أحدث التطورات والتطبيقات في بروتوكولات توافق الآراء في البلوكشين

تستكشف هذه التقرير حالة تطوير بروتوكولات توافق البلوكشين، مع التركيز على تحليل أحدث التقدم في بروتوكول تكرار الحالة المعتمد على التسامح مع الأخطاء في بيزنطة غير المتزامنة (BFT SMR). حاليا، يُعتبر sMVBA أسرع بروتوكول MVBA غير المتزامن، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما تقدم التقرير تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC (التوافق غير المتزامن على مرحلتين) و"كتل التدفق الفائق السريع"، والتي أظهرت تحسينات ملحوظة في معدل الإنتاجية والتأخير.

تُعتبر تقنية blockchain كنوع من تقنيات السجلات الموزعة غير المركزية، حيث تضمن آلية الإجماع سلامة البيانات وتوافقها. تُعتبر آلية الإجماع هي جوهر نظام blockchain، