أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول الإجماع في البلوكتشين

تكنولوجيا البلوكتشين كنوع من بروتوكول دفتر الأستاذ الموزع اللامركزي، تضمن تكامل البيانات وتناسقها من خلال آلية الإجماع. آلية الإجماع هي جوهر نظام البلوكتشين، حيث تؤثر أداؤها بشكل مباشر على قابلية التوسع والأمان في البلوكتشين. تمتلك آلية إجماع التحمل البيزنطي غير المتزامن (BFT) مزايا فريدة في التصدي لتأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محوراً للبحث.

تستكشف هذه التقرير حالة تطوير بروتوكول الإجماع للبلوكتشين، مع التركيز على تحليل أحدث التطورات في بروتوكول النسخ المتزامن القابل للتحمل للأخطاء البزنتينية غير المتزامنة (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع حالياً هو 2-chain VABA، ولكن بسبب وجود ثغرات فيه، لم يتم تحقيق تأخير متوقع قدره 9.5δ. وبالتالي، أصبح sMVBA هو البروتوكول غير المتزامن MVBA الأسرع حالياً، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما يقدم التقرير تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (الإجماع غير المتزامن على مرحلتين) وكتلة خط الأنابيب فائقة السرعة، مما يظهر تحسينات ملحوظة في الإنتاجية والتأخير.

النماذج والتعريفات

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

الإجماع البلوكتشين

بروتوكول الإجماع البلوكتشين يهدف إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق بشأن حالة البلوكتشين. بشكل أكثر تحديدًا، تستقبل كل عقدة باستمرار معاملات جديدة، وتقوم بتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل على جميع العقد الصادقة. يحتاج بروتوكول الإجماع البلوكتشين إلى تلبية المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط (Liveness): في التنفيذ غير المحدود، يوجد بلوكتشين محدد بلا نهاية.
• الاتساق (Consistency): إذا كان هناك سلسلتان من الكتل (البلوكتشين) قد تم تحديدهما، يجب أن تكون واحدة منها سابقة للأخرى.
• جودة P (P-Quality): في البلوكتشين الذي تم تحديده، يجب أن تشكل المعاملات المدخلة من قبل العقد الصادقة نسبة لا تقل عن p.

التحديات الحالية لبروتوكول الإجماع غير المتزامن

أسرع بروتوكول إجماع غير متزامن حاليًا هو 2-chain VABA، والذي يُتوقع أن يكون لديه تأخير قدره 9.5δ. ومع ذلك، فإن هذا البروتوكول يعاني من عدة أنواع من الهجمات التي تضر بتوافقه ونشاطه. على سبيل المثال، الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من الهوية، والهجمات التي تعيق النشاط باستخدام استراتيجيات التعزيز، والهجمات التي تؤدي إلى فقدان توافق بسبب تخفيف تعريف التحقق من القائد. على الرغم من أن 2-chain VABA قدم بعض الآليات الجديدة، مثل تشغيل عدة نماذج متوازية، إلا أنه لم يتمكن بعد من حل هذه المشكلات بشكل كامل.

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

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC. يعمل هذا البروتوكول على تحسين و تبسيط عملية الإجماع، مما يزيد بشكل كبير من الأداء. ويتضمن ذلك نوعين فرعيين:

1. 2PAClean:

   • حققنا أكثر من 90% من القدرة على المعالجة وتأخير متوقع يبلغ 9.5δ، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
   • من خلال القضاء على التفاعلات والنفقات الحاسوبية غير الضرورية، تم تحسين كفاءة البروتوكول.

2. 2PACBIG:

   • هو أسرع بروتوكول إجماع للبلوكتشين بخصوص تعقيد الرسالة الحالي O(n³).
   • وقت التشغيل لمرة واحدة من MVBA بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط الإنتاج السريع للغاية كتلة

اقترح الباحثون تصميم كتلة خط أنابيب جديدة تقلل بشكل كبير من تأخير كتلة الخط. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت جدولة عادلة، فإن وقت اتخاذ القرار لكتلة الخط يكون أقل حتى من كتلة غير خط الأنابيب. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذات، ولا تتأثر بسلوك العمليات الفاشلة.

نتائج الكمية

من خلال التحليل النظري والاختبار العملي، فإن التأخير المتوقع لـ 2PAClean في أسوأ الحالات هو 9.5δ، بينما في الحالات الجيدة (بدون أعطال وموفر نصف عادل) هو 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. وبالتالي، فإن 2PAClean قد قلل التأخير في أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالات الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل نقل البيانات لـ 2PAClean مقارنةً بـ sMVBA القائم على السلسلة قد زاد بنسبة 80% إلى 100%، ويرجع ذلك أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد لتخلي الكتل غير الضرورية وتكاليف الحساب.

2PACBIG كبروتوكول مع تعقيد رسالة بقيمة O(n³) ، فإن وقت تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ ، أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، تصميم كتلة التدفق السريع للغاية يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان وقت قرار كتلة تدفق قدره 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

للتحقق من أداء البروتوكول الجديد، قام الباحثون بإجراء تقييمات حسابية شاملة. أظهرت النتائج أن 2PAClean و2PACBIG أظهرا أداءً ممتازًا تحت ظروف الشبكة المختلفة، خاصة في البيئات ذات التأخير العالي ومعدلات الفشل العالية. على وجه التحديد، حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحساب، 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 وتحسين الأداء. تُظهر تصاميم 2PAC وكتل الأنابيب فائقة السرعة اتجاه تطوير بروتوكولات الإجماع في المستقبل، وهو تحقيق إنتاجية أعلى وزمن تأخير أقل من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع.

اتجاهات البحث المستقبلية

يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الاتجاهات التالية:

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

تقدم هذه التقرير تحليلًا مفصلًا لمزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين غير المتزامنة الحالية، ويقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC وكتلة تدفق فائق السرعة. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة السعة وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطور تكنولوجيا البلوكتشين في المستقبل. لا تثبت هذه البروتوكولات الجديدة تفوقها من الناحية النظرية فحسب، بل تعرض أيضًا أداءً ممتازًا في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحقيق بروتوكولات إجماع البلوكتشين بشكل فعال وآمن.

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 لتطوير هذه التقنية.