بلاک‌چین چگونه کار می‌کند: اصول و کاربردها

13 دقیقه مطالعه

۱. بلاک‌چین چیست؟

بلاک‌چین یک دفتر کل دیجیتال، مشترک و تغییرناپذیر است که می‌تواند تراکنش‌ها را در یک شبکه تجاری ثبت کرده، دارایی‌ها را ردیابی کند و یک منبع واحد و قابل اعتماد برای اطلاعات فراهم آورد [1]. بلاک‌چین به عنوان یک پایگاه داده توزیع‌شده و غیرمتمرکز عمل می‌کند که داده‌ها در چندین کامپیوتر ذخیره می‌شوند و دارای قابلیت مقاومت در برابر دست‌کاری است. تراکنش‌ها از طریق مکانیزم‌های اجماع تأیید می‌شوند تا یکپارچگی کل شبکه تضمین شود [1].

به زبان ساده، بلاک‌چین را می‌توان به عنوان یک دفتر حسابداری چند صفحه‌ای در نظر گرفت که صفحات آن بر اساس ترتیب زمانی ثبت سازماندهی شده‌اند؛ در بلاک‌چین، بلوک‌های مختلف بر اساس زمانی که توسط استخراج‌کنندگان (Miners) بسته‌بندی شده‌اند، سازماندهی می‌شوند [3]. بلاک‌چین در واقع زنجیره‌ای از بلوک‌های داده است که با استفاده از رمزنگاری به یکدیگر متصل شده‌اند و هر بلوک حاوی اطلاعات تأیید شده‌ای از چندین تراکنش در شبکه بیت‌کوین است [4].

---

۲. اصول هسته‌ای عملکرد بلاک‌چین

۲.۱ بلوک‌ها و هش: «اثر انگشت» داده‌ها

هش (Hash) الگوریتمی است که می‌تواند داده‌هایی با هر طول دلخواه را به رشته‌ای از کاراکترهای تصادفی با طول ثابت تبدیل کند. هش دارای دو ویژگی کلیدی است: اول منحصر‌به‌فرد بودن، به این معنا که کوچک‌ترین تغییر در ورودی، خروجی را کاملاً تغییر می‌دهد؛ دوم یک‌طرفه بودن، به این معنا که می‌توان از روی داده‌ها هش را محاسبه کرد، اما نمی‌توان از روی هش به داده‌های اصلی دست یافت [cmv7wb4p200gm01qpudrseqzb].

در بلاک‌چین، هر بلوک شامل مقدار هش بلوک قبلی (Prev Hash) است که تضمین می‌کند بلوک‌ها به صورت تغییرناپذیر به یکدیگر متصل شده‌اند. اگر یک بلوک تغییر کند، پیوند بلوک‌های بعدی قطع خواهد شد [2]. علاوه بر این، برای تمام تراکنش‌های داخل یک بلوک یک Merkle Hash ایجاد می‌شود که به عنوان تأییدیه یکپارچگی مجموعه تراکنش‌های آن بلوک عمل می‌کند؛ هرگونه دست‌کاری در تراکنش‌ها یا تغییر در ترتیب آن‌ها منجر به شکست در تأیید Merkle Hash و در نتیجه نامعتبر شدن بلوک می‌شود [2].

۲.۲ شکل‌گیری ساختار زنجیره‌ای

هر بلوک با بلوک قبلی و بعدی خود مرتبط است و بدین ترتیب یک زنجیره داده امن ایجاد می‌کند. این زنجیره از طریق مقادیر هش رمزنگاری شده (که شناسه‌ منحصر‌به‌فرد هر بلوک است) تکمیل می‌شود. هش هر بلوک شامل داده‌های بلوک قبلی است که ترتیب دقیق و زمان هر تراکنش را تضمین می‌کند [1].

