أحدث التطورات والتطبيقات في بروتوكولات توافق الآراء في بلوكتشين

تعتبر تقنية البلوك تشين كتقنية دفتر أستاذ موزع غير مركزي، حيث تضمن آلية الإجماع تكامل البيانات وتناسقها. تعتبر آلية الإجماع هي جوهر نظام البلوك تشين، حيث تؤثر أدائها بشكل مباشر على قابلية التوسع والأمان للبلوك تشين. تتمتع آلية إجماع التسامح مع الأخطاء البيزنطية غير المتزامنة (BFT) بمزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محورًا للبحث.

تناقش هذه المقالة الحالة الحالية لتطور بروتوكولات توافق البلوكتشين، مع التركيز على التحليل لأحدث التقدمات في بروتوكول النسخ المتماثل القائم على حالة التحمل البيزنطي غير المتزامن (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع حالياً هو 2-chain VABA، لكن بسبب وجود ثغرات، لم يتم تحقيق تأخير متوقع قدره 9.5δ. لذلك، أصبح sMVBA هو البروتوكول غير المتزامن الأسرع حالياً، مع تأخير متوقع يبلغ 10δ. كما تقدم المقالة تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (التوافق غير المتزامن من مرحلتين) والكتل فائقة السرعة، مما يظهر تحسينات ملحوظة في معدل النقل والتأخير.

النماذج والتعريفات

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث يمكن أن يتم إفساد f من هذه العمليات بشكل خبيث. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض عبر قنوات غير متزامنة، وتأخير نقل الرسائل غير قابل للتحكم. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة للتوقيع والتحقق، مما يضمن صحة الرسائل وسلامتها.

توافق الآراء على البلوكشين

تهدف بروتوكولات إجماع البلوكشين إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق بشأن حالة البلوكشين. تتلقى كل عقدة باستمرار معاملات جديدة وتقوم بتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل بين جميع العقد الصادقة. يجب أن تلبي بروتوكولات إجماع البلوكشين المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط: في التنفيذ غير المحدود، توجد سلسلة كتل محددة غير محدودة الطول.
• التناسق: إذا كانت هناك سلسلتين من الكتل المحددة، يجب أن تكون واحدة منهما سابقة للأخرى.
• جودة p: في سلسلة الكتل التي تم تحديدها، يجب أن تمثل المعاملات المدخلة من قبل العقد الصادقة نسبة لا تقل عن p.

تحديات بروتوكول الإجماع غير المتزامن الحالي

على الرغم من أن تأخير التوقع في 2-chain VABA هو 9.5δ، إلا أن هناك العديد من أساليب الهجوم التي تضر بتناسقه ونشاطه. على سبيل المثال، الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من الاعتماد، والهجمات التي تعيق النشاط باستخدام استراتيجيات الرفع، والهجمات التي تؤثر على التناسق بسبب تخفيف تعريف اعتماد القائد. على الرغم من إدخال بعض الآليات الجديدة، مثل التشغيل المتوازي لعدة حالات متوازية، إلا أنها لم تتمكن من حل هذه المشكلات بالكامل.

تصميم البروتوكول الجديد: 2PAC (التوافق غير المتزامن ذو المرحلتين)

استناداً إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC. يعزز هذا البروتوكول الأداء بشكل كبير من خلال تبسيط وتحسين عملية الإجماع. يشمل ذلك نوعين مختلفين:

1. 2PAClean:

   • حققت أكثر من 90% من السعة و 9.5δ من التأخير المتوقع، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
   • تم تحسين كفاءة البروتوكول من خلال القضاء على التفاعلات والحسابات غير الضرورية.

2. 2PACBIG:

   • هو أسرع بروتوكول توافق في سلسلة الكتل مع تعقيد رسالة O(n³).
   • وقت تشغيل MVBA لمرة واحدة بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط الإنتاج السريع للغاية

قدم الباحثون تصميمًا جديدًا لكتل الأنابيب، مما يقلل بشكل ملحوظ من تأخير كتل الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت نظام جدولة عادل، فإن وقت اتخاذ القرار في كتل الأنابيب أقل حتى من كتل غير الأنابيب. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع العمليات، ولا تتأثر بسلوك العمليات المعطلة.

نتائج الكوانت

من خلال التحليل النظري والاختبارات العملية، فإن التأخير المتوقع لـ2PAClean في أسوأ الحالات هو 9.5δ، بينما في الحالات الجيدة (دون أعطال وموالف شبه عادل) يكون 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـsMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة يكون 6δ. وبالتالي، فإن 2PAClean قد خفض التأخير في أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس التأخير في الحالات الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، تحسن معدل نقل البيانات لـ2PAClean مقارنةً بـsMVBA المتسلسل بنسبة 80% إلى 100%، ويرجع ذلك أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد لعمليات إهمال الكتل غير الضرورية ونفقات الحساب.

تعتبر 2PACBIG بروتوكولًا مع تعقيد الرسالة O(n³)، حيث إن وقت تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ، مما يجعله أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم الكتل المتسارعة للغاية يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان أوقات قرار كتلة متسارعة تبلغ 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

لتقييم أداء البروتوكول الجديد، أجرى الباحثون تقييمات حسابية واسعة النطاق. أظهرت النتائج أن 2PAClean و2PACBIG حققا أداءً ممتازًا في ظروف الشبكة المختلفة، خاصة في البيئات ذات التأخير العالي ومعدلات الفشل العالية. على وجه الخصوص، حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحساب، بينما حقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التوازي وتحسين عملية التصويت.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا البلوكشين، ستلعب بروتوكولات الإجماع BFT غير المتزامنة دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وتحسين الأداء. تُظهر تصاميم 2PAC وكتل التدفق السريع للغاية اتجاه تطوير بروتوكولات الإجماع في المستقبل، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع، لتحقيق معدل نقل أعلى وزمن استجابة أقل.

اتجاهات البحث المستقبلية

يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية عدة اتجاهات في ما يلي:

1. تحسين البروتوكول: تبسيط وتحسين هيكل البروتوكول بشكل أكبر، وتقليل الرسائل غير الضرورية وتكاليف الحساب.
2. تحليل الأمان: تحليل عميق لأمان البروتوكول الجديد في مختلف سيناريوهات الهجوم، لضمان موثوقيته في التطبيقات العملية.
3. التطبيق العملي: تطبيق البروتوكول الجديد على أنظمة blockchain الفعلية، والتحقق من أدائه في بيئة الشبكة الحقيقية.

بشكل عام، تتناول هذه المقالة تحليلًا مفصلًا لمزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع على البلوكشين غير المتزامن الحالية، وتقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC و البلوك المتسلسل فائق السرعة. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة الحد الأقصى من الإنتاجية وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطوير تكنولوجيا البلوكشين في المستقبل. لا تثبت هذه البروتوكولات الجديدة تفوقها نظريًا فحسب، بل تعرض أيضًا أداءً استثنائيًا في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحقيق بروتوكولات إجماع على البلوكشين فعالة وآمنة.

من خلال البحث المستمر والتحسين، لدينا سبب للاعتقاد بأن تقنية البلوكشين ستلعب دورًا أكثر أهمية في الاقتصاد الرقمي في المستقبل، وأن بروتوكولات الإجماع من الجيل الجديد ستوفر أساسًا قويًا لتطور هذه التقنية.