أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول الإجماع في البلوكتشين

تعتبر تقنية البلوكتشين كتقنية دفتر أستاذ موزع غير مركزي، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان سلامة البيانات وتناسقها. بروتوكول الإجماع هو جوهر نظام البلوكتشين، حيث تؤثر أدائه مباشرة على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. يوفر بروتوكول الإجماع الخاص بتحمل الأخطاء البيزنطية غير المتزامن (BFT) مزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، لذا أصبح محور البحث.

تستكشف هذه التقرير الوضع الحالي لتطوير بروتوكولات إجماع البلوكتشين، مع التركيز على تحليل أحدث التقدمات في بروتوكول النسخ المتماثل القائم على حالة البازينتين غير المتزامنة (BFT SMR). أسرع بروتوكول غير متزامن حالياً هو 2-chain VABA، ولكن بسبب وجود ثغرات فيه، 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 (إجماع غير متزامن من مرحلتين) وكتل خط أنابيب فائقة السرعة، مما يظهر تحسينات ملحوظة في السعة والتأخير.

النماذج والتعريفات

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث يمكن أن يتم تدمير f عمليات على يد خصوم خبيثين. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض عبر قنوات غير متزامنة، وتتحكم الخصوم في تأخير نقل الرسائل. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة للتوقيع والتحقق، لضمان صحة الرسائل وسلامتها.

إجماع البلوكتشين

يهدف بروتوكول إجماع البلوكتشين إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق بشأن حالة البلوكتشين. بشكل محدد، تستمر كل عقدة في تلقي معاملات جديدة وتقوم بتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل عبر جميع العقد الصادقة. يجب أن يلبي بروتوكول إجماع البلوكتشين المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط: في التنفيذ غير المحدود، توجد سلسلة بلوكتشين غير نهائية تم تحديدها.
• التناسق: إذا كان هناك سلسلتان من الكتل المتفق عليها، فيجب أن تكون واحدة منهما سابقة للأخرى.
• جودة P: في البلوكتشين الذي تم اتخاذ القرار فيه، يجب أن تمثل المعاملات المدخلة من قبل العقد الأمينة نسبة لا تقل عن p.

تحديات بروتوكول الإجماع غير المتزامن الحالي

أسرع بروتوكول إجماع غير متزامن حاليًا هو 2-chain VABA، مع تأخير متوقع قدره 9.5δ. ومع ذلك، فإن هذا البروتوكول يعاني من عدة طرق هجوم تؤثر على توافقه وفعاليته. على سبيل المثال، الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من المصادقة، والهجمات التي تعيق الفعالية باستخدام استراتيجيات رفع، والهجمات التي تؤثر على التوافق نتيجة لتخفيف تعريف مصادقة القائد. على الرغم من أن 2-chain VABA قدمت بعض الآليات الجديدة، مثل التشغيل المتوازي لعدة حالات متوازية، إلا أنها لم تتمكن بعد من حل هذه المشكلات بشكل كامل.

تصميم بروتوكول جديد: 2PAC (الإجماع غير المتزامن في مرحلتين)

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC. يقوم هذا البروتوكول من خلال تبسيط وتحسين عملية الإجماع، بتحسين الأداء بشكل كبير. ويشمل ذلك نوعين فرعيين:

1. 2PAClean:

   • حقق 90% من السعة 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:

   • هي أسرع بروتوكول للإجماع على البلوكتشين بخصوص تعقيد الرسالة الحالي O(n³).
   • زمن تشغيل MVBA الأحادي بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط أنابيب كتلة فائق السرعة

اقترح الباحثون تصميم كتلة جديدة للخطوط التي تقلل بشكل كبير من تأخير كتلة الخطوط. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت جدولة عادلة، فإن وقت اتخاذ القرار لكتلة الخطوط أصبح حتى أقل من كتلة غير الخطوط. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذات، ولا تتأثر بسلوك العمليات المعطلة.

نتائج 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) هو 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. وبالتالي، فإن 2PAClean قد قلل من تأخير أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالة الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل الإنتاجية لـ 2PAClean قد زاد بنسبة 80% إلى 100% مقارنةً بـ sMVBA السلسلي، ويرجع ذلك أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد للتخلص غير الضروري من الكتل والنفقات الحاسوبية.

2PACBIG كبروتوكول بقدرة تعقيد رسائل O(n³) ، فإن زمن تشغيل MVBA الواحد هو 4δ ، وهو أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم كتلة التدفق السريع للغاية يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان زمن قرار كتلة التدفق 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول بشكل أكبر.

تقييم الحساب

للتحقق من أداء البروتوكول الجديد، أجرى الباحثون تقييمات حسابية واسعة. أظهرت النتائج أن 2PAClean و2PACBIG يظهران أداءً ممتازًا في ظل ظروف الشبكة المختلفة، خاصة في بيئات التأخير العالي ومعدلات الفشل العالية. على وجه التحديد، حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحسابات، بينما حقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التوازي وتحسين عملية الاقتراع.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا البلوكتشين، سيلعب بروتوكول الإجماع BFT غير المتزامن دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وزيادة الأداء. تصميم 2PAC وكتل التدفق السريع للغاية يظهر اتجاه تطوير بروتوكولات إجماع البلوكتشين في المستقبل، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع لتحقيق قدرة أعلى وأدنى زمن انتقال.

اتجاهات البحث المستقبلية

يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الجوانب التالية:

1. بروتوكول تحسين: مزيد من تبسيط وتحسين هيكل البروتوكول، وتقليل الاتصالات والحسابات غير الضرورية.
2. تحليل الأمان: تحليل عميق لأمان البروتوكول الجديد في سيناريوهات الهجوم المختلفة، لضمان موثوقيته في التطبيقات العملية.
3. التطبيق الفعلي: تطبيق البروتوكول الجديد على أنظمة البلوكتشين الفعلية، والتحقق من أدائه في بيئات الشبكة الحقيقية.

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