إثبات العمل (Proof of Work): كيف يؤمّن المعدّنون سلسلة الكتل؟
إثبات العمل (PoW) هو آلية إجماع، أي قاعدة تتيح لعدد كبير من الحواسيب الاتفاق على سجل مشترك واحد دون وجود طرف مركزي، حيث يُظهر المشاركون جهدًا حاسوبيًا مكلفًا يمكن لأي شخص التحقق منه بسرعة. في بيتكوين، يتمثل هذا الجهد في إيجاد قيمة هاش (hash) للكتلة تساوي الهدف المحدد أو أقل منه.
بدأ إثبات العمل كوسيلة دفاع ضد البريد المزعج
طُرحت فكرة إثبات العمل لمكافحة البريد المزعج قبل سنوات من ظهور بيتكوين. ففي ورقة بحثية بعنوان "التسعير عبر المعالجة أو مكافحة البريد المزعج"، قُدّمت عام 1992 ونُشرت عام 1993، اقترح سينثيا دورك وموني نَعور أن يُطلب من المستخدم إجراء عملية حسابية صعبة نسبيًا للوصول إلى مورد مشترك. وكان الهدف من هذه التكلفة ثني المستخدمين عن الاستخدام العبثي، وقد ركّز المؤلفان بشكل خاص على مشكلة البريد المزعج.
بشكل عام، إثبات العمل هو بيانات مكلفة ومستهلكة للوقت في إنتاجها، لكن يسهل على الآخرين التحقق منها. نظام Hashcash، الذي ابتكره آدم باك، أرفق إثباتًا قائمًا على الهاش من هذا النوع بكل رسالة بريد إلكتروني لردع البريد المزعج وإساءة استخدام الخدمة عبر هجمات الحرمان من الخدمة. والحرمان من الخدمة يعني إغراق خدمة ما بالطلبات بحيث يتعذر على الآخرين استخدامها.
تصف الورقة البيضاء لبيتكوين، المؤرخة في 31 أكتوبر 2008 والمنشورة باسم ساتوشي ناكاموتو، تصميمًا لإثبات العمل يشبه Hashcash. وتستخدمه بيتكوين لتتمكن شبكة من الحواسيب من الاتفاق على سلسلة واحدة من الكتل دون وجود طرف مركزي.
كيف يعمل إثبات العمل في بيتكوين؟
تعدين بيتكوين هو عملية إنشاء كتل صالحة، وإنشاء كتلة صالحة يتطلب إثبات العمل. المعدّن هو مشارك يحاول إيجاد كتلة صالحة. يبدأ المعدّن بتجميع المعاملات المنتظرة في كتلة مرشحة، وهي مجموعة من المعاملات المقترحة لإضافتها إلى السلسلة. بعد ذلك، يملأ المعدّن رأس الكتلة (header)، وهو ملخص لتلك الكتلة بحجم 80 بايت.
تقوم بيتكوين بتجزئة الرأس باستخدام خوارزمية SHA-256 مرتين، وهي طريقة تُعرف باسم SHA-256 المزدوجة. وخوارزمية SHA-256 هي دالة تجزئة تشفيرية (hash function). دالة التجزئة تحوّل بيانات من أي حجم إلى بصمة ثابتة الطول تُسمى الهاش. يضع إثبات العمل شرطًا واحدًا: عند قراءة الهاش كرقم، يجب أن يكون مساويًا للهدف أو أقل منه.
الهدف هو عتبة لا يجوز أن تتجاوزها قيمة هاش الكتلة الصالحة. وتقيس صعوبة الشبكة مدى صعوبة الوصول إلى الهدف الحالي مقارنة بأسهل هدف تسمح به قواعد الشبكة. وعندما ينخفض الهدف، ترتفع صعوبة الشبكة، ويترك الهدف المنخفض عددًا أقل من قيم الهاش المقبولة، ما يجعل عملية البحث أطول.
للحصول على قيمة هاش مختلفة، يغيّر المعدّن قيمة nonce، وهو رقم من 32 بت مخزّن في الرأس. ثم يقوم المعدّن بتجزئة الرأس، ويقارن النتيجة بالهدف، ويكرر العملية. يُطلق على هذا البحث غالبًا اسم "لغز الهاش"، لكن لا شيء يُحل بالذكاء: في المتوسط، لا يمكن إيجاد قيمة هاش تساوي الهدف أو أقل منه إلا من خلال كمية مكافئة من العمل العشوائي الشامل (brute-force)، أي تجربة قيمة تلو الأخرى.
يوضح الجدول أدناه مثالًا على البحث نفسه ولكن على نطاق مصغّر. القاعدة هنا افتراضية وليست قاعدة بيتكوين الفعلية، وهي تطبّق SHA-256 مرة واحدة فقط بدلًا من مرتين. يجب أن يبدأ ملخص SHA-256 (digest) للنص "hello" متبوعًا برقم nonce بعدد محدد من الأصفار. وتُكتب الملخصات بالترميز الست عشري (hexadecimal)، وهو نظام ترقيم أساسه 16 يستخدم الأرقام من 0 إلى 9 والحروف من a إلى f. الملخص الذي يبدأ بأصفار يمثل رقمًا صغيرًا، لذا تعمل كل قاعدة كهدف.
