آشنایی با مفهوم اثبات سهام (PoS)
اثبات سهام نوع متفاوتی از مکانیزم اجماع می‌باشد که بلاک چین‌ها می‌توانند به‌منظور توافق بر سر یک ثبت واقعی از تاریخچه داده استفاده نمایند. در حالی که در PoW ماینرها انرژی (برق) را به جهت استخراج بلاک‌های موجود صرف می‌کنند، در PoS، سپرده اعتبارسنج‌ها برای تأیید بلاک‌های موجود (یا “تأیید”) سهام‌گذاری می‌شود.
اعتبارسنج‌ها در جایگاه مشارکت‌کنندگان شبکه هستند که برای پیشنهاد و تأیید بلاک‌ها در بلاک چین PoS، نودهایی را (به نام نودهای اعتبارسنج) اجرا می‌کنند. آنها این کار را با قرار دادن رمزگذاری (در مورد Ethereum 2.0، با رمزگذاری ETH) در شبکه انجام داده و خود را در دسترس قرار می‌دهند تا به‌طور تصادفی برای پیشنهاد یک بلاک انتخاب شوند. سپس سایر اعتبارسنج‌ها “تأیید می‌کنند” که بلاک را دیده‌اند.
وقتی تعداد کافی از تأییدیه‌ها برای بلاک جمع‌آوری شود، بلاک به زنجیره‌ی بلاک یا همان بلاک چین اضافه می‌گردد. اعتبارسنج‌ها پاداشهایی را هم برای پیشنهاد موفقیت‌آمیز بلاک‌ها (دقیقاً همانطور که در PoW عمل می‌کنند) و هم برای ساختن گواهی درباره بلاک‌هایی که دیده‌اند، دریافت می‌کنند.
برای اینکه شبیه‌سازی‌ای از PoW مجسم نماییم، ماینری را در نظر گرفتیم؛ مانند این است که ماینری که در حمله به یک زنجیره PoW شکست خورده بود، مجبور شد کل دکل استخراج خود را بسوزاند به جای اینکه فقط هزینه برق را که برای یک حمله ناموفق خرج کرده بود، مصرف نماید.
قابلیت اثبات سهام برای اتریوم
به‌روزرسانی Ethereum 2.0 انتقال از اثبات کار به اثبات سهام را به همراه خواهد داشت. اثبات سهام قابلیت‌های منحصر به فرد درآمدزایی را به دارندگان اتریوم (ETH) ارائه می‌دهد.
در سال ۲۰۲۰، فاز اول اتریوم 2.0 به طور مستقیم اجرا خواهد گردید، که دربرگیرنده اصلاحی اساسی در بلاک چین موجود، یعنی اتریوم 1.0، و پیشرفت‌هایی قابل توجه در مقیاس‌پذیری و قابلیت دسترسی می‌باشد. هسته اصلی معماری اتریوم 2.0 مکانیزم اجماع اثبات سهام (PoS) است که جایگزین مکانیزم اجماع موجود، یعنی اثبات کار (PoW)، خواهد شد.
PoS با تعدادی پیشرفت همراه است، از جمله: بهره‌وری انرژی، وجود موانع کمتر برای ورود، انگیزه‌های رمزنگاری – اقتصادی قوی‌تر، و قابلیت‌های درآمدزایی بیشتر برای مجموعه گسترده‌ای از کاربران. هدف از مقاله حاضر این است که به‌طوری واضح توضیح دهد اثبات سهام چیست، چگونه در اتریوم 2.0 پیاده‌سازی می‌شود و اینکه دارندگان ETH چگونه می‌توانند در تعامل با معماری جدید پیشرو باشند.
درک مکانیزم‌های اجماع
در سیستم‌های توزیع شده، مکانیزم اجماع روشی است که شبکه از طریق آن بر درستی یک منبع واحد توافق می‌کند. برخلاف سیستم‌های متمرکز، که حقانیت یک موضوع توسط یک نهاد کنترل‌کننده واحد مورد قضاوت قرار میگیرد، سیستم‌های توزیع شده برای نگهداری یک شبکه واحد به همکاری تعداد زیادی از متخصصان مستقل متکی هستند.
این نودهای مجزا باید بتوانند با استفاده از مکانیزم محاسباتی به توافق برسند که جدیدترین و دقیقترین ثبت داده کدام است. باید توجه داشته باشیم که این شبکههای توزیع شده باید از مکانیزم رمزنگاری یکسانی استفاده نمایند تا به اتفاق نظر برسند.
