أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول الإجماع في البلوكتشين

ملخص التقرير

تستعرض هذه التقرير حالة تطوير بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين، مع التركيز على التحليلات الأخيرة لبروتوكول نسخ الحالة المقاومة للاعتداءات الغير متزامنة (BFT SMR). كان أسرع بروتوكول غير متزامن في الأصل هو 2-chain VABA، ولكن بسبب وجود ثغرات، لم يتم تحقيق تأخير 9.5δ المتوقع. لذلك، أصبحت sMVBA هي أسرع بروتوكول MVBA غير متزامن حالياً، مع تأخير متوقع يبلغ 10δ. كما يقترح التقرير تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (الإجماع غير المتزامن ذو المرحلتين) وكتل خط أنابيب فائق السرعة، اللذان يظهران تحسينات ملحوظة في السعة والتأخير.

تكنولوجيا البلوكتشين كنوع من بروتوكول دفتر الأستاذ الموزع غير المركزي، تضمن سلامة البيانات وتناسقها من خلال آلية الإجماع. آلية الإجماع هي قلب نظام البلوكتشين، وأداؤها يؤثر بشكل مباشر على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. تتمتع آلية إجماع التسامح مع الأخطاء البيزنطية غير المتزامنة (BFT) بمزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محور البحث.

النماذج والتعريفات

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

إجماع البلوكتشين

بروتوكول الإجماع في البلوكتشين يهدف إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق بشأن حالة البلوكتشين. بشكل محدد، تستمر كل عقدة في تلقي المعاملات الجديدة وتقوم بتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل على جميع العقد الصادقة. يحتاج بروتوكول الإجماع في البلوكتشين إلى تلبية المتطلبات الأساسية التالية:

1. النشاط: في التنفيذ اللانهائي، توجد سلسلة كتلة طويلة لا نهائية تم تقريرها.
2. التوافق: إذا كان هناك سلسلتان من الكتل تم تحديدهما، فيجب أن تكون إحداهما 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

البروتوكول الأسرع للإجماع غير المتزامن الحالي هو 2-chain VABA، الذي يتوقع أن يكون لديه تأخير قدره 9.5δ. ومع ذلك، أظهرت الأبحاث أن هذا البروتوكول يعاني من عدة أساليب هجوم، مما يضر بتناسقه ونشاطه. على سبيل المثال، الهجمات الناتجة عن نقص في فحص الاعتماد، الهجمات التي تستخدم استراتيجيات التعزيز لإعاقة النشاط، والهجمات الناتجة عن تخفيف تعريف اعتماد القائد تؤدي إلى هجمات تناسقية. على الرغم من أن 2-chain VABA قدمت بعض الآليات الجديدة، مثل التشغيل المتوازي للعديد من الحالات المتوازية، إلا أنها لم تتمكن بعد من حل هذه المشاكل بشكل كامل.

تصميم بروتوكول جديد: 2PAC (الإجماع غير المتزامن على مرحلتين)

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترحت الدراسة بروتوكول 2PAC. يعمل هذا البروتوكول على تبسيط وتحسين عملية الإجماع، مما يزيد بشكل ملحوظ من الأداء. ويشمل ذلك نوعين فرعيين:

1. 2PAClean:

   • تم تحقيق أكثر من 90% من خلال معدل الإنتاجية و9.5δ من التأخير المتوقع، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
   • من خلال القضاء على التفاعلات والتكاليف الحسابية غير الضرورية، تم تحسين كفاءة البروتوكول.

2. 2PACBIG:

   • هو أسرع بروتوكول للإجماع في البلوكتشين بمتطلبات تعقيد الرسالة O(n³).
   • زمن تشغيل MVBA الفردي بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط أنابيب كتلة فائق السرعة

اقترحت الدراسة تصميم كتلة خط أنابيب جديد يقلل بشكل كبير من تأخير كتلة خط الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، فإن زمن اتخاذ القرار لكتلة خط الأنابيب يكون حتى أقل من كتلة غير خط أنابيب تحت جدولة عادلة. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذات، 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 (دون أعطال وبتوزيع نصف عادل) يكون 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة 6δ. وبالتالي، فإن 2PAClean يقلل من تأخير أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالات الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن قدرة 2PAClean على معالجة البيانات أعلى بنسبة 80% إلى 100% مقارنة بـ sMVBA المتسلسل، ويرجع ذلك أساسًا إلى التصميم الجديد الذي يتجنب فقدان الكتل غير الضرورية ونفقات حسابية.

2PACBIG كبرتوكول مع تعقيد الرسالة O(n³) ، زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ ، أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك ، تصميم كتلة التدفق الفائق السريع يمكّن s2PAClean و s2PACBIG من تحقيق زمن قرار كتلة التدفق 4δ و 3δ على التوالي ، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

لتقييم أداء البروتوكول الجديد، أجريت دراسات واسعة من التقييمات الحسابية. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG أظهرا أداءً ممتازًا تحت ظروف الشبكة المختلفة، لا سيما في البيئات ذات الكمون العالي ومعدل الفشل العالي. 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 لتقنية البلوكتشين، سيؤدي بروتوكول الإجماع BFT غير المتزامن دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وتحسين الأداء. تُظهر تصميمات 2PAC وكتل خطوط التجميع فائقة السرعة اتجاه تطوير بروتوكولات إجماع البلوكتشين في المستقبل، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع، لتحقيق إنتاجية أعلى وزمن تأخير أقل.

اتجاهات البحث المستقبلية

يمكن أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الاتجاهات التالية:

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

تقدم هذه التقرير تحليلًا مفصلاً لمزايا وعيوب بروتوكولات إجماع البلوكتشين غير المتزامن الحالية، ويقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC وكتلة خط أنابيب فائقة السرعة. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة القدرة الإنتاجية وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطور تقنيات البلوكتشين في المستقبل. لا تثبت هذه البروتوكولات الجديدة تفوقها نظريًا فحسب، بل تظهر أيضًا أداءً استثنائيًا في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحقيق بروتوكولات إجماع البلوكتشين بكفاءة وأمان.

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