أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول إجماع البلوكتشين

تكنولوجيا البلوكتشين كنوع من تقنيات السجل الموزع اللامركزي، تضمن سلامة البيانات وتناسقها من خلال آلية الإجماع. آلية الإجماع هي جوهر نظام البلوكتشين، وأداؤها يؤثر بشكل مباشر على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. تتمتع آلية الإجماع المعروفة باسم التسامح البيزنطي غير المتزامن (BFT) بمزايا فريدة في التعامل مع تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محور البحث.

تستكشف هذه التقرير حالة تطوير بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين، مع التركيز على تحليل أحدث التطورات في بروتوكول النسخ المتكرر الذي يتحمل أخطاء بيزنطية غير متزامنة (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع الحالي هو 2-chain VABA، ولكن بسبب وجود ثغرات، لم يتم تحقيق التأخير المتوقع البالغ 9.5δ. لذلك، أصبح sMVBA هو أسرع بروتوكول MVBA غير متزامن حالياً، مع تأخير متوقع يبلغ 10δ. كما يقدم التقرير تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (الإجماع غير المتزامن ذو المرحلتين) وكتلة التدفق الفائق السريع، مما يعرض تحسينات ملحوظة في السعة والتأخير.

النماذج والتعريفات

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

البلوكتشين الإجماع

يهدف بروتوكول إجماع البلوكتشين إلى جعل جميع العقد الصادقة تتفق على حالة البلوكتشين. على وجه التحديد، تستمر كل عقدة في تلقي المعاملات الجديدة وتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل بين جميع العقد الصادقة. يحتاج بروتوكول إجماع البلوكتشين إلى تلبية المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط: في التنفيذ غير المحدود، توجد سلسلة كتل طويلة غير محدودة تم اتخاذ قرار بشأنها.
• التناسق: إذا كان هناك سلسلتان من البلوكتشين قد تم تحديدهما، 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.

التحديات الحالية لبروتوكول الإجماع غير المتزامن

أسرع بروتوكول إجماع غير متزامن حاليًا هو 2-chain VABA، مع تأخير متوقع قدره 9.5δ. ومع ذلك، فإن هذا البروتوكول يتعرض لعدة أنواع من الهجمات التي تضر باتساقه وفعاليته. على سبيل المثال، هناك هجمات ناتجة عن نقص في التحقق من المصادقة، وهجمات تستخدم استراتيجيات رفع لمنع الفعالية، وهجمات تتعلق بتعريفات مصادقة القادة المخففة. على الرغم من أن 2-chain VABA قدمت بعض الآليات الجديدة، مثل تشغيل عدة 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. يعمل هذا البروتوكول على تبسيط وتحسين عملية الإجماع، مما يزيد من الأداء بشكل كبير. ويتضمن ذلك نوعين مختلفين:

1. 2PAClean:

   • حقق +90% من الإنتاجية 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:

   • هو أسرع بروتوكول للإجماع على البلوكتشين بتعقيد رسائل O(n³).
   • وقت تشغيل MVBA الفردي بدون عطل هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط إنتاج كتلة فائق السرعة

اقترح الباحثون تصميم كتلة خط أنابيب جديدة، تقلل بشكل كبير من تأخير كتلة الخط الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت جدولة عادلة، فإن وقت اتخاذ القرار لكتلة الخط الأنابيب أقل حتى من الكتل غير الخطية. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذ، 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 أخطاء وموفر نصف عادل) هو 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. لذلك، فإن 2PAClean قد قلل من تأخير أسوأ حالة 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 المتسلسل، ويرجع ذلك أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد للتخلص غير الضروري من الكتل ونفقات الحساب.

2PACBIG ك بروتوكول بوجود تعقيد الرسالة O(n³)، فإن زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ، أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، تصميم كتلة السلسلة الفائق السرعة يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان أوقات قرار كتلة سلسلية تبلغ 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 و 2PACBIG قدما أداءً ممتازًا تحت ظروف شبكة متنوعة، وخاصة في بيئات ذات تأخير عالي ومعدلات فشل عالية. وبشكل محدد، حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحساب، بينما قدمت 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 وزيادة الأداء. تُظهر تصاميم 2PAC والكتل السريعة الفائقة الاتجاه المستقبلي لبروتوكولات إجماع البلوكتشين، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع، لتحقيق قدرة أعلى على المعالجة وزمن استجابة أقل.

اتجاهات البحث المستقبلية

يمكن للأبحاث المستقبلية أن تستكشف المزيد من الاتجاهات التالية:

1. بروتوكول تحسين: تبسيط وتحسين هيكل البروتوكول بشكل أكبر، وتقليل الرسائل غير الضرورية وأعباء الحساب.
2. تحليل الأمان: تحليل عميق للأمان 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 بيئة الشبكة الحقيقية.

تقدم هذه التقرير تحليلاً مفصلاً لمزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة الحالية في البلوكتشين ، وتقترح تصميمين جديدين للبروتوكول وهما 2PAC وكتلة التدفق السريع الفائق. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة السعة وتقليل التأخير ، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطوير تقنية 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 الفعالة والآمنة.

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