مکانیزم اجماع اثبات کار (PoW)
مکانیزم اجماع اثبات کار (PoW) در حال حاضر پرکاربردترین مکانیزم اجماع و بدون تردید بهترین روش برای فهم مکانیزم‌های اجماع می‌باشد. PoW تاکنون با انتشار بیت کوین در سال ۲۰۰۸ توسط ساتوشی ناکاموتو پیشگام بوده و تاکنون اکثر بلاک چین‌های دارای بالاترین پروفایل از جمله اتریوم را تأمین نموده. است.
برای فناوری در حال ظهوری مانند بلاک چین، PoW اثبات کرده است که می‌تواند مکانیزم اجماع بسیار امن و قابل اعتمادی باشد. مولفه‌های اساسی PoW، ماینرها و انرژی هستند. ماینرها افراد یا نهادهایی‌اند که با اجرا و مدیریت نودها (محاسبه به وسیله رایانه‌ها) شبکه را حفظ می‌کنند.
ماینرها نودها را به مصرف برق در قالب انرژی محاسباتی جهت حل مسائل ریاضی پیچیده هدایت می‌کنند. ماینری که این مسئله را حل می‌نماید، این حق را به خود می‌دهد که مجموعه‌ای از تراکنش‌ها را به بلاک چین‌های متوالی که همیشه در حال رشد هستند، اضافه نموده و تاریخچه‌ای واحد و قابل تأیید از داده‌ها را در بلاک چین PoW ایجاد کند.
مصرف هزینه توان محاسباتی در قالب هزینه برق می‌باشد – علاوه بر هزینه‌های اولیه سخت‌افزاری تنظیم نود عملکردی. هزینه قرار گرفتن در جایگاه ماینر، با پاداش‌های بلاکی بسیار ارزشمند به وجود آمده است. وقتی یک ماینر با موفقیت یک بلاک را استخراج می‌کند، پاداش بلوک را به صورت سکه بومی بلاکچین دریافت می‌نماید (به عنوان مثال BTC، ETH و غیره).
تغییرات نرخ هش
همانطور که تعداد بیشتری ماینر شروع به اجرای نودها در یک بلاک چین می‌کنند، نرخ هش (یعنی قدرت محاسباتی شبکه) افزایش می‌یابد، به این معنی که بلاک بعدی ممکن است کمی سریعتر از قبلی استخراج شود.
شبکه تلاش می‌کند تا یک زمان بلاک ثابت (زمان بین هر بلاک) را حفظ نماید؛ هر اتریوم در حدود ۱۴ ثانیه و هر بیت کوین در حدود 10 دقیقه استخراج می‌گردد.
اگر نرخ هش افزایش یابد و یک بلاک کمی سریعتر از قبل استخراج شود، بنابراین سختی به طور خودکار برای بلاک بعدی افزایش می‌یابد، با اطمینان از اینکه استخراج یک بلوک کمی سخت‌تر شده و زمان بلاک دوباره تثبیت می‌شود. سختی به طور منظم پس از هر بلاک تنظیم می‌شود، آز این رو زمان بلاک نسبتاً ثابت می‌ماند.
با رفتن ماینرها از شبکه (که ممکن است به دلایل مختلفی از جمله کاهش ارزش USD سکه بومی اتفاق بیفتد)، این سختی کاهش می یابد، به این معنی که استخراج بلاک‌ها و دریافت پاداش برای ماینرها آسان‌تر می‌گردد.
این کاهش سختی به عنوان انگیزه‌ای برای بازگشت تعداد بیشتری از ماینرها به شبکه تلقی می‌شود، با اطمینان از اینکه شبکه همچنان قوی و به اندازه کافی غیرمتمرکز است.
ثابت شده است که PoW بلاک چین بسیار مقاوم و ایمن است. انگیزه مقابله با بازیگری مخرب که در تلاش است تا با بلاک چین PoW توافق کند، علت هزینه برق مورد نیاز برای تولید مقدار کافی انرژی محاسباتی برای به دست آوردن نرخ هش بالا می‌باشد.
قدرت محاسباتی ترکیبی مورد نیاز برای یک شخص برای به توافق با یک بلاک چین که PoW کاملاً خوب تعیین شده، مانند بیت کوین یا اتریوم هزینه بسیار زیادی دارد و ممکن است حتی این امکان وجود نداشته باشد.
با وجود اینکه PoW ساده و ایمن است، زنجیره‌های PoW با سه چالش اصلی روبرو هستند: قابلیت دسترسی، تمرکز و مقیاس‌پذیری.