في هذا البحث التجريبي المصغّر، يؤدي كل صفر إضافي إلى مضاعفة متوسط عدد المحاولات بمقدار 16 مرة. فقاعدة الأصفار الثلاثة تستغرق في المتوسط نحو 4,096 محاولة، وقاعدة الأصفار الأربعة نحو 65,536 محاولة، لكن عملية بحث واحدة قد تستغرق عددًا أكبر أو أقل، كما يظهر في الصفين الناجحين: فـ10,285 أكبر من 4,096، و60,068 أقل من 65,536. والتحقق من أي من هاتين النتيجتين يتطلب عملية حساب SHA-256 واحدة فقط.
بحث بيتكوين الفعلي أكبر من ذلك بكثير. فالعدد المتوقع من عمليات الهاش لكل كتلة يساوي تقريبًا صعوبة الشبكة مضروبة في 2 أس 32. واعتبارًا من أكتوبر 2026، يتجاوز هذا الرقم 500 سكستيليون (sextillion) عملية هاش في المتوسط لكل كتلة، وهذا الرقم يتغيّر في كل مرة تُعدّل فيها صعوبة الشبكة. والسكستيليون هو الرقم 1 متبوعًا بـ21 صفرًا.
التحقق من عمل الكتلة أرخص بكثير من إنتاجها. العقدة (node) هي حاسوب على شبكة بيتكوين يتحقق من الكتل وفق قواعد الشبكة. وللتحقق من عمل كتلة ما، تعيد العقدة حساب قيمة هاش SHA-256 المزدوجة لرأس الكتلة مرة واحدة وتقارنها بالهدف. فبينما استغرق إنتاج الكتلة ذلك العدد الهائل من المحاولات، لا يستغرق التحقق منها سوى عملية حساب هاش واحدة. وهذه الفجوة هي ما يجعل هذا العمل إثباتًا بالفعل.
إثبات العمل يتيح للعقد الاتفاق على سلسلة واحدة دون طرف مركزي
قد يجد معدّنان كتلتين صالحتين في اللحظة نفسها تقريبًا، ما يترك الشبكة أمام نسختين متنافستين من السلسلة. يوفر إثبات العمل لكل عقدة قاعدة للاختيار: تتبع العقدة السلسلة التي تحمل أكبر قدر من العمل، وهي السلسلة الأصعب في إعادة إنتاجها. ولأن بإمكان أي شخص التحقق من هذا العمل، فلا حاجة لوجود طرف مركزي يحدد أي سلسلة هي المعتمدة.
تحتوي كل كتلة على هاش الكتلة التي تسبقها، لذا فإن تغيير كتلة سابقة يعني إعادة إنجاز العمل لتلك الكتلة ولكل الكتل التالية لها. صُمم إثبات العمل ليجعل إعادة كتابة التاريخ أمرًا مكلفًا، وتزداد تكلفة تغيير كتلة معينة مع كل كتلة جديدة تُضاف بعدها.
كما يرتبط إثبات العمل بمشكلة الإنفاق المزدوج، أي محاولة إنفاق نفس كمية البيتكوين مرتين. فعكس دفعة موجودة بالفعل في إحدى الكتل يتطلب إعادة إنجاز ذلك العمل.
يحصل المعدّنون على المكافأة والرسوم، وصعوبة الشبكة تحدد الوتيرة
في بيتكوين، يحصل المعدّن الذي تقبل الشبكة كتلته الصالحة على مكافأة الكتلة. وتتألف هذه المكافأة من جزأين: مكافأة الكتلة الأساسية (block subsidy)، وهي عملات بيتكوين حديثة الإصدار، ورسوم المعاملات التي يدفعها المستخدمون الذين تتضمن الكتلة معاملاتهم. واعتبارًا من أكتوبر 2026، تبلغ مكافأة المعدّنين 3.125 BTC لكل كتلة منذ عملية التنصيف الأخيرة في أبريل 2024.
تُخفَّض مكافأة الكتلة الأساسية إلى النصف كل 210,000 كتلة، وهو حدث يُعرف بالتنصيف (halving) يحدث كل أربع سنوات تقريبًا. ويُخفَّض فقط مبلغ المكافأة الأساسية، أما الرسوم فلا تتأثر بذلك.
كل 2,016 كتلة، يُعدّل بروتوكول بيتكوين صعوبة الشبكة. فهو يقيس المدة التي استغرقتها تلك الكتل، بالاستناد إلى الأوقات المسجلة في رؤوسها، ويقارن ذلك بـ1,209,600 ثانية، أي أسبوعين. ثم يعيد ضبط الهدف بما يتناسب مع ذلك، بحيث تستمر الكتل في الظهور كل 10 دقائق تقريبًا في المتوسط. ولا يمكن لأي تعديل واحد أن يغيّر صعوبة الشبكة بأكثر من 4 أضعاف في أي من الاتجاهين.
