أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول الإجماع البلوكتشين

تكنولوجيا البلوكتشين كتقنية دفتر أستاذ موزع غير مركزي، تضمن سلامة البيانات وتناسقها من خلال بروتوكول الإجماع. بروتوكول الإجماع هو جوهر نظام البلوكتشين، وأدائه يؤثر بشكل مباشر على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. تتمتع آلية الإجماع الخاصة بتحمل أخطاء بيزنطية غير متزامنة (BFT) بمزايا فريدة في مواجهة تأخير الشبكة وفشل بعض العقد، وبالتالي أصبحت محور البحث.

تتناول هذه المقالة حالة تطوير بروتوكولات الإجماع للبلوكتشين، مع التركيز على أحدث التطورات في بروتوكول نسخ حالة تحمل الأخطاء البازنتينية غير المتزامنة (BFT SMR). البروتوكول غير المتزامن الأسرع حالياً هو sMVBA، مع تأخير متوقع يبلغ 10δ. كما تقدم المقالة تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (الإجماع غير المتزامن على مرحلتين) وكتل التدفق الفائق، مما يظهر تحسينات ملحوظة في كل من القدرة على المعالجة والتأخير.

النماذج والتعريفات

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

الإجماع على البلوكتشين

تهدف بروتوكولات إجماع البلوكتشين إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق بشأن حالة البلوكتشين. بشكل محدد، تقوم كل عقدة باستمرار باستقبال المعاملات الجديدة وتجميعها في كتل، من خلال بروتوكول الإجماع لضمان توافق هذه الكتل على جميع العقد الصادقة. تحتاج بروتوكولات إجماع البلوكتشين إلى تلبية المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط (Liveness): في التنفيذ غير المحدود، يوجد بلوكتشين محدد لا نهائي.
• التناسق (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 تحديده، يجب أن تمثل المعاملات المدخلة من قبل العقد الصادقة نسبة لا تقل عن p.

التحديات الحالية لبروتوكول الإجماع غير المتزامن

تواجه بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة حاليًا العديد من التحديات، بما في ذلك التهديدات المحتملة على الاتساق والنشاط. على سبيل المثال، قد يؤدي نقص التحقق من المصادقة إلى هجمات، وقد تعيق استراتيجيات التعزيز النشاط، وقد يؤدي تخفيف تعريف مصادقة القائد إلى هجمات على الاتساق. على الرغم من أن بعض البروتوكولات قد قدمت آليات جديدة، مثل تشغيل مثيلات متعددة بشكل متوازي، إلا أنها لم تتمكن بعد من حل هذه المشكلات بالكامل.

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

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

1. 2PAClean:

   • حققنا أكثر من 90% من القدرة الاستيعابية و 9.5δ من التأخير المتوقع، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
   • من خلال القضاء على التفاعلات غير الضرورية ونفقات الحساب، تم تحسين كفاءة البروتوكول.

2. 2PACBIG:

   • هو أسرع بروتوكول إجماع للبلوكتشين حيث تتعقد الرسائل بمعدل O(n³).
   • زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة بدون أخطاء هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط تجميع كتلة فائق السرعة

اقترح الباحثون تصميم كتلة جديدة على شكل خط أنابيب، مما يقلل بشكل كبير من تأخير كتلة خط الأنابيب. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت منظم عادل، فإن وقت اتخاذ القرار لكتلة خط الأنابيب يكون أقل حتى من كتلة غير خط الأنابيب. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذات، ولا تتأثر بسلوك العمليات الفاشلة.

نتائج الكمية

من خلال التحليل النظري والاختبار العملي، فإن التأخير المتوقع لـ 2PAClean في أسوأ الحالات هو 9.5δ، بينما في الحالات الجيدة (بدون أعطال وبدون جدولة نصف عادلة) هو 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. وبالتالي، فإن 2PAClean قد قلل التأخير في أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ مع الحفاظ على نفس تأخير الحالات الجيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن إنتاجية 2PAClean قد زادت بنسبة 80% إلى 100% مقارنةً بـ sMVBA المرتبطة، ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى تجنب التصميم الجديد للتخلص غير الضروري من الكتل والأعباء الحسابية.

2PACBIG كبروتوكول مع تعقيد رسالة O(n³)، وقت تشغيل MVBA لمرة واحدة هو 4δ، وهو أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، تصميم كتلة خط أنابيب فائق السرعة يجعل s2PAClean وs2PACBIG يحققان على التوالي 4δ و3δ في زمن اتخاذ قرار كتلة خط الأنابيب، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

للتحقق من أداء البروتوكول الجديد، أجرى الباحثون تقييمات حسابية واسعة النطاق. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG يقدمان أداءً ممتازًا في ظروف الشبكة المختلفة، خاصة في البيئات ذات التأخير العالي ومعدلات الفشل العالية. على وجه التحديد، حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير نقل الرسائل وتعقيد الحساب، بينما حقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التحسين والتوازي في عملية التصويت.

اتجاهات البحث المستقبلية

مع التطور المستمر لتقنية البلوكتشين، سيلعب بروتوكول الإجماع BFT غير المتزامن دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وزيادة الأداء. يمكن للأبحاث المستقبلية أن تستكشف المزيد من الاتجاهات التالية:

1. بروتوكول تحسين:进一步简化和优化 البروتوكول结构，减少不必要的 الرسائل وتكاليف الحساب.
2. تحليل الأمان: تحليل عميق لسلامة البروتوكول الجديد في مختلف سيناريوهات الهجوم لضمان موثوقيته في التطبيق العملي.
3. التطبيق العملي: تطبيق البروتوكول الجديد على أنظمة البلوكتشين الحقيقية، والتحقق من أدائه في بيئات الشبكة الحقيقية.

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