تقرير بحث حول أحدث تقدم في بروتوكول الإجماع البلوكتشين

تستكشف هذه التقرير بعمق حالة تطوير بروتوكول إجماع البلوكتشين، مع التركيز على تحليل أحدث التقدم في بروتوكول النسخ المتكرر لحالة عدم التزام البازينتي (BFT SMR). حاليًا، يُعتبر sMVBA أسرع بروتوكول MVBA غير متزامن، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما يقدم التقرير تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (إجماع غير متزامن من مرحلتين) وكتلة خط أنابيب فائقة السرعة، مما يُظهر تحسينات ملحوظة في معدل الإنتاجية والتأخير.

تعتبر تقنية البلوكتشين كنوع من تقنيات السجلات الموزعة غير المركزية، حيث تضمن من خلال آلية الإجماع سلامة البيانات وتناسقها. تعتبر آلية الإجماع جوهر نظام البلوكتشين، حيث تؤثر أداؤها بشكل مباشر على قابلية توسيع البلوكتشين وأمانه. تمتلك آلية الإجماع القائمة على التسامح مع أخطاء بيزنطية غير متزامنة (BFT) مزايا فريدة في التعامل مع تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، لذا أصبحت محوراً للبحث.

النماذج والتعريفات

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث يمكن أن يتعرض f عملية للتخريب الخبيث من قبل الخصم. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض عبر قنوات غير متزامنة، تتحكم الخصوم في تأخير نقل الرسائل. 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 تتوصل إلى توافق حول حالة البلوكتشين. بشكل أكثر تحديدًا، تستقبل كل عقدة باستمرار معاملات جديدة وتقوم بتجميعها في كتل، ومن خلال بروتوكول الإجماع تضمن أن هذه الكتل تتفق عليها جميع العقد الصادقة. تحتاج بروتوكولات إجماع البلوكتشين إلى تلبية المتطلبات الأساسية التالية:

• النشاط (Liveness): في التنفيذ اللانهائي، يوجد سلسلة كتلة محددة بلا نهاية.
• الاتساق (Consistency): إذا كان هناك سلسلتان من البلوكتشين قد تم اتخاذ قرار بشأنهما، يجب أن تكون إحدى السلسلتين سابقة للأخرى.
• جودة P (P-Quality): في البلوكتشين الذي تم تحديده، يجب أن تمثل المعاملات المدخلة بواسطة العقد الصادقة نسبة لا تقل عن p.

تحديات بروتوكول الإجماع غير المتزامن الحالي

تواجه بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة الحالية تحديات من عدة أنواع من الهجمات، التي قد تضر باتساق البروتوكول وحيويته. على سبيل المثال، الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من المصادقة، والهجمات التي تستخدم استراتيجيات التعزيز لتعطيل الحيوية، والهجمات التي تسببها تخفيف تعريف مصادقة القائد. على الرغم من أن بعض البروتوكولات قد أدخلت آليات جديدة، مثل تشغيل عدة مثيلات متوازية، إلا أنها لا تزال غير قادرة على حل هذه المشكلات بالكامل.

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

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC. يقوم هذا البروتوكول من خلال تبسيط وتحسين عملية الإجماع، بزيادة الأداء بشكل ملحوظ. ويتضمن ذلك نوعين مختلفين:

1. 2PAClean:

   • حقق معدل نقل بيانات يزيد عن 90% وتأخير متوقع قدره 9.5δ، وتعقيد الرسالة هو O(n²).
   • من خلال القضاء على التفاعلات والحسابات غير الضرورية، تم تحسين كفاءة البروتوكول.

2. 2PACBIG:

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

خط أنابيب كتلة فائق السرعة

اقترح الباحثون تصميم كتلة سلسلة جديدة، تقلل بشكل كبير من تأخير كتلة السلسلة. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت جدولة عادلة، يكون زمن اتخاذ القرار لكتلة السلسلة أقل حتى من الكتل غير المتسلسلة. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذات، 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 وموائمة نصف عادلة) هو 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. وبالتالي، فإن 2PAClean، مع الحفاظ على نفس تأخير الحالة الجيدة، يقلل من تأخير أسوأ الحالات بمقدار 0.5δ. بالإضافة إلى ذلك، فإن إنتاجية 2PAClean مقارنةً بـ sMVBA التسلسلية قد زادت بنسبة 80% إلى 100%، ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى تجنب التصميم الجديد للتخلي عن الكتل غير الضرورية والأعباء الحسابية.

2PACBIG كبروتوكول تعقيد الرسالة O(n³) ، فإن وقت تشغيل MVBA مرة واحدة هو 4δ ، وهو أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم كتلة التدفق السريع للغاية يجعل s2PAClean و s2PACBIG يحققان وقت قرار كتلة التدفق 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول بشكل أكبر.

التقييم الحسابي

للتحقق من أداء البروتوكول الجديد، أجرى الباحثون تقييمات حسابية شاملة. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG أظهرا أداءً ممتازًا تحت ظروف الشبكة المختلفة، وخاصة في البيئات ذات التأخير العالي ومعدل الفشل العالي. 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 الفائقة خطوط التطوير المستقبلية لبروتوكولات الإجماع في البلوكتشين، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع، لتحقيق إنتاجية أعلى وزمن استجابة أقل.

اتجاهات البحث المستقبلية

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

تحلل هذه التقرير بالتفصيل مزايا وعيوب بروتوكول الإجماع في البلوكتشين غير المتزامن الحالي، وتقترح نوعين جديدين من تصميم البروتوكول، وهما 2PAC وكتل التدفق السريع للغاية. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة الإنتاجية وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطوير تكنولوجيا البلوكتشين في المستقبل. لا تثبت هذه البروتوكولات الجديدة تفوقها فقط من الناحية النظرية، بل تعرض أيضًا أداءً رائعًا في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحقيق بروتوكول إجماع البلوكتشين بشكل فعال وآمن.

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