به طور مشخص:

• بلوک اول (بلوک جنسیس یا Genesis Block) تراکنش‌ها را ثبت کرده و اثر انگشت خود را محاسبه می‌کند.
• در سربرگ بلوک دوم، اثر انگشت بلوک اول چاپ می‌شود و سپس اثر انگشت بلوک دوم محاسبه می‌گردد.
• در سربرگ بلوک سوم، اثر انگشت بلوک دوم چاپ می‌شود و این روند به همین ترتیب ادامه می‌یابد [cmv7wb4p200gm01qpudrseqzb].

این ساختار یکپارچگی داده‌ها را تضمین کرده و سوابقی مقاوم در برابر دست‌کاری فراهم می‌کند [1].

۲.۳ چرا دست‌کاری آن دشوار است؟

اگر مهاجمی یکی از تراکنش‌های داخل یک بلوک را تغییر دهد، Merkle Hash تغییر می‌کند، که منجر به تغییر هش سربرگ بلوک شده و در نهایت پیوندهای بعدی زنجیره را تخریب کرده و عمل دست‌کاری را برملا می‌کند [2].

برای اینکه تغییرات اعمال شود، مهاجم باید هش آن بلوک و تمام بلوک‌های بعد از آن را مجدداً محاسبه کرده و جایگزین کند. این کار هزینه‌ای بسیار بالا دارد و به راحتی توسط سایر گره‌های (Nodes) شبکه شناسایی شده و منجر به ابطال حمله می‌شود [2]. هرگونه تغییر در محتوای بلوک، مقدار هش آن را تغییر داده و ردپای دست‌کاری داده‌ها را آشکار می‌کند [5].

---

۳. مکانیزم اجماع: چگونه افراد نامطمئن به توافق می‌رسند

۳.۱ تعریف مکانیزم اجماع

مکانیزم اجماع این مسئله را حل می‌کند که در گروهی از افرادی که به یکدیگر اعتماد ندارند، چگونه می‌توان همه را بر سر یک دفتر حسابداری واحد به توافق رساند [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4]. در غیاب یک مرجع متمرکز، باید مجموعه‌ای از قوانین بازی طراحی شود تا افراد به طور خودکار از یک دفتر کل واقعی و واحد محافظت کنند.

مکانیزم‌های اجماع رایج عبارتند از اثبات کار (PoW) و اثبات سهام (PoS) [6].

۳.۲ اثبات کار (PoW)

منطق اصلی اثبات کار این است: هر کس کار بیشتری انجام دهد، حق تصمیم‌گیری دارد. استخراج‌کنندگان از طریق رقابت برای حل مسائل دشوار، برای کسب حق ثبت حساب می‌جنگند که این کار مستلزم مصرف منابع محاسباتی و برق زیاد است [6].

فرآیند دقیق:

• همه به طور همزمان مشغول محاسبات شدید هستند («استخراج»)، و کامپیوترها با امتحان کردن اعداد تصادفی سعی در شکستن رمز دارند.
• هر کس زودتر مسئله ریاضی بسیار پیچیده را حل کند، حق ثبت حساب را به دست آورده و آن را در کل شبکه پخش می‌کند.
• تأیید پاسخ برای دیگران بسیار آسان است و پس از اطمینان از صحت آن، دفتر حساب را کپی می‌کنند [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4].

مزایا: بسیار امن، تأیید شده طی بیش از ده سال تجربه بیت‌کوین، درجه غیرمتمرکز بودن بالا [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4].

معایب: مصرف برق بسیار زیاد؛ میلیون‌ها دستگاه استخراج که شبانه‌روز در حال محاسبه هستند، برقی را مصرف می‌کنند که با مصرف یک کشور متوسط قابل مقایسه است [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4].

۳.۳ اثبات سهام (PoS)

منطق اصلی اثبات سهام این است: هر کس دارایی بیشتری گرو بگذارد، حق تصمیم‌گیری دارد. شرکت‌کنندگان دارایی‌های خود را گرو می‌گذارند تا از رفتارهای مخرب جلوگیری کرده و اعتبار و بازگشت‌ناپذیری تراکنش‌ها را تضمین کنند [6].

