أحدث التطورات والتطبيقات في بروتوكولات توافق الآراء في blockchain

تُعتبر تقنية blockchain كنوع من تقنيات دفتر الأستاذ الموزع اللامركزي، حيث تضمن آلية الإجماع سلامة البيانات وتناسقها. تُعد آلية الإجماع جوهر نظام blockchain، حيث تؤثر أدائها مباشرةً على قابلية توسع وأمان blockchain. تمتلك آلية إجماع Byzantine Fault Tolerance (BFT) مزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محور التركيز في البحث.

تستكشف هذه التقرير حالة تطوير بروتوكولات توافق البلوكشين، مع التركيز على التحليل المتعمق لأحدث التقدم في بروتوكول نسخ الحالة القادر على تحمل أخطاء بيزنطية غير متزامنة (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع حالياً هو 2-chain VABA، ولكن بسبب وجود ثغرات، لم يتم تحقيق تأخير متوقع قدره 9.5δ. لذلك، أصبح sMVBA هو أسرع بروتوكول MVBA غير متزامن حالياً، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما يقدم التقرير تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (التوافق غير المتزامن على مرحلتين) وكتل خط أنابيب 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 تتعرض f عملية للتخريب الخبيث من قبل الخصوم. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض من خلال قنوات غير متزامنة، حيث يتم التحكم في تأخير نقل الرسائل من قبل الخصوم. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة للاستخدام في التوقيع والتحقق، لضمان صحة الرسائل وسلامتها.

توافق الآراء في البلوكتشين

تهدف بروتوكولات إجماع البلوكشين إلى تحقيق توافق بين جميع العقد الصادقة حول حالة البلوكشين. بشكل أكثر تحديدًا، تستقبل 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:

• الحيادية (Liveness): في التنفيذ غير المحدود، توجد سلسلة كتل لا نهائية تم تحديدها.
• الاتساق (Consistency): إذا كان هناك سلسلتان من الكتل المتفق عليها، يجب أن تكون واحدة منهما سابقة للأخرى.
• جودة P (P-Quality): في سلسلة الكتل المقررة، يجب أن تمثل المعاملات المدخلة من قبل العقد الصادقة على الأقل نسبة p.

تحديات بروتوكول الإجماع غير المتزامن الحالي

البروتوكول الأكثر سرعة في التوافق غير المتزامن حاليًا هو 2-chain VABA، والذي يتوقع تأخيره 9.5δ. ومع ذلك، أظهرت الأبحاث أن هذا البروتوكول يحتوي على العديد من أساليب الهجوم، مما يهدد اتساقه ونشاطه. على سبيل المثال، الهجمات الناجمة عن نقص التحقق من الاعتماد، والهجمات التي تستخدم استراتيجيات التعزيز لعرقلة النشاط، والهجمات التي تؤدي إلى اتساق نتيجة لتخفيف تعريف الاعتماد على القائد. على الرغم من أن 2-chain VABA قد أدخل بعض الآليات الجديدة، مثل تشغيل عدة حالات متوازية، إلا أنه لم يتمكن بعد من حل هذه المشاكل بشكل كامل.

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

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC. يعمل هذا البروتوكول على تبسيط وتحسين عملية الإجماع، مما يعزز الأداء بشكل ملحوظ. ويتضمن ذلك نوعين فرعيين:

2PAClean:

• تم تحقيق أكثر من 90% من السعة مع تأخير متوقع قدره 9.5δ، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
• من خلال القضاء على التفاعلات والنفقات الحسابية غير الضرورية، تم تحسين كفاءة البروتوكول.

2PACBIG:

• هو أسرع بروتوكول إجماع على البلوكشين مع تعقيد رسائل حالي يبلغ O(n³).
• وقت تشغيل MVBA لمرة واحدة بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط تجميع البلوك الفائق السرعة

اقترح الباحثون تصميم كتلة خط أنابيب جديدة تقلل بشكل كبير من تأخير كتل الخط الأنبوبي. من خلال إدخال آلية المسار السريع، فإن وقت قرار كتلة الخط الأنبوبي تحت جدولة عادلة يمكن أن يكون أقل حتى من كتل غير خط الأنابيب. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع العمليات التنفيذية، 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 ومع جدولة شبه عادلة) يكون 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. لذلك، فإن 2PAClean يقلل التأخير في أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالة الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن قدرة 2PAClean على معالجة البيانات تزيد مقارنةً بـ sMVBA المتسلسل بنسبة 80% إلى 100%، ويرجع ذلك أساسًا إلى التصميم الجديد الذي يتجنب التخلي عن الكتل غير الضرورية ونفقات الحساب.

2PACBIG كبرتوكول له تعقيد رسالة O(n³)، فإن وقت تشغيل MVBA الواحد له هو 4δ، مما يجعله أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم كتلة الأنابيب الفائق السرعة يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان أوقات قرار كتلة الأنابيب قدرها 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول.

التقييم الحسابي

لإثبات أداء البروتوكول الجديد، قام الباحثون بإجراء تقييمات حسابية واسعة النطاق. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG يظهران أداءً ممتازًا في ظروف الشبكة المختلفة، وخاصة في بيئات ذات تأخير عالٍ ومعدل فشل مرتفع. بشكل محدد، يحقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحساب، بينما يحقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التوازي وتحسين عملية التصويت.

مع التطور المستمر لتقنية البلوك تشين، ستلعب بروتوكولات توافق الآراء غير المتزامنة BFT دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وزيادة الأداء. يعرض تصميم 2PAC وكتل التدفق السريع للغاية اتجاه تطوير بروتوكولات توافق الآراء في المستقبل، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية التوافق لتحقيق إنتاجية أعلى وزمن استجابة أقل.

اتجاهات البحث المستقبلية

يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الاتجاهات التالية:

1. تحسين البروتوكول: تبسيط وتحسين هيكل البروتوكول بشكل أكبر، وتقليل الرسائل غير الضرورية وأعباء الحساب.

2. تحليل الأمان: تحليل عميق لأمان البروتوكول الجديد في سيناريوهات الهجوم المختلفة، لضمان موثوقيته في التطبيقات العملية.

3. التطبيق العملي: تطبيق البروتوكول الجديد على أنظمة blockchain العملية، للتحقق من أدائها في بيئة الشبكة الحقيقية.

تقوم هذه التقرير بتحليل شامل لمزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع على البلوكتشين غير المتزامن الحالية، وتقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، هما 2PAC وكتل خط أنابيب فائقة السرعة. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة السعة وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطوير تقنية البلوكتشين 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 فعالة وآمنة على البلوكتشين.

من خلال البحث المستمر والتحسين، ستلعب تقنية blockchain دورًا أكثر أهمية في الاقتصاد الرقمي في المستقبل، وستوفر بروتوكولات الإجماع من الجيل الجديد أساسًا قويًا لتطوير هذه التقنية.