الگوریتم اجماع (Consensus Algorithm)

الگوریتم اجماع (Consensus Algorithm) فرآیندی است که در سیستم‌های توزیع‌شده و بلاک‌چین‌ها برای رسیدن به توافق بین نودها درباره وضعیت داده‌ها و صحت تراکنش‌ها استفاده می‌شود. هدف اصلی این الگوریتم‌ها اطمینان از همسویی و هماهنگی داده‌ها در شبکه‌های غیرمتمرکز است، حتی در صورت وجود نودهای مخرب یا خطاهای شبکه

تاریخچه الگوریتم اجماع :

تاریخچه الگوریتم‌های اجماع به شکل‌گیری و توسعه فناوری‌های مرتبط با تأیید صحت و توافق در شبکه‌های توزیع‌شده برمی‌گردد. در ادامه، مروری بر تاریخچه و سیر تکامل این الگوریتم‌ها ارائه می‌شود.

• مبانی نظری و الگوریتم‌های اولیه (دهه 1980 - 1990)

 برای اولین بار در دهه 1980 توسط  Leslie Lamport و همکارانش معرفی شد.

در دهه‌های 1980 و 1990، تحقیقات اولیه در زمینه الگوریتم‌های اجماع در حوزه سیستم‌های توزیع‌شده آغاز شد. مفاهیمی مانند الگوریتم‌های توافق در سیستم‌های ناکامل و مقاوم در برابر خطاهای قابل تصور مطرح شدند. نمونه‌ای از این الگوریتم‌ها، الگوریتم‌های توافق مقاوم در برابر خطاهای سازگار (Byzantine Fault Tolerance) 

• الگوریتم‌های اجماع در بلاک‌چین و ارزهای دیجیتال (اوایل دهه 2010)

با ظهور بیت‌کوین در 2008 و معرفی فناوری بلاک‌چین، مفهوم جدیدی از الگوریتم‌های اجماع معرفی شد.

• Proof of Work (PoW)

 توسط ساتوشی ناکاموتو در سال 2008 معرفی شد و به عنوان الگوریتم اصلی در بیت‌کوین مورد استفاده قرار گرفت. این الگوریتم بر حل مسائل ریاضی پیچیده برای تصدیق تراکنش‌ها تکیه دارد.

• Proof of Stake (PoS)

در اوایل دهه 2010، این روش جایگزین PoW شد که بر اساس نگه‌داشتن میزان مشخصی از رمزارز در کیف پول کاربر برای شرکت در فرآیند تأیید تراکنش‌ها است.

• توسعه الگوریتم‌های اجماع دیگر و بهبودها (دهه 2010)

الگوریتم‌های مانند Delegated Proof of Stake (DPoS)، Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)، Raft و Tendermint توسعه یافتند تا کارایی، امنیت و مقیاس‌پذیری شبکه‌های بلاک‌چین را بهبود دهند.

تمرکز بر کاهش مصرف انرژی، افزایش سرعت تأیید تراکنش‌ها و مقاومت در برابر حملات

• تحولات و روندهای جاری

تمرکز بر الگوریتم‌های اجماع سازگار با فناوری‌های نوین، مقیاس‌پذیری و حفظ امنیت در شبکه‌های بلاک‌چین، مانند الگوریتم‌های مبتنی بر اثبات سهام (PoS) و الگوریتم‌های هیبریدی توسعه الگوریتم‌های مبتنی بر فناوری‌های نوین مانند زنجیره‌های جانبی، رول‌آوت‌های لایه دوم و سایر راه‌حل‌های مقیاس‌پذیری.

جمع‌بندی
الگوریتم‌های اجماع در طول زمان از مفاهیم اولیه در سیستم‌های توزیع‌شده تا فناوری‌های پیشرفته در بلاک‌چین‌ها و ارزهای دیجیتال تغییر و تحول یافته‌اند. این الگوریتم‌ها نقش اساسی در تضمین صحت، امنیت و اعتماد در شبکه‌های توزیع‌شده ایفا می‌کنند و همچنان موضوع تحقیق و توسعه فعال در حوزه فناوری‌های نوین هستند

•  ماهیت الگوریتم اجماع :

ماهیت الگوریتم اجماع به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن اعضای شبکه یا سیستم، بر سر یک وضعیت یا تصمیم مشخص به توافق برسند، بدون نیاز به مرجع مرکزی و با رعایت اصول اعتماد و صحت‌سنجی. در واقع، الگوریتم‌های اجماع برای تضمین صحت و امنیت داده‌ها و عملیات در محیط‌های توزیع‌شده طراحی شده‌اند، جایی که هر نود یا گره در شبکه باید نظر خود را ارائه دهد و در نهایت تصمیم واحدی اتخاذ شود.

ویژگی‌های کلیدی ماهیت الگوریتم اجماع عبارتند از:

• توافق‌پذیری (Agreement): تمامی نودهای معتبر باید بر سر نتیجه نهایی توافق داشته باشند.

• درستی (Validity): نتیجه نهایی باید بر اساس داده‌ها و اطلاعات معتبر باشد.

