أحدث تطورات وتطبيقات بروتوكول الإجماع في البلوكتشين

تعتبر تقنية البلوكتشين كتقنية دفتر أستاذ موزع غير مركزي، حيث تضمن آلية الإجماع سلامة البيانات وتناسقها. تُعتبر آلية الإجماع هي الجوهر في نظام البلوكتشين، حيث يؤثر أداؤها مباشرة على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. تمتلك آلية الإجماع الخاصة بتحمل أخطاء بيزنطية غير متزامنة (BFT) مزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، مما يجعلها محور البحث.

تستعرض هذه التقرير الحالة الحالية لتطور بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين، مع التركيز على تحليل أحدث التطورات في بروتوكول نسخ الحالة المعرضة لفشل بيزنطي غير متزامن (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع حالياً هو 2-chain VABA، ولكن بسبب وجود ثغرات فيه، لم يتم تحقيق تأخير متوقع قدره 9.5δ. لذلك، أصبح sMVBA هو أسرع بروتوكول MVBA غير متزامن حالياً، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما تقدم التقرير تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (الإجماع غير المتزامن من مرحلتين) وكتلة خط أنابيب فائق السرعة، مما يظهر تحسينات ملحوظة في السعة والتأخير.

النماذج والتعريفات

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

الإجماع على البلوكتشين

بروتوكول إجماع البلوكتشين يهدف إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق حول 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. يجب أن يلبي بروتوكول إجماع البلوكتشين المتطلبات الأساسية التالية:

• الحيوية (Liveness): في التنفيذ اللانهائي، يوجد بلوكتشين محدد لا نهائي.
• التوافقية (Consistency): إذا كان هناك سلسلتان من البلوكتشين قد تم تحديدهما، يجب أن تكون واحدة منهما سابقة للأخرى.
• جودة P (P-Quality): في البلوكتشين الذي تم اتخاذ القرار فيه، يجب أن تشكل المعاملات المدخلة من قبل العقد الصادقة نسبة لا تقل عن p.

تحديات بروتوكول الإجماع غير المتزامن الحالي

أسرع بروتوكول إجماع غير متزامن في الوقت الحالي هو 2-chain VABA، الذي يُتوقع أن يكون لديه تأخير قدره 9.5δ. ومع ذلك، وجدنا أن هذا البروتوكول يعاني من عدة طرق هجوم، مما يهدد توافقه وحيويته. على سبيل المثال، الهجمات الناجمة عن نقص التحقق من المصادقة، والهجمات التي تستخدم استراتيجيات تعزيز لإعاقة الحيوية، والهجمات التي تنتج من تخفيف تعريف مصادقة القادة تؤدي إلى هجمات توافقية وغيرها. على الرغم من أن 2-chain VABA قدم بعض الآليات الجديدة، مثل تشغيل عدة حالات متوازية، إلا أنه لم يتمكن بعد من حل هذه المشكلات بشكل كامل.

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

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، قدمنا بروتوكول 2PAC. يعمل هذا البروتوكول على تبسيط وتحسين عملية الإجماع، مما يعزز الأداء بشكل ملحوظ. يتضمن ذلك نوعين مختلفين:

2PAClean:

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

2PACBIG:

• هو أسرع بروتوكول إجماع للبلوكتشين بقدرة تعقيد الرسائل O(n³).
• وقت تشغيل MVBA الأحادي بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط أنابيب الكتلة الفائق السرعة

لقد قدمنا تصميمًا جديدًا لكتلة الأنابيب يقلل بشكل كبير من تأخير كتلة الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت جدولة عادلة، فإن زمن اتخاذ القرار لكتلة الأنابيب أقل حتى من كتلة غير الأنابيب. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع العمليات التنفيذية، ولا تتأثر بسلوك العمليات الفاشلة.

نتائج الكمي

من خلال التحليل النظري والاختبارات العملية، فإن التأخير المتوقع في أسوأ الحالات لـ 2PAClean هو 9.5δ، بينما في الحالات الجيدة (بدون أعطال وبدون جدولة نصف عادلة) هو 6δ. بالمقارنة، التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. وبالتالي، فإن 2PAClean يقلل من تأخير أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالة الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن قدرة 2PAClean على المعالجة زادت بنسبة 80% إلى 100% مقارنةً بـ sMVBA المتسلسل، ويرجع ذلك أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد للتخلص غير الضروري من الكتل والنفقات الحسابية.

2PACBIG كبرتوكول بقدرة تعقيد رسائل O(n³)، وقت تنفيذ MVBA الواحد له هو 4δ، أسرع من جميع البروتوكولات الموجودة حالياً. بالإضافة إلى ذلك، تصميم الكتلة السريعة فائقة السرعة يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان على التوالي 4δ و 3δ في وقت اتخاذ القرار في كتلة التدفق، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

لإثبات أداء البروتوكول الجديد، قمنا بإجراء تقييمات حسابية شاملة. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG قدما أداءً ممتازًا في ظروف الشبكة المختلفة، لا سيما في البيئات ذات التأخير العالي ومعدلات الفشل العالية. بشكل محدد، 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، سيؤدي بروتوكول الإجماع BFT غير المتزامن دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وتحسين الأداء. تُظهر تصميمات 2PAC والكتل السريعة للغاية 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 وأعباء الحساب.

2. تحليل الأمان: تحليل معمق 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 بروتوكول الإجماع على البلوكتشين غير المتزامن الحالي، ويقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC وكتلة التدفق السريع الفائق. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في تحسين سعة المعالجة وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطوير تكنولوجيا البلوكتشين في المستقبل. هذه البروتوكولات الجديدة أثبتت تفوقها نظريًا، كما عرضت أداءً ممتازًا في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحقيق بروتوكولات إجماع البلوكتشين بكفاءة وأمان.

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