أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول الإجماع البلوكتشين

تعد تقنية البلوكتشين كتقنية دفتر أستاذ موزع لامركزي، تضمن من خلال آلية الإجماع سلامة البيانات و تناسقها. آلية الإجماع هي جوهر نظام البلوكتشين، حيث تؤثر أداؤها بشكل مباشر على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. تتمتع آلية الإجماع الخاصة بتحمل أعطال بيزنطة غير المتزامنة (BFT) بميزات فريدة في مواجهة تأخير الشبكة وفشل بعض العقد، مما جعلها محور البحث.

تتناول هذه المقالة حالة تطوير بروتوكولات الإجماع على البلوكتشين، مع التركيز على أحدث التطورات في بروتوكول النسخ المتطابق لحالة الأخطاء البازنتينية غير المتزامنة (BFT SMR). حاليًا، يُعتبر sMVBA أسرع بروتوكول MVBA غير المتزامن، مع تأخير متوقع قدره 10δ. بالإضافة إلى ذلك، تقدم هذه المقالة تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (الإجماع غير المتزامن بمرحلتين) وكتلة التدفق السريع الفائق، مما يظهر تحسينات ملحوظة في كل من معدل نقل البيانات والتأخير.

النماذج والتعريفات

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث يمكن أن يتم تدمير f عملية بشكل ضار بواسطة الخصم. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض من خلال قنوات غير متزامنة، حيث يتم التحكم في تأخير نقل الرسائل من قبل الخصم. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة للتوقيع والتحقق، مما يضمن صحة الرسالة وسلامتها.

البلوكتشين الإجماع

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

• النشاط: في التنفيذ غير المحدود، توجد سلسلة كتلة لا نهائية تم تحديدها.
• التوافق: إذا كان هناك سلسلتان من البلوكتشين قد تم حسمهما، يجب أن تكون واحدة منهما 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 حاليًا العديد من أساليب الهجوم المحتملة على بعض بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة، والتي قد تؤثر على اتساقها وفعاليتها. على سبيل المثال، الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من المصادقة، والهجمات التي تعيق الفعالية باستخدام استراتيجيات تعزيز، والهجمات على الاتساق الناتجة عن تخفيف تعريف مصادقة القائد، وغيرها. على الرغم من أن بعض البروتوكولات قدمت آليات جديدة، مثل التشغيل المتوازي للعديد من الحالات المتوازية، إلا أنها لم تتمكن بعد من حل هذه المشكلات تمامًا.

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 بزيادة الأداء بشكل ملحوظ. ويتضمن ذلك نوعين فرعيين:

1. 2PAClean:

   • حقق +90% من السعة و9.5δ من التأخير المتوقع، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
   • من خلال القضاء على التفاعلات غير الضرورية وأعباء الحساب، تم تحسين كفاءة البروتوكول.

2. 2PACBIG:

   • هو أسرع بروتوكول إجماع للبلوكتشين بمستوى تعقيد الرسالة O(n³).
   • مدة تشغيل MVBA واحدة بدون أخطاء هي 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط أنابيب كتلة فائق السرعة

قدم الباحثون تصميمًا جديدًا لكتلة التدفق، مما قلل بشكل كبير من تأخير كتلة التدفق. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت الجدولة العادلة، يكون زمن اتخاذ القرار لكتلة التدفق أقل حتى من كتلة التدفق غير المتسلسلة. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع العمليات التنفيذية، ولا تتأثر بسلوك العمليات الفاشلة.

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 وموفر نصف عادل) يكون 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالة الجيدة هو 6δ. لذلك، خفضت 2PAClean التأخير في أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس التأخير في الحالات الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإنتاجية لـ 2PAClean مقارنة بـ sMVBA المتسلسل قد زادت بنسبة تتراوح بين 80% إلى 100%، ويرجع ذلك أساساً إلى تصميمها الجديد الذي تجنب التخلص غير الضروري من الكتل ونفقات الحساب.

2PACBIG باعتباره بروتوكول ذو تعقيد رسائل O(n³)، فإن زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ، وهو أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم الكتل فائقة السرعة يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان زمن قرار الكتل المتسلسلة 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

من أجل التحقق من أداء البروتوكول الجديد، قام الباحثون بإجراء تقييمات حسابية واسعة النطاق. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG يظهران أداءً ممتازاً في ظروف الشبكة المختلفة، خاصة في البيئات ذات الكمون العالي ومعدل الفشل العالي. بشكل محدد، حقق 2PAClean توازناً جيداً بين تأخير نقل الرسائل وتعقيد الحساب، بينما حقق 2PACBIG تأخيراً أقل من خلال التوازي وتحسين عملية التصويت.

اتجاهات البحث المستقبلية

مع التطور المستمر لتكنولوجيا البلوكتشين، سيؤدي بروتوكول الإجماع BFT غير المتزامن دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وزيادة الأداء. تُظهر تصميمات 2PAC وكتل التدفق السريع للغاية اتجاه تطوير بروتوكولات الإجماع في المستقبل، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع، لتحقيق إنتاجية أعلى وزمن استجابة أقل.

يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الاتجاهات التالية:

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

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