیره اضافه می‌شود که هش اختصاصی مربوط به آن توسط ماینرها به‌درستی تشخیص داده شود. شناسایی این هش بر عهده ماینرها است و از طریق حدس زدن هش این کار را انجام می‌دهند. اولین ماینری که بتواند هش را شناسایی کند، به‌عنوان استخراج کننده بلوک معرفی می‌شود. 

پس از آن سایر ماینرها فرآیند طی شده را بررسی و تأیید می‌کنند تا بلوک به زنجیره افزوده شود. در صورت تأیید نهایی، پاداش استخراج بلوک جدید به ماینری که برای اولین بار هش را شناسایی کرده، تعلق می‌گیرد. بنابراین الگوریتم PoW یک مکانیزم دستیابی به توافق جمعی بین ماینرهای بلاک چین بیت کوین بدون نیاز به نظارت یک نهاد متمرکز است. 

مکانیزم اثبات کار چگونه کار می‌کند؟ 

هر بلوک در شبکه بیت کوین معادل ۱ مگابایت ظرفیت دارد. به‌همین دلیل، امکان ذخیره‌سازی اطلاعات تعدادی محدودی از تراکنش‌ها در هر بلوک فراهم است. معماری شبکه بیت کوین به‌گونه‌ای تعریف شده که مدت زمان تقریبی اضافه شدن هر بلوک جدید حدود ۱۰ دقیقه باشد. 

تراکنش‌های بیت کوین در یک استخر جمع می‌شوند. وقتی تعداد تراکنش‌ها به اندازه ظرفیت یک بلوک جدید شد، داده‌های مربوط به آن درون بلوک قرار می‌گیرد. هر بلوک یک هش مشخص دارد که ماینرها باید آن را شناسایی کنند. 

در الگوریتم اثبات کار شبکه بیت کوین از یک تابع هش اختصاصی استفاده می‌شود. این تابع نوعی ماشین رمزنگاری است که داده ورودی را دریافت به خروجی مشخص (هش بلوک) تبدیل می‌کند. تنها یک داده ورودی مشخص موجب تولید هش اختصاصی بلوک می‌شود. 

داده‌های ورودی توسط ماینرها در اختیار تابع هش قرار می‌گیرد. این داده‌ها در اصطلاح به‌عنوان نانس (Nonce) شناخته می‌شوند. نانس‌ها به‌صورت تصادفی حدس زده می‌شوند. اولین ماینر که موفق به پیدا کردن نانس درست شود، نتیجه را به سایر گره‌ها اعلام می‌کند. سایر ماینرها نیز نانس پیدا شده را بررسی و تأیید می‌کنند. به این ترتیب بلوک جدید به زنجیره بیت کوین اضافه می‌شود. سپس فرآیند پیدا کردن هش بلوک بعدی آغاز می‌گردد. 

باتوجه‌به اینکه پاداش پیدا کردن هش تنها به یک ماینر تعلق می‌گیرد، رقابت زیادی بین ماینرها ایجاد می‌شود. به‌همین دلیل، ماینرها از دستگاه‌های سخت افزاری با توان پردازش بالا (توان حدس زدن تعداد نانس بیشتر در ثانیه) استفاده می‌کنند تا شانس موفقیت خود را افزایش دهند. 

 

مزایای الگوریتم اثبات کار چیست؟

مکانیزم اثبات کار چند مزیت مهم را به‌ارمغان می‌آورد که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم. 

 

۱. سازوکار ساده و شفاف 

اجرای الگوریتم اثبات کار در بلاک‌چین ساده است. این سازوکار از پیچیدگی خاصی در اجرا برخوردار نیست. ضمن اینکه قوانین و مقررات مربوط به آن کاملا شفاف است و برای تمام گره‌های فعال در شبکه به‌صورت یکسان اجرا می‌شود. نکته مهم دیگر اینکه همه چیز با استفاده از الگوریتم PoW بر پایه ریاضیات رقم می‌خورد و این موضوع جلوی تقلب را به‌خوبی می‌گیرد. 

 

۲. غیرمتمرکزسازی بلاک‌چین 

هر فردی با پذیرش قواعد الگوریتم اثبات کار و تهیه سخت افزار لازم می‌تواند به‌عنوان ماینر در شبکه فعالیت کند. این موضوع روی کاغذ در غیرمتمرکزسازی بلاک‌چین نقش دارد. ضمن اینکه ماینرها می‌توانند در هر زمان به شبکه بپیوندند. در واقع تاریخچه داده‌های شبکه همواره در دسترس عموم قرار دارد. البته ناگفته نماند هزینه بالای استخراج بیت کوین موجب شده تا عملا انحصار فرآیند ماینینگ این ارز دیجیتال در اختیار تعداد محدودی از مزارع استخراج قرار بگیرد. 