قابلیت دسترسی
موانع ورود به ماینر PoW زیاد هستند. اثبات زنجیره‌های کار به مقدار قابل توجهی انرژی برای حفظ نیاز دارد. یک ماینر باید تمام سخت‌افزارهای لازم برای اجرای دکل استخراج PoW را خریداری، تنظیم و نگهداری نماید.
علاوه بر این، استخراج PoW بسیار پر مصرف است. نه تنها مکانیزم اساسی از جنبه‌ی انرژی ناکارآمد می‌باشد، بلکه موانع را برای ورود بیشتر می‌سازد.
برای به دست آوردن جوایز قابل توجه بلاک، بهتر است یک ماینر در منطقه‌ای با هزینه برق کمتر زندگی کند. علاوه بر این، حوزه‌های قضایی اغلب نرخ کمتری را برای هزینه‌های برق به شرکت‌ها ارائه می‌دهند، به این معنی که ماینری که می‌خواهد سود خود را به حداکثر میران برساند، نیاز به تشکیل یک شرکت و خرید سخت‌افزار استخراج کافی برای جبران تلاش و هزینه‌های مربوطه دارد.
در کل، عدم کارایی انرژی، هزینه‌های متغیر برق، هزینه‌های سخت افزاری و برق شرکت‌ها همگی موانع قابل توجهی هستند که برای ورود بیشتر ماینرها به عرصه‌ی استخراج ارزهای دیجیتال در آینده وجود دارند.
تمرکز
موانع ورود به فرایند استخراج می‌تواند اثر ثانویه نامطلوبی در مرکزیت بیشتر ماینرها داشته باشد. از آنجا که تبدیل شدن به یک مانیر هزینه‌بر و کم‌سودتر می‌شود، شبکه طبیعتاً تمرکز استخراج را در دو دسته مشاهده می‌کند.
دسته اول، مزارع بزرگ استخراج که در مناطقی با هزینه برق کم و هوای سرد (به منظوز کاهش هزینه خنک‌کننده دستی سخت‌افزار آستخراج‌کننده) مانند مغولستان و سیبری فعالیت می‌کنند.
دسته دوم، قدرت استخراج در استخراج متمرکز است. از آنجایی که استخراج فردی برای اکثر افراد سود کمتری دارد، آنها انرژی هش را از یک استخر ماینینگ خریداری می‌کنند که به عنوان یک واحد استخراج عمل می‌نماید. در پایان سال ۲۰۱۹، بیش از ۵۰ درصد از بلاک‌های اتریوم فقط با دو استخر ماینینگ، استخراج گردید.
مقیاس پذیری
در زنجیره اثبات کار فعلی اتریوم، هر بلاک به طور متوالی استخراج می‌گردد. هر بلاک فقط می‌تواند حاوی مقدار مشخصی از داده باشد که به عنوان اندازه‌ی بلاک شناخته می‌شود. این بدان معناست که اگر تراکنش‌های معلق بیشتر از آنچه که در یک بلاک جای می‌گیرند وجود داشته باشد، تراکنش‌هایی که در بلاک بعدی استخراج نمی‌گردند، باید برای بلوک زیرین منتظر بمانند تا فرصتی دیگر در آن گنجانده شود.
در اتریوم، هر ۱۴ ثانیه یک بار یک بلاک استخراج می‌شود، اما در طی رخدادهای تراکنشی خاص، برخی از کاربران قادر بودند ساعت‌ها صبر کنند تا تراکنش‌های آنها پردازش شود.
یافتن راه حل های اثبات سهام
انگیزه‌های رمزنگاری – اقتصادی برای PoS به منظور ایجاد پاداش‌های جذاب‌تر برای رفتار صحیح و مجازات‌های شدیدتر برای رفتارهای مخرب تعبیه شده است. انگیزه‌ی اصلی رمزنگاری – اقتصادی به این شرط بستگی دارد که اعتبارسنج‌ها رمزنگاری خود را در شبکه سهام‌گذاری کنند.
اعتبارسنج‌ها در زنجیره PoS به جای در نظر گرفتن هزینه ثانویه برق برای اجرای نود PoW، مجبورند مبلغ قابل توجهی را به‌طور مستقیم به شبکه واریز نمایند.
وقتی نوبت به اعتبارسنج‌ها می‌رسد، آنها پاداشهایی را برای ساخت بلاک و گواهی تعلق می‌دهند. مجازات آنها زمانی است که وقتی نوبت به این وظایف رسیده باشد، مسئولیت خود را دنبال نکنند – یعنی اگردر زمان اجرای مسئولیت‌ها آفلاین باشند.
