أحدث التطورات والتطبيقات في بروتوكولات توافق الآراء في البلوكشين

تعتبر تقنية البلوكشين نوعًا من تقنيات دفاتر الحسابات الموزعة اللامركزية، حيث تضمن آلية الإجماع سلامة البيانات وتماسكها. تعتبر آلية الإجماع هي الأساس في أنظمة البلوكشين، حيث تؤثر أدائها مباشرة على قابلية توسع البلوكشين وأمانه. تمتلك آلية الإجماع للتسامح مع الأخطاء البازنتينية غير المتزامنة (BFT) مزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محور البحث.

تستكشف هذه الدراسة حالة تطوير بروتوكولات إجماع البلوكتشين، مع التركيز على تحليل أحدث التطورات في بروتوكول النسخ الآلي المقاوم لخطأ بيزنطي غير متزامن (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع حاليًا هو sMVBA، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما قدمت الدراسة تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (إجماع غير متزامن على مرحلتين) وكتل فائقة السرعة، مما يظهر تحسنًا ملحوظًا في معدل الإنتاجية والتأخير.

النماذج والتعريفات

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث يمكن أن يتم تدمير f من العمليات عن طريق الخصوم بشكل خبيث. 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 البلوكشين

تهدف بروتوكولات توافق البلوكتشين إلى جعل جميع العقد الصادقة تتفق على حالة البلوكتشين. على وجه التحديد، تتلقى كل عقدة باستمرار معاملات جديدة وتقوم بتجميعها في كتل، وتضمن بروتوكولات التوافق هذه أن تتفق هذه الكتل على جميع العقد الصادقة. تحتاج بروتوكولات توافق البلوكتشين إلى تلبية بعض المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط (Liveness): في التنفيذ اللانهائي، توجد سلسلة كتل لانهائية تم تحديدها.
• الاتساق (Consistency): إذا كان هناك سلسلتان من الكتل قد تم تحديدهما، يجب أن تكون إحدى السلسلتين سابقة للأخرى.
• جودة P (P-Quality): في سلسلة الكتل المحددة، يجب أن تشكل المعاملات المدخلة من قبل العقد النزيهة نسبة لا تقل عن p.

تحديات بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة الحالية

تواجه بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة حاليًا تحديات متعددة، بما في ذلك الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من الهوية، والهجمات التي تعيق النشاط من خلال استغلال استراتيجيات التحسين، والهجمات التي تؤثر على التناسق نتيجة لتخفيف تعريف التحقق من القادة. على الرغم من أن بعض البروتوكولات قد أدخلت آليات جديدة، مثل تشغيل عدة مثيلات متوازية، إلا أنها لا تزال غير قادرة على حل هذه المشاكل بالكامل.

تصميم البروتوكول الجديد: 2PAC (توافق غير متزامن من مرحلتين)

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

2PAClean:

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

2PACBIG:

• هو أسرع بروتوكول توافق للكتل في الوقت الحالي بمعدل تعقيد معلومات O(n³).
• زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط التجميع السريع للكتل

قدمت الدراسة تصميمًا جديدًا لكتل الأنابيب، مما يقلل بشكل كبير من تأخير كتل الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، في إطار جدولة عادلة، يكون وقت اتخاذ القرار لكتل الأنابيب أقل حتى من كتل الأنابيب غير الموجودة. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع العمليات التنفيذية، ولا تتأثر بسلوك العمليات المعطلة.

نتائج الكوانت

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 يكون 6δ. لذلك، قامت 2PAClean بتقليل التأخير في أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالة الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن إنتاجية 2PAClean قد زادت بنسبة 80% إلى 100% مقارنةً بـ sMVBA المتسلسل، وذلك بسبب تجنب التصميم الجديد للتخلي عن الكتل غير الضرورية والأعباء الحسابية.

كـ 2PACBIG بروتوكول ذو تعقيد الرسالة O(n³)، فإن زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ، مما يجعله أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، تصميم الكتل المتسارعة للغاية يسمح لـ s2PAClean و s2PACBIG بتحقيق أوقات اتخاذ قرار كتلة متسلسلة قدرها 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

لتحقيق أداء البروتوكول الجديد، تم إجراء تقييمات حسابية واسعة النطاق. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG يظهران أداءً ممتازًا في ظروف الشبكة المختلفة، خاصة في البيئات ذات الكمون العالي ومعدل الفشل العالي. على وجه التحديد، حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسالة وتعقيد الحسابات، بينما حقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التوازي وتحسين عملية الاقتراع.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا blockchain، ستلعب بروتوكولات الإجماع BFT غير المتزامنة دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وزيادة الأداء. تُظهر تصميمات 2PAC وكتل الخط الزمني الفائق السرعة اتجاه تطوير بروتوكولات الإجماع blockchain في المستقبل، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع، لتحقيق إنتاجية أعلى وزمن استجابة أقل.

اتجاهات البحث المستقبلية

يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الاتجاهات التالية:

1. تحسين البروتوكول: تبسيط هيكل البروتوكول وتحسينه بشكل إضافي، وتقليل الرسائل غير الضرورية ونفقات 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 الفعلية، والتحقق من أدائه في بيئات الشبكة الحقيقية.

تقوم هذه الدراسة بتحليل تفصيلي لمزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة الحالية في البلوكتشين، وتقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC وكتل التدفق السريع الفائقة. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة السعة وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعاً هاماً لتطوير تكنولوجيا البلوكتشين في المستقبل. لم تثبت هذه البروتوكولات الجديدة تفوقها نظرياً فحسب، بل أظهرت أيضاً أداءً ممتازاً في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكاراً جديدة لتحقيق بروتوكولات إجماع بلوتشين فعالة وآمنة.

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