• پایداری (Termination): فرآیند اجماع باید در زمان معینی به پایان برسد

• مقاومت در برابر خطاها و حملات: الگوریتم باید بتواند در مقابل خطاهای تصادفی یا حملات مخرب مقاومت کند.در مجموع، الگوریتم‌های اجماع در فناوری‌هایی مانند بلاک‌چین، سیستم‌های توزیع‌شده و شبکه‌های غیرمتمرکز نقش حیاتی در اطمینان از صحت و اعتماد در عملیات دسته‌جمعی دارند.

انواع الگوریتم‌های اجماع

الگوریتم‌های اجماع (Consensus Algorithms) در سیستم‌های توزیع‌شده برای تضمین توافق و هم‌راستایی داده‌ها بین نودهای مختلف استفاده می‌شوند. در ادامه، برخی از مهم‌ترین انواع الگوریتم‌های اجماع را معرفی می‌کنم:

• پروتکل اثبات کار (Proof of Work - PoW): در این الگوریتم، نودها (ماینرها) برای حل مسائل محاسباتی پیچیده رقابت می‌کنند. بیت‌کوین نمونه‌ای بارز از این نوع است

معایب: مصرف زیاد انرژی و زمان‌بر بودن

• پروتکل اثبات سهام (Proof of Stake - PoS): نودها بر اساس مقدار سهامی که دارند، شانس تایید بلوک‌ها را کسب می‌کنند. مصرف انرژی کمتر نسبت به PoW دارد. نمونه‌ها: کاردانو، پولکادوت

• پروتکل اثبات اعتبار (Proof of Authority - PoA): اعتبار نودها بر اساس هویت و اعتبارشان تعیین می‌شود. مناسب برای شبکه‌های خصوصی و محدود

• پروتکل بیزین (Byzantine Fault Tolerance - BFT): الگوریتم‌هایی که می‌توانند در حضور نودهای مخرب یا خطاکار، به توافق برسند. نمونه‌ها:PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance)

• پروتکل اجماع اثبات سهام اصلاح‌شده (DPoS - Delegated Proof of Stake): کاربران نودهای نماینده‌ای را انتخاب می‌کنند که مسئول تایید تراکنش‌ها هستند. نمونه‌ها EOS استیم

• پروتکل‌های دیگر: Paxos ،Raft و دیگر الگوریتم‌های مبتنی بر رأی‌گیری و توافق هر کدام از این الگوریتم‌ها بسته به نیازهای شبکه، میزان امنیت، سرعت و مصرف منابع، انتخاب می‌شوند.

هر کدام از این الگوریتم‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند و بسته به نیازهای شبکه، از آن‌ها استفاده می‌شود. در کل، الگوریتم‌های اجماع نقش حیاتی در امنیت، کارایی و اعتمادپذیری سیستم‌های توزیع‌شده دارند.

منظور از اجماع توزیع شده :

اجماع توزیع‌شده (Distributed Consensus) فرآیندی است که در سیستم‌های توزیع‌شده برای رسیدن به توافق مشترک در مورد یک مقدار یا وضعیت خاص بین نودها یا گره‌های مختلف استفاده می‌شود. هدف اصلی این نوع اجماع تضمین صحت، امنیت و هماهنگی داده‌ها در محیط‌هایی است که هیچ نود واحدی کنترل کامل بر کل سیستم ندارد و نودها ممکن است در طول زمان از هم جدا شوند یا ارتباطات شبکه‌ای محدود باشد.

اصول پایه اجماع توزیع‌شده شامل موارد زیر است:

تمام نودها باید به یک نتیجه مشترک برسند (Agreement) همه نودها باید در مورد مقدار نهایی توافق داشته باشند

• درستی نتیجه (Validity):نتیجه نهایی باید نتیجه‌ای باشد که توسط یکی از نودها پیشنهاد شده یا معتبر است

• پایداری (Termination): فرایند اجماع باید در زمان معقولی پایان یابد برخی الگوریتم‌ها و پروتکل‌های مشهور در این حوزه عبارتند از:

• پروتکل بیز(PBFT - Practical Byzantine Fault Tolerance): مقاوم در برابر خطاهای بیزین، مناسب برای سیستم‌هایی با نودهای مخرب

• پروتکل Paxos:برای دستیابی به اجماع در شرایط خطای کاربر و نودهای غیرقابل اعتماد

•  پروتکل Raft: الگوریتم ساده‌تر برای مدیریت اجماع در سیستم‌های مدیریت کلید و دفتر کل توزیع‌شده در فناوری‌های بلاک‌چین، اجماع توزیع‌شده نقش حیاتی در تضمین صحت تراکنش‌ها و جلوگیری از حملات دوگانه‌سازی  (double spending) دارد، و از الگوریتم‌هایی مانند اثبات کار (Proof of Work) و اثبات سهام ( Proof of Stake)  بهره می‌گیرد.

در مجموع، اجماع توزیع‌شده کلید موفقیت سیستم‌های مدرن توزیع‌شده است، زیرا تضمین می‌کند که تمامی نودها در یک محیط ناپایدار و غیرقابل اعتماد، همگام و هماهنگ باقی بمانند.