أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول الإجماع على البلوكتشين

تعد تقنية البلوكتشين كنوع من تقنيات دفتر السجلات الموزعة غير المركزية، حيث تضمن آلية الإجماع سلامة البيانات وتناسقها. تعتبر آلية الإجماع هي جوهر نظام البلوكتشين، حيث تؤثر أدائها بشكل مباشر على قابلية البلوكتشين للتوسع وأمانه. تتمتع آلية الإجماع القائمة على التسامح مع الأخطاء البيزنطية غير المتزامنة (BFT) بمزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محور البحث.

تستعرض هذه التقرير حالة تطوير بروتوكولات إجماع البلوكتشين، مع التركيز على أحدث التطورات في بروتوكول النسخ المعتمد على حالة بازيان غير المتزامن (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع حالياً هو 2-chain VABA، مع تأخير متوقع قدره 9.5δ. ومع ذلك، بسبب وجود ثغرات، لم يتمكن هذا البروتوكول من تحقيق أدائه المتوقع. لذلك، أصبح sMVBA هو البروتوكول غير المتزامن MVBA الأسرع حالياً، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما يقترح التقرير تصميمين جديدين للبروتوكولات، وهما 2PAC (إجماع غير متزامن من مرحلتين) وكتلة خط أنابيب 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 الخبيث. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض من خلال قنوات غير متزامنة، وتأخير نقل الرسائل غير قابل للتحكم. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة للتوقيع والتحقق، لضمان صحة الرسائل وسلامتها.

البلوكتشين الإجماع

تهدف بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين إلى جعل جميع العقد الصادقة تتفق على حالة البلوكتشين. تتلقى كل عقدة باستمرار معاملات جديدة، وتقوم بتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل على جميع العقد الصادقة. تحتاج بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين إلى تلبية المتطلبات الأساسية التالية:

1. النشاط: في التنفيذ اللانهائي، توجد سلسلة بلوكتشين غير محدودة الطول تم اتخاذ قرار بشأنها.
2. التوافقية: إذا كانت هناك سلسلتان من الكتل المحددة، يجب أن تكون واحدة منها سابقة للأخرى.
3. 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

على الرغم من أن بروتوكول VABA على السلسلة الثانية يتوقع تأخيرا قدره 9.5δ، إلا أن هناك العديد من أساليب الهجوم التي تضر بتوافقه ونشاطه. على سبيل المثال، الهجمات الناجمة عن نقص التحقق من الشهادات، والهجمات التي تعيق النشاط من خلال استغلال استراتيجيات التعزيز، والهجمات التوافقية الناتجة عن تخفيف تعريف الشهادات القيادية. على الرغم من أن البروتوكول قدم بعض الآليات الجديدة، مثل التشغيل المتوازي لعدة مثيلات، إلا أنه لم يتمكن بعد من حل هذه المشكلات بشكل كامل.

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

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

1. 2PAClean:

   • حققوا أكثر من 90% من السعة و 9.5δ من التأخير المتوقع، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
   • من خلال القضاء على التفاعلات والتكاليف الحسابية غير الضرورية، تم زيادة كفاءة بروتوكول.

2. 2PACBIG:

   • هو أسرع بروتوكول للإجماع على البلوكتشين حاليًا بتعقيد رسالة O(n³).
   • زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط إنتاج سريع للغاية كتلة

اقترح الباحثون تصميم كتلة جديدة لخط الأنابيب، مما يقلل بشكل كبير من تأخير كتلة خط الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، فإن وقت اتخاذ القرار لكتلة خط الأنابيب تحت جدولة عادلة هو حتى أقل من كتلة غير خط الأنابيب. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع عمليات التنفيذ، 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 والجدولة شبه العادلة) هو 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. لذلك، فإن 2PAClean يقلل من تأخير أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالة الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل نقل البيانات لـ 2PAClean قد زاد بنسبة 80% إلى 100% مقارنة بـ sMVBA السلسلي، ويرجع ذلك أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد للتخلص غير الضروري من الكتل ونفقات الحساب.

2PACBIG كبروتوكول مع تعقيد رسالة O(n³)، فإن وقت تشغيل MVBA الواحد له هو 4δ، مما يجعله أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم الكتل السريعة للغاية يسمح لـ s2PAClean و s2PACBIG بتحقيق أوقات اتخاذ قرار الكتل المتسلسلة تبلغ 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول بشكل أكبر.

تقييم الحساب

للتحقق من أداء البروتوكول الجديد، أجرت الباحثون تقييمات حسابية شاملة. أظهرت النتائج أن 2PAClean و2PACBIG قد أظهرا أداءً ممتازًا في 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.

اتجاهات البحث المستقبلية

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

مع التطور المستمر لتكنولوجيا البلوكتشين، سيؤدي بروتوكول الإجماع BFT غير المتزامن دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وتحسين الأداء. تعرض تصميمات 2PAC وكتل خطوط التدفق الفائقة السرعة اتجاه تطوير بروتوكولات الإجماع في المستقبل، وهو تحقيق إنتاجية أعلى وزمن استجابة أقل من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع.

هذه البروتوكولات الجديدة لم تثبت تفوقها من الناحية النظرية فحسب، بل أظهرت أيضًا أداءً ممتازًا في الاختبارات العملية، مما يوفر آفاقًا جديدة لتحقيق بروتوكولات الإجماع الفعالة والآمنة على البلوكتشين. من خلال البحث المستمر والتحسين، ستلعب تقنية البلوكتشين دورًا أكثر أهمية في الاقتصاد الرقمي في المستقبل، بينما ستوفر الجيل الجديد من بروتوكولات الإجماع أساسًا قويًا لتطوير هذه التكنولوجيا.