 

۳. ایجاد انگیزه‌های اقتصادی قوی برای ماینرها

انگیزه‌های اقتصادی که الگوریتم اثبات کار برای ماینرها ایجاد می‌کند، بسیار قوی است. امنیت بلاک‌چین‌هایی که از الگوریتم PoW استفاده می‌کنند، در گرو فعالیت مستمر و پرتعداد ماینرها است. بنابراین این شبکه‌ها با پرداخت پاداش‌های قابل توجه به ماینرها تلاش می‌کنند تا انگیزه‌های آن‌ها برای ادامه فعالیت را بالا نگه دارند. به این ترتیب، منافع مادی ماینرها همواره در راستای حفظ امنیت شبکه تعریف می‌شود. 

 

۴. امنیت بسیار بالا 

مهم‌ترین مزیت مکانیزم اثبات کار، فراهم کردن بالاترین سطح امنیت برای بلاک‌چین است. یک بلاک‌چین با الگوریتم اثبات کار در برابر مشکلات امنیتی نودها آسیب پذیر نیست. به زبان ساده اگر یک یا چند نود در شبکه با مشکل روبه‌رو شوند، موجودیت کل بلاک‌چین به خطر نمی‌افتد. هکرها تنها در صورتی می‌توانند داده‌های شبکه را دستکاری کنند که کنترل حداقل ۵۱ درصد قدرت محاسباتی بلاک‌چین را در اختیار بگیرند. با‌توجه‌به ماهیت غیرمتمرکز و پراکندگی ماینرها در سراسر دنیا، امکان آسیب زدن به بلاک‌چین بیت کوین در حال حاضر به‌صورت عملیاتی وجود ندارد. 

 

معایب الگوریتم PoW چیست؟ 

در کنار مزایای الگوریتم اثبات کار، باید به محدودیت‌ها و نقاط ضعف آن نیز توجه داشته باشید. موضوعی که موجب شده در سال‌های اخیر، توسعه‌دهندگان بلاک‌چین تمایل کمتری به استفاده از الگوریتم اثبات کار داشته باشند. در ادامه مهم‌ترین معایب مکانیزم PoW را مرور می‌کنیم. 

 

۱. مقیاس‌پذیری محدود  

مهم‌ترین مشکل فنی هر بلاک چین با الگوریتم PoW، مقیاس‌پذیری است. پردازش تراکنش‌ها با استفاده از الگوریتم اجماع اثبات کار زمان‌بر است. همین مسئله باعث بروز مشکل مقیاس‌پذیری در شبکه‌های بلاک چین با ترافیک بالا می‌شود. مشکل مقیاس‌پذیری باعث می‌شود که کاربران برای پردازش تراکنش‌هایشان مجبور به پرداخت کارمزدهای بیشتری شوند و مدت زمان زیادی منتظر بمانند. 

به‌عنوان مثال، شبکه بیت کوین در هر ثانیه تنها حدود ۷ تراکنش را پردازش می‌کند. این موضوع باعث می‌شود در شرایطی که تقاضا برای انجام تراکنش در این شبکه افزایش می‌یابد، پردازش نهایی برخی از تراکنش‌ها حتی بیش از ۱ ساعت زمان‌بر باشد. این محدودیت، مانع جدی بر سر راه استفاده از بیت کوین در تراکنش‌های روزمره است. 

 

۲. هزینه بالای ماینرها   

در سال‌های ابتدایی فعالیت شبکه بیت کوین، استخراج به‌کمک رایانه‌های خانگی هم امکان‌پذیر بود؛ اما امروز استخراج خانگی بیت کوین با استفاده از پردازنده‌های معمولی غیرممکن است. تعداد ماینرها افزایش یافته و در نتیجه رقابت برای استخراج بیت کوین نیز بالا گرفته است. به‌همین دلیل، ماینرها برای موفقیت در رقابت با دیگران به سراغ خرید دستگاه‌های سخت‌افزاری با توان محاسباتی بالا می‌روند. 

در حال حاضر دستگاه‌‌های ایسیک (ASIC) پیشرفته در قالب مزرعه ماینینگ از سوی ماینرها به کار گرفته می‌شوند. این دستگاه‌ها قیمت تمام شده بسیار زیادی دارند. ضمن اینکه هر چند سال یکبار به‌دلیل پیشرفت‌های تکنولوژی، باید دستگاه‌های ماینر را تغییر داد تا توان رقابت با سایرین حفظ شود. 