فرآیند دقیق:

• مقدار مشخصی از سکه‌ها را در سیستم «گرو» (Staking) می‌کنند.
• سیستم مانند یک قرعه‌کشی، بر اساس نسبت مقدار دارایی گرو شده، به طور تصادفی ثبت‌کننده حساب را انتخاب می‌کند.
• در صورت ثبت درست، پاداش می‌گیرند و در صورت خطا، دارایی گرو شده مصادره می‌شود [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4].

مزایا: بسیار کم‌مصرف، سرعت بالا، کارایی زیاد [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4].

معایب: مورد انتقاد است که باعث می‌شود «ثروتمندان ثروتمندتر شوند» و اگر صرافی‌های بزرگ دارایی‌ها را متمرکز کنند، ریسک متمرکز شدن شبکه وجود دارد [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4].

۳.۴ مقایسه PoW و PoS

خلاصه در یک جمله: PoW رقابتی بر سر «قدرت پردازش فیزیکی» است و با سوزاندن برق حق ثبت حساب را می‌خرد؛ PoS رقابتی بر سر «قدرت اقتصادی» است و با گرو گذاشتن پول حق ثبت حساب را می‌خرد [cmv7wcbuz00f601s3vw6b59o4].

---

۴. فرآیند کامل تراکنش بیت‌کوین

فرآیند تراکنش بیت‌کوین در اصل یک مسابقه امدادی است شامل: «پخش کردن - دریافت سفارش - بسته‌بندی - مهر زدن» [cmv7wdbbx00fd01s364usvddo]:

گام اول: ایجاد سفارش تراکنش (نوشتن چک) با استفاده از کلید خصوصی، تراکنش را برای امضای دیجیتال مهر می‌کنند تا ثابت شود این پول واقعاً توسط شما مجاز شده است. همچنین منبع وجوه (UTXO، خروجی‌های تراکنشی مصرف نشده) مشخص می‌شود [cmv7wdbbx00fd01s364usvddo].

گام دوم: پخش در کل شبکه (تبلیغ) تراکنش مستقیماً وارد زنجیره نمی‌شود، بلکه مانند یک آگهی تبلیغاتی برای هزاران گره در شبکه پخش می‌شود. گره‌ها پس از دریافت، بررسی اولیه را انجام می‌دهند: بررسی صحت امضا، عدم تکرار هزینه؛ اگر مشکلی نباشد، آن را مجدداً بازنشر می‌کنند [cmv7wdbbx00fd01s364usvddo].

گام سوم: ورود به استخر حافظه (صف انتظار) استخراج‌کنندگان پس از دریافت تراکنش، آن را در سبد بزرگی به نام «استخر حافظه» (Mempool) می‌اندازند تا منتظر انتخاب بماند. در این لحظه وضعیت تراکنش «تأیید نشده» است [cmv7wdbbx00fd01s364usvddo].

گام چهارم: بسته‌بندی توسط استخراج‌کننده (انجام کار) استخراج‌کننده تراکنش‌ها را از استخر حافظه برای بسته‌بندی انتخاب می‌کند. از آنجایی که فضای بلوک محدود است، هر کس کارمزد بیشتری پرداخت کرده باشد، زودتر انتخاب می‌شود. سپس استخراج‌کننده شروع به حل مسئله ریاضی بسیار پیچیده (رقابت PoW) می‌کند [cmv7wdbbx00fd01s364usvddo].

گام پنجم: موفقیت در استخراج، ورود بلوک به زنجیره (اعمال مهر) به طور متوسط حدود ۱۰ دقیقه طول می‌کشد تا یک استخراج‌کننده زودتر از همه پاسخ را بیابد و بلافاصله بلوک بسته‌بندی شده را در شبکه پخش کند. پس از اینکه سایر استخراج‌کنندگان و گره‌ها قانونی بودن تمام تراکنش‌ها را تأیید کردند، این بلوک رسماً در انتهای بلاک‌چین «جوش داده» می‌شود. در این لحظه تراکنش اولین تأیید را دریافت می‌کند [cmv7wdbbx00fd01s364usvddo].

گام ششم: انتظار برای تأییدهای بیشتر (جلوگیری از تغییر)

• تراکنش‌های خرد: انتظار برای ۱ تأیید (حدود ۱۰ دقیقه) کافی است.
• تراکنش‌های کلان: معمولاً انتظار برای ۳ تا ۶ تأیید (حدود ۳۰ دقیقه تا ۱ ساعت) توصیه می‌شود [cmv7wdbbx00fd01s364usvddo].

---

۵. قراردادهای هوشمند: کد همان قانون است

۵.۱ قرارداد هوشمند چیست؟

قرارداد هوشمند مانند یک «برنامه ماشین فروش خودکار» است که روی بلاک‌چین اجرا می‌شود؛ قراردادی است که به صورت کد نوشته شده و به محض اینکه شرایط برآورده شود، توافقات را به طور خودکار و اجباری اجرا می‌کند، بدون اینکه به تأیید هیچ شخصی نیاز باشد [cmv7wewxo00h101qpx0cvtt90].

با توسعه پلتفرم‌هایی مانند اتریوم در سال ۲۰۱۵، بلاک‌چین شروع به پشتیبانی از قراردادهای هوشمند کرد؛ قراردادهای دیجیتالی که روی بلاک‌چین ذخیره می‌شوند و هنگام برآورده شدن شرایط و ضوابط تعیین‌شده، به‌طور خودکار اجرا می‌گردند [1].

۵.۲ تفاوت بین قراردادهای هوشمند و برنامه‌های معمولی

تفاوت اصلی قراردادهای هوشمند با برنامه‌های معمولی در «محیط بقای» آن‌هاست که کاملاً متفاوت است:

تغییرناپذیری: قراردادها پس از استقرار روی زنجیره (On-chain)، مانند آن است که متنی روی سنگ حک شده باشد؛ حتی نویسنده قرارداد نیز نمی‌تواند آن را تغییر داده یا حذف کند. در حالی که برنامه‌های معمولی را می‌توان در هر زمان تغییر داد یا ارتقاء داد [cmv7wewxo00h101qpx0cvtt90].

اجرای غیرمتمرکز: قراردادهای هوشمند روی هزاران گره (Node) در سراسر جهان اجرا می‌شوند. تا زمانی که شبکه بلاک‌چین وجود داشته باشد، حتی اگر شرکت ورشکست شود یا بنیان‌گذاران آن فرار کنند، برنامه همچنان برای همیشه اجرا خواهد شد. برنامه‌های معمولی روی سرورهای شرکت اجرا می‌شوند و اگر مدیر تصمیم به خاموش کردن سرور بگیرد، برنامه متوقف می‌شود [cmv7wewxo00h101qpx0cvtt90].

کد همان قانون است: وجوه مستقیماً در کد قرارداد قفل می‌شوند و به محض فعال شدن شرایط، کد مستقیماً دارایی‌ها را جابه‌جا می‌کند. در برنامه‌های معمولی، ممکن است سیستم تشخیص دهد که باید وجهی بازگردانده شود، اما پول همچنان در حساب Alipay است و نیاز به تأیید انسانی دارد [cmv7wewxo00h101qpx0cvtt90].

شفافیت و متن‌باز: اکثر کدهای قراردادها عمومی و متن‌باز هستند و در مرورگرهای بلاک‌چین قابل مشاهده‌اند. برنامه‌های معمولی معمولاً بسته هستند و جزو اسرار تجاری محسوب می‌شوند [cmv7wewxo00h101qpx0cvtt90].

---

۶. کاربردهای عملی بلاک‌چین

۶.۱ امور مالی و پرداخت‌های فرامرزی

بلاک‌چین می‌تواند برای دفاتر کل و پرداخت‌های غیرمتمرکز مورد استفاده قرار گیرد و از طریق اجماع توزیع‌شده و تغییرناپذیری، قابلیت اعتماد در ثبت تراکنش‌های نقطه به نقطه (Peer-to-Peer) را فراهم کند [2]. با استفاده از بیت‌کوین یا استیبل‌کوین‌ها، انتقال مستقیم وجه در ۱۰ دقیقه انجام می‌شود و کارمزد آن ممکن است تنها چند سنت باشد. در برخی کشورهای دارای تورم شدید، مردم برای حفظ پس‌اندازهای خود، استیبل‌کوین‌ها را به مقدار زیاد خریداری می‌کنند [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

۶.۲ ردیابی زنجیره تأمین

با بهره‌گیری از سوابق تراکنش‌های تغییرناپذیر و برچسب‌های زمانی (Timestamp)، ردیابی محصول و شفافیت محقق می‌شود [2]. والمارت از بلاک‌چین برای ردیابی منشأ انبه‌ها استفاده می‌کند؛ در گذشته بررسی منشأ یک انبه ۷ روز زمان می‌برد، اما اکنون با اسکن یک کد، کل فرآیند در ۲.۲ ثانیه قابل مشاهده است [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

۶.۳ NFT و اثبات مالکیت دیجیتال

NFT (توکن‌های غیرمثلی) مانند صادر کردن یک سند مالکیت دیجیتال منحصر‌به‌فرد برای تصاویر، موسیقی یا ویدئوهای دیجیتال است. اگرچه می‌توان تصویر را با راست‌کلیک ذخیره کرد، اما سوابق روی زنجیره ثابت می‌کند که تنها توکن موجود در کیف پول خریدار، نسخه اصلی است [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

۶.۴ DeFi (امور مالی غیرمتمرکز)

در DeFi، قراردادهای هوشمند جایگزین بانک‌ها می‌شوند. می‌توان ارزها را در یک قرارداد وثیقه گذاشت و فوراً ارز دیگری قرض گرفت، یا آن‌ها را در «استخرهای نقدینگی» قرار داد تا سود کسب شود. پروتکل‌هایی مانند Uniswap و Aave دارایی‌های میلیارد دلاری را مدیریت می‌کنند، بدون اینکه دفتر یا کارمندی داشته باشند؛ همه چیز توسط کدها به‌صورت ۲۴ ساعته و خودکار اداره می‌شود [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

۶.۵ احراز هویت و حاکمیت داده‌ها

مدارک شناسایی به صورت «گواهینامه» در کیف پول بلاک‌چین شخصی ذخیره می‌شوند. اگر وب‌سایتی بخواهد تأیید کند که شما بالغ هستید، کافی است گواهینامه «من بیش از ۱۸ سال دارم» را ارائه دهید، بدون اینکه نیاز باشد شماره ملی خود را به آن سایت بدهید [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

---

۷. محدودیت‌های بلاک‌چین

۷.۱ سرعت پایین و ظرفیت کم

بیت‌کوین در هر ثانیه تنها حدود ۷ تراکنش و اتریوم حدود ۱۵ تا ۳۰ تراکنش را پردازش می‌کند. در حالی که Alipay در پیک فروش‌های ۱۱ نوامبر، باید صدها هزار تراکنش در ثانیه را پردازش کند [7]. بلاک‌چین در حال حاضر اصلاً توانایی تحمل پرداخت‌های خرد و پرتکرار روزمره را ندارد.

۷.۲ کارمزدهای گران و ناپایدار

در زمان ازدحام شبکه، کارمزد یک تراکنش در اتریوم ممکن است به ده‌ها یا حتی صدها دلار برسد. نمی‌توان برای انتقال ۵ دلار از بلاک‌چین استفاده کرد، زیرا کارمزد از مبلغ اصلی بیشتر می‌شود [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

۷.۳ لبه دو لبه تغییرناپذیری

اگر اشتباهاً وجهی را به آدرسی غلط ارسال کنید، پول برای همیشه از دست می‌رود. اگر کد قرارداد هوشمند دارای باگی باشد که توسط هکرها مورد بهره‌برداری قرار گیرد، به دلیل تغییرناپذیر بودن کد، تنها می‌توانید نظاره‌گر باشید یا دعا کنید که کل جامعه روی یک «Hard Fork» توافق کنند [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

