أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول الإجماع على البلوكتشين

تُعتبر تقنية البلوكتشين، كنوع من تقنيات السجلات الموزعة اللامركزية، من خلال آلية الإجماع تضمن سلامة البيانات وتماسكها. آلية الإجماع هي جوهر نظام البلوكتشين، وأداؤها يؤثر بشكل مباشر على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. تتمتع آلية الإجماع التي تعتمد على التسامح مع أخطاء البيزنطيين غير المتزامن (BFT) بمزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محور البحث.

تتناول هذه المقالة حالة تطوير بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين، مع التركيز على التحليل لأحدث التقدم في بروتوكول النسخ المتزامن المقاوم للأخطاء (BFT SMR). حالياً، أصبح sMVBA أسرع بروتوكول MVBA غير المتزامن، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما تقدم المقالة تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (الإجماع غير المتزامن من مرحلتين) وكتلة التدفق السريع الفائق، مما يظهر تحسينات ملحوظة في السعة وتأخير.

النماذج والتعريفات

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث يمكن أن يتعرض f عملية للتخريب الخبيث من قبل الخصوم. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض عبر قنوات غير متزامنة، ويسيطر الخصوم على تأخير نقل الرسائل. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة للتوقيع والتحقق، لضمان صحة الرسائل وسلامتها.

إجماع البلوكتشين

بروتوكول إجماع البلوكتشين يهدف إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق حول حالة البلوكتشين. كل عقدة تستقبل باستمرار معاملات جديدة، وتقوم بتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل على جميع العقد الصادقة. يجب أن يلبي بروتوكول إجماع البلوكتشين المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط: في التنفيذ غير المحدود، توجد سلسلة كتلة محددة بطول غير محدود.
• التناسق: إذا كان هناك سلسلتان من الكتل المتفق عليها، فيجب أن تكون واحدة منها سابقة للأخرى.
• جودة P: في البلوكتشين الذي تم تحديده، يجب أن تمثل المعاملات المدخلة من قبل العقد الصادقة نسبة لا تقل عن p.

تحديات بروتوكول الإجماع غير المتزامن الحالي

توجد العديد من طرق الهجوم على بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة السريعة الحالية، والتي قد تؤثر على اتساقها ونشاطها. على سبيل المثال، الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من المصادقة، والهجمات التي تعيق النشاط باستخدام استراتيجيات التعزيز، والهجمات على الاتساق الناتجة عن تخفيف تعريف مصادقة القادة، وغيرها. على الرغم من إدخال بعض الآليات الجديدة، مثل تشغيل عدة حالات متوازية، إلا أنه لم يتم حل هذه المشاكل بالكامل.

تصميم البروتوكول الجديد: 2PAC (الإجماع غير المتزامن في مرحلتين)

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC. يعمل هذا البروتوكول على تحسين وتبسيط عملية الإجماع، مما يزيد بشكل ملحوظ من الأداء. ويشمل ذلك نوعين مختلفين:

1. 2PAClean:

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

2. 2PACBIG:

   • هو أسرع بروتوكول للإجماع في البلوكتشين حاليًا مع تعقيد الرسالة O(n³).
   • زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط إنتاج كتلة فائقة السرعة

قدم الباحثون تصميمًا جديدًا لكتلة خط الأنابيب، مما يقلل بشكل ملحوظ من تأخير كتلة خط الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت جدولة عادلة، فإن زمن اتخاذ القرار لكتلة خط الأنابيب أقل حتى من كتلة غير خط الأنابيب. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذات، ولا تتأثر بسلوك العمليات المعطلة.

النتائج الكمية

من خلال التحليل النظري والاختبارات العملية، فإن التأخير المتوقع لـ 2PAClean في أسوأ الحالات هو 9.5δ، بينما في الحالات الجيدة (بدون أعطال وموارد نصف عادلة) يكون 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة يكون 6δ. لقد قلل 2PAClean من تأخير أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالات الجيدة. علاوة على ذلك، فإن معدل نقل البيانات لـ 2PAClean زاد بنسبة 80% إلى 100% مقارنةً بـ sMVBA المتسلسل، ويرجع ذلك أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد للتخلص غير الضروري من الكتل والعبء الحسابي.

2PACBIG كبرتوكول بقدرة تعقيد الرسائل O(n³)، فإن زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ، وهو أسرع من جميع البروتوكولات الموجودة. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم الكتل المتسارعة للغاية يسمح لـ s2PAClean و s2PACBIG بتحقيق أوقات اتخاذ قرار كتل متسارعة قدرها 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

لتحقيق أداء البروتوكول الجديد، قام الباحثون بإجراء تقييمات حسابية واسعة النطاق. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG يظهران أداءً ممتازًا في ظل مجموعة متنوعة من ظروف الشبكة، خاصة في البيئات ذات التأخير العالي ومعدلات الفشل العالية. حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحسابات، بينما حقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التوازي وتحسين عملية التصويت.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا البلوكتشين، ستلعب بروتوكولات الإجماع BFT غير المتزامنة دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وزيادة الأداء. تُظهر تصميمات 2PAC والكتل فائقة السرعة الاتجاه المستقبلي لتطوير بروتوكولات إجماع البلوكتشين، وهو تحقيق إنتاجية أعلى وزمن استجابة أقل من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع.

اتجاهات البحث المستقبلية

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

تتناول هذه المقالة بالتفصيل مزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين غير المتزامن الحالية، وتقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC وكتلة التدفق السريع الفائقة. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة الإنتاجية وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطور تقنية البلوكتشين في المستقبل. لا تثبت هذه البروتوكولات الجديدة تفوقها نظريًا فحسب، بل تظهر أيضًا أداءً ممتازًا في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحقيق بروتوكولات إجماع آمنة وفعالة في البلوكتشين.

من خلال البحث المستمر والتحسين، ستلعب تقنية البلوكتشين دورًا أكثر أهمية في الاقتصاد الرقمي في المستقبل، بينما ستوفر بروتوكولات الإجماع من الجيل الجديد أساسًا قويًا لتطور هذه التقنية.