مجازات‌های آفلاین بودن نسبتاً کم و تقریباً برابر با پاداش‌های پیش‌بینی شده در طول زمان است. بنابراین، اگر یک اعتبارسنج در بیش از نیمی از زمان به درستی مشارکت داشته باشد، پاداش او مثبت خواهد بود.
اگر یک اعتبارسنج تلاش کند تا با پیشنهاد مجموعه جدیدی از ثبت داده، بلاک چین را مورد حمله قرار دهد یا به خطر بیاندازد، مکانیزم مجازاتی دیگری شروع به عمل می‌نماید: بخش قابل توجهی از مقدار سهام آنها کاهش می‌یابد (احتمالاً تا کل میزان سهام) و از شبکه بیرون انداخته می‌شوند.
نتیجه این کار، یک خطر مالی عظیم از حمله ناموفق توسط یک اعتبارسنج می‌باشد.
علاوه بر این، این مهم معماری امنیت شبکه را مستقیماً در اختیار کسانی قرار می‌دهد که شبکه و دارایی رمزنگاری شده بومی آن را در خود پروتکل نگهداری می‌کنند.
اثبات سهام به سه موضوع از زنجیره‌های PoW که قبلاً بحث شده‌اند – قابلیت دسترسی، متمرکز و به ویژه مقیاس‌پذیری – پرداخته است:
قابلیت دسترسی
اثبات بلاک چین‌های سهام نیازی به اعتبارسنج‌هایی ندارد که نگران هزینه‌های اولیه سخت‌افزاری باشند یا به همان میزان که ماینرها روی زنجیره‌های PoW باید توجه نمایند، به نرخ برق توجه کنند. بنابراین، اجرای یک نود اعتبارسنج بر روی یک زنجیره PoS نسبت به اجرای نود استخراج روی یک زنجیره PoW، مانع قابل توجهی برای ورود یک فرد به این عرصه است. با این حال، مانعی قابل توجه برای ورودی قابل دسترسی برای PoS وجود دارد.
اعتبارسنج‌ها برای اجرای یک نود اعتبارسنج کامل باید حداقل مقدار رمزنگاری را درگیر کنند. برای مثال برای اتریوم 2.0، این مبلغ ۳۲ ETH (در زمان نوشتن مقاله 6500 دلار) می‌باشد. برای بسیاری از افراد، این مبلغ قابل توجهی از نظر مالی بوده و یک عامل بازدارنده در مشارکت فعال محسوب می‌گردد.
به همان روشی که زنجیره‌های PoW دارای استخرهای استخراج هستند، استخرهای ذخیره‌ای وجود خواهد داشت که وجوه شرکت‌کنندگانی را که نمی‌توانند یا نمی‌خواهند ۳۲ ETH را به دست آورند، جمع می‌کند.
این مجموعه از طرف آنها سهام خواهد داشت و آنها به عنوان درصدی از سهام خود پاداش دریافت خواهند نمود.
تمرکز
با کاهش موانع ورود و از بین بردن نگرانی در مورد به حداقل رساندن هزینه‌های برق، شبکههای PoS در سطح نود به طور قابل توجهی غیرمتمرکزتر از شبکههای PoW هستند. مشارکت در یک زنجیره PoS فقط به مقدار غیرصفر رمزنگاری، اتصال به اینترنت و رایانه (یا تلفن و تبلت) نیاز دارد.
این کار درهای مشارکت و درآمدزایی را به روی گروه بسیار بیشتری از مردم می‌گشاید. علاوه بر این، صرفه‌جویی‌های مقیاسی در صرفه‌جویی‌های PoS بسیار کمتر از PoW می‌باشند. در سیستم‌های PoW، هرچه قدرت هش بیشتر توسط یک ماینر کنترل شود، درصد پاداش دریافتی وی بیشتر خواهد بود. در PoS، درصد اعتبارسنج ثابت می‌ماند چه ۱ گره چه ۱۰۰۰۰ گره را مدیریت کند.
مقیاس‌پذیری
اثبات سهام به تنهایی مقیاس‌پذیری را بهبود نمی‌بخشد. با این حال، معماری PoS اجازه می‌دهد بدون کاهش امنیت، یک راه‌حل مقیاس‌پذیر که به عنوان شاردینگ شناخته می‌شود را اجرا نماید.