۷.۴ سطح بالای دشواری در نگهداری کلید خصوصی

دارایی‌ها در یک «عبارت بازیابی» (Mnemonic) متشکل از ۱۲ یا ۲۴ کلمه انگلیسی ذخیره می‌شوند. اگر رمز عبور را فراموش کنید، می‌توانید از پشتیبانی بخواهید آن را بازنشانی کند، اما اگر عبارت بازیابی را فراموش کنید، دارایی‌ها برای همیشه ناپدید می‌شوند. طبق آمار، حدود ۲۰٪ از کل بیت‌کوین‌ها به دلیل فراموش کردن عبارت بازیابی، گم شدن هارد دیسک یا لو رفتن کلید خصوصی در اثر کلاهبرداری، برای همیشه از دست رفته‌اند [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

۷.۵ چالش‌های نظارتی و انطباق قانونی

در بلاک‌چین هیچ‌کس نمی‌تواند وجوه را مسدود کند؛ این هم یک مزیت است (مقاومت در برابر سانسور) و هم یک عیب (تسهیل پول‌شویی و دریافت باج توسط باج‌افزارها). بسیاری از کشورها نمی‌دانند چگونه باید آن را مدیریت کنند، که باعث می‌شود مؤسسات سنتی بزرگ برای ورود به این عرصه تردید کنند [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7].

---

۸. جمع‌بندی

بلاک‌چین یک «ماشین اعتماد» است [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7]. این فناوری از طریق زنجیره‌های هش، مکانیسم‌های اجماع و دفاتر کل توزیع‌شده، به گروهی از افراد که همدیگر را نمی‌شناسند و به هم اعتماد ندارند، اجازه می‌دهد تا بدون نیاز به ضمانت بانک، دولت یا شرکت‌های بزرگ، با اطمینان دارایی‌ها را جابه‌جا کرده و قراردادها را اجرا کنند.

بزرگترین دستاورد آن، تبدیل «اعتماد» از اتکا به ماهیت انسان به اتکا به ریاضیات بود [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7]. گزارش Statista پیش‌بینی می‌کند که تا سال ۲۰۳۲، فناوری بلاک‌چین نزدیک به ۱ تریلیون دلار رشد کند و نرخ رشد سالانه مرکب آن از سال ۲۰۲۱ به بعد ۵۶.۱٪ باشد [1].

اما وضعیت متناقض فعلی این است که امنیت بسیار بالا را به بهای هزینه‌های بسیار زیاد (کندی، گرانی و مصرف برق) به دست آورده است. در حال حاضر در زندگی اکثر مردم عادی، سناریویی وجود ندارد که «حتماً باید تغییرناپذیر باشد» [cmv7wg2xa00h501qp2ygx8mu7]. بنابراین، بلاک‌چین در حال حاضر برای حوزه‌هایی که شامل مبالغ هنگفت، همکاری‌های بین‌المللی یا فقدان شدید اعتماد هستند (مانند حواله‌های ارزی و اثبات مالکیت دارایی‌ها) مناسب است، اما برای پرداخت‌های خرد و پرتکرار مانند «خرید یک میان‌وعده از دکه»، پرداخت‌های سنتی همچنان گزینه بهتری هستند.

فناوری بلاک‌چین با معرفی بیت‌کوین در سال ۲۰۰۸ آغاز شد و امروز به توسعه خود ادامه می‌دهد. پیشرفت‌های مداوم آن با هدف افزایش مقیاس‌پذیری، حریم خصوصی و ادغام با فناوری‌های نوظهوری مانند هوش مصنوعی و اینترنت اشیاء (IoT) است [1]. در آینده با بلوغ راهکارهای توسعه مانند Layer 2، انتظار می‌رود بلاک‌چین در زمینه‌های بیشتری ارزش‌آفرین باشد.