معدل الهاش (Hashrate) هو إجمالي عدد عمليات الهاش في الثانية التي تحسبها أجهزة الشبكة. فعندما يرتفع معدل الهاش، تميل الكتل إلى الظهور أسرع من كل 10 دقائق، ويؤدي التعديل التالي إلى رفع صعوبة الشبكة. وعندما تظهر الكتل ببطء شديد، يخفض التعديل صعوبة الشبكة. ويقيس هذا التعديل أوقات الكتل فقط؛ فهو لا يحسب عدد المعدّنين، ولا يطّلع على سعر البيتكوين.
مدة الـ10 دقائق لكل كتلة في بيتكوين هي متوسط، وليست وعدًا ثابتًا لكل كتلة على حدة. ووفقًا لنموذج إحصائي لعملية إيجاد الكتل، تظهر نحو 63% من الكتل خلال 10 دقائق من الكتلة التي تسبقها.
ما الفرق بين إثبات العمل وإثبات الحصة؟
إثبات العمل وإثبات الحصة (Proof of Stake) كلاهما آليتا إجماع تحدّدان أي مشارك يضيف الكتلة التالية إلى سلسلة الكتل. وسلسلة الكتل هي سجل مشترك مكوّن من كتل مرتبطة بترتيب معين. يربط إثبات العمل هذا الحق بالعمل الحاسوبي: فالمعدّن يُجري عمليات تجزئة حتى تستوفي إحدى الكتل الهدف المطلوب.
أما إثبات الحصة فيربط هذا الحق بالعملات الرقمية التي يقوم المشارك بتجميدها كضمان، بمعنى أن تبقى هذه العملات مجنّبة طوال فترة مشاركته في إضافة الكتل. ويمكن معاقبة المشارك الذي يحاول القيام بنشاط غير مشروع.
تختلف الآليتان في طبيعة ما يلتزم به المشارك: العمل الحاسوبي في إثبات العمل، والعملات المجمَّدة في إثبات الحصة.
لماذا يستهلك إثبات العمل الكهرباء؟
يستهلك تعدين بيتكوين الكهرباء لأن إثبات العمل هو حساب حقيقي، والأجهزة التي تقوم بالحساب تستهلك الطاقة. وتُعد هذه التكلفة جزءًا من تعريف الآلية نفسها: فإثبات العمل يتطلب التجربة والخطأ لإنتاجه، وفي بيتكوين تقوم الأجهزة بهذه التجربة والخطأ.
كل عملية هاش تحسبها الآلة تستهلك قدرًا من الطاقة، لذا فإن زيادة عدد عمليات الهاش الإجمالية تعني عادةً زيادة في الطاقة المستهلكة. وإذا انضمت أجهزة أكثر إلى الشبكة، تميل الكتل إلى الظهور بسرعة أكبر، وترتفع صعوبة الشبكة في التعديل التالي، ما يجعل كل كتلة تتطلب عددًا أكبر من عمليات الهاش في المتوسط.
أثار بعض صانعي السياسات ومخططي الشبكات الكهربائية مخاوف بشأن تأثير الكهرباء التي يستهلكها معدّنو العملات الرقمية في الولايات المتحدة على التكلفة والموثوقية والانبعاثات. وتتفاوت التقديرات المنشورة لاستهلاك بيتكوين من الكهرباء بحسب المنهجية المستخدمة والفترة الزمنية التي تغطيها.
قيمة الهاش الصالحة تُثبت بذل الجهد، لا صحة المعاملة
قيمة الهاش التي تساوي الهدف أو تقل عنه تُظهر أن شخصًا ما قام بالعمل المطلوب. لكنها لا تُظهر شيئًا بشأن صحة المعاملات داخل الكتلة. فالعقدة الكاملة لا تقبل الكتلة إلا إذا كانت جميع المعاملات فيها صالحة وغير منفقة مسبقًا، وبرمجيات العقد مثل Bitcoin Core ترفض أي كتلة تطالب بأكثر من مجموع المكافأة الأساسية والرسوم، أيًا كان حجم العمل الكامن خلفها.
كما أن إثبات العمل لا يجعل التاريخ دائمًا ولا قابلًا للتغيير. بل يجعل إعادة كتابة التاريخ مكلفة من حيث العمل. فالطرف الذي يسيطر على معظم معدل هاش الشبكة يمكنه تعديل سجل المعاملات الأخيرة ومنع تأكيد معاملات جديدة. وانتظار عدد أكبر من التأكيدات، وهي الكتل المبنية فوق الكتلة التي تسجل معاملة ما، يرفع تكلفة تعديلها دون أن يُلغي هذا الاحتمال تمامًا.
كما أن إثبات العمل لا يدفع مقابل الجهد المبذول دون جدوى. فعلى مستوى البروتوكول، عمليات التجزئة التي لا تنتهي بكتلة مقبولة لا تحصل على أي مكافأة كتلة، مهما كانت كمية الكهرباء التي استُهلكت في إنجازها.
27 نوفمبر 2025