شاردینگ مکانیزمی برای مقیاس‌گذاری پایگاه داده است که در آن یک بلاک چین به چندین زنجیره خرد تقسیم می‌شود که هر کدام از آنها قادر به پردازش بلاک‌ها هستند. این مکانیزم، کار بلاکچین را از پردازش همزمان هر بلاک راحت می‌کند و در عوض اجازه می‌دهد تا چندین بلاک (و به عبارت دیگر مجموعه‌های بیشتری از داده‌ها) به طور همزمان پردازش شوند.
به عنوان مثال با اتریوم 2.0، شاردینگ زنجیره بلوک را به ۶۴ زنجیره خرد جداگانه تقسیم می‌کند، به این معنی که شبکه تراکنش‌ها را با حداقل ۶۴ برابر سرعت تراکنش زنجیره اصلی PoW پردازش می‌نماید.
در شبکههای PoW، شاردینگ به مقیاس‌پذیری کمک می‌کند، اما بر روی امنیت شبکه نیز تأثیر می‌گذارد. تقسیم یک شبکه PoW به زنجیره‌های خرد شده به این معنی است که هر زنجیره‌ای به قدرت هش کمتری برای توافق نیاز دارد. با این حال، زنجیره‌های PoS “می‌دانند” که اعتبارسنج‌های شبکه چه کسانی هستند (به طور خاص، آدرس وصل شده به هر سپرده، و در نتیجه متصل به هر نود اعتبارسنج).
بنابراین، از طریق یک الگوریتم تصادفی قابل اثبات، زنجیره‌های PoS می‌توانند اطمینان حاصل کنند که اعتبارسنجی‌هایی که برای اعتبارسنجی بلاک‌های مختلف استفاده می‌شوند، تصادفی بوده و به طور آماری این احتمال را دارد که یک اعتبارسنج به اندازه کافی سهام را کنترل نماید تا داده ها را در یک بلاک کنترل کند.
در حالی که PoW برای دستیابی به مقیاس‌پذیری نیاز به مبادله امنیتی دارد، شبکههای PoS می‌توانند از طریق شاردینگ به هر دو هدف برسند.
اثبات سهام در Ethereum 2.0
اتریوم 2.0 اثبات زنجیره سهام است که به صورت فازهای زنده، از فاز صفر در سال ۲۰۲۰ شروع می‌شود. فاز ۰ اتریوم 2.0 آنچه را که بیکن چین (Beacon Chain) نامیده می‌شود را راه‌اندازی می‌کند که مکانیزم اجماع اثبات سهام را ایجاد و حفظ می‌نماید.
در اتریوم 2.0، مکانیزم اجماع PoS به اعتبارسنج‌هایی نیاز دارد تا ۳۲ ETH را برای اجرای یک نود اعتبارسنج در شبکه درگیر کنند. هر بار که یک بلاک پیشنهاد می‌شود، حداقل ۴ و حداکثر ۶۴ کمیته تصادفی از ۱۲۸ نود اعتبارسنج از کل اعتبارسنجی‌ها برای تأیید بلاک انتخاب می‌شوند.
(این موضوع از لحاظ ایمنی قابل اطمینان است و کمتر از ۱ در تریلیون شانس وجود دارد که مهاجمی که ثلث اعتبارسنج‌ها را در شبکه کنترل می‌کند، دو سوم از اعتبارسنج‌ها را در یک کمیته برای اجرای موفقیت‌آمیز حمله کنترل نماید).
به منظور اعتبارسنجی در اتریوم 2.0، اعتبارسنج‌ها ۳۲ ETH را به قرارداد رسمی سپرده اتریوم 2.0 واریز می‌کنند که توسط بنیاد اتریوم تهیه و منتشر شده است. اعتبارسنج‌ها برای هر نود اعتبارسنجی که می‌خواهند اجرا کنند، باید ۳۲ ETH را در نظر بگیرند.
در فاز صفر اتریوم 2.0، جوایز پیشنهاد و تأیید به اعتبارسنج‌ها توزیع نمی‌شود تا زمانی که حداقل آستانه اعتبارسنجی ETH و اعتبار سنج متعهد برای راه‌اندازی شبکه برسد. برای شبکه‌بندی حداقل ۵۲۴۲۸۸ ETH نیاز است تا بتواند در آن قرار بگیرد، که حداقل در ۱۶۳۸۴ نود اعتبارسنج تقسیم شده باشد. هنگامی که آستانه فعال شد و بلاک اولیه یا همان جنسیس بلاک ایجاد گردید، توزیع جوایز به اعتبارسنج‌ها آغاز می‌شود.