به‌همین دلیل، صنعت ماینینگ در سال‌های گذشته به سمت تمرکزگرایی پیش رفته و گروه معدودی در این حوزه سرمایه‌گذاری کرده‌اند. در تصویر زیر، ۱۰ ماینر برتر بیت کوین براساس قدرت محاسباتی را در آبان ماه ۱۴۰۴ مشاهده می‌کنید. این ۱۰ ماینر حدود ۳۴ درصد قدرت محاسباتی شبکه را در اختیار دارند. 

 

۳. مصرف انرژی زیاد 

یکی از مهم‌ترین چالش‌های استفاده از الگوریتم اثبات کار، نیاز به مصرف انرژی بسیار زیاد ماینرها است. بسیاری از کشورها از جمله ایران برای مقابله با مشکل مصرف انرژی بسیار زیاد ماینرهای بیت کوین مجبور به وضع قوانین و مقررات محدود کننده شده‌اند. مصرف برق ماینرهای بیت کوین در سال ۲۰۲۵ از مرز ۲۰۰ تراوات ساعت عبور کرده است. علاوه بر هزینه‌های سنگین تأمین برق، مصرف انرژی بالای ماینرها مشکلات زیست محیطی زیادی نیز به دنبال داشته است. 

مقایسه الگوریتم اثبات کار و اثبات سهام 

مکانیزم اثبات سهام (Proof of Stake) مهم‌ترین جایگزین الگوریتم اثبات کار است. این الگوریتم چالش بزرگ مصرف انرژی در اداره بلاک‌چین را برطرف می‌کند. در جدول زیر، به مقایسه دو الگوریتم اثبات کار و اثبات سهام پرداخته‌ایم. 

مکانیزم اجماع	اثبات کار (PoW)	اثبات سهام (PoS)
نیاز به سخت افزار اختصاصی	دارد	ندارد
میزان مصرف انرژی	زیاد	کم
سطح امنیت بلاک‌چین	بالا	استاندارد
سرعت پردازش تراکنش	کم تا متوسط	متوسط تا زیاد
مقیاس‌پذیری	کم	زیاد
کارمزد تراکنش‌ها	زیاد	کم

 

شبکه اتریوم در سال ۲۰۲۲، طی یکی از مهم‌ترین به‌روزرسانی‌های تاریخ خود از الگوریتم اثبات کار به اثبات سهام کوچ کرد. مصرف برق سالانه اتریوم تا قبل این به‌روزرسانی حدود ۱۱۲ تراوات ساعت بود که هر سال نیز بر مقدار آن افزوده می‌شد. بعد از تغییر الگوریتم اجماع، مصرف سالانه برق این شبکه به ۰.۰۰۲۶ تراوات ساعت کاهش پیدا کرد. 

 

کلام پایانی 

در این مطلب بررسی کردیم الگوریتم Proof of Work چیست و چه مزایا و معایبی دارد. مکانیزم اثبات کار علی‌رغم امنیت بالا، شفافیت و پیاده‌سازی آسان، مشکلات جدی مانند مصرف انرژی زیاد را به‌بار می‌آورد. در نتیجه، تعداد بلاک‌چین‌هایی که از الگوریتم PoW استفاده می‌کنند، محدود است. به‌نظر شما، آینده شبکه بیت کوین با مکانیزم اثبات کار چگونه خواهد بود؟ آیا با فراگیر شدن کامپیوترهای کوانتومی در آینده همچنان الگوریتم اثبات کار در حفظ امنیت شبکه بیت کوین کارآمد خواهد بود؟ 

 

سوالات متداول 

۱. الگوریتم PoW چیست؟

اثبات کار نوعی الگوریتم اجماع در بین گره‌های بلاک‌چین برای اعتبارسنجی و تأیید تراکنش‌ها است. 

۲. کدام بلاک‌چین‌ها از الگوریتم اثبات کار استفاده می‌کنند؟

علاوه بر بیت کوین، شبکه‌های معروف دیگری مانند لایت کوین، بیت کوین کش، دوج کوین، مونرو، زی‌کش و اتریوم کلاسیک نیز از مکانیزم اثبات سهام استفاده می‌کنند. 

۳. مکانیزم اثبات کار بهتر است یا اثبات سهام؟

اثبات کار سازوکار ساده‌تری دارد و امنیت بیشتری را به‌ارمغان می‌آورد؛‌ اما در مقابل، اثبات سهام مصرف انرژی را به‌شدت کاهش می‌دهد و به ارتقای مقیاس‌پذیری شبکه کمک می‌کند. 

۴. الگوریتم اثبات کار چه زمانی ابداع شد؟ 

مونی نوار (Moni Noar) و سینتیا دورک (Cynthia Dowrk) اصطلاح الگوریتم PoW را در سال ۱۹۹۳ میلادی در یک مقاله علمی معرفی کردند. اما اولین کاربرد عملی این الگوریتم در بلاک چین بیت کوین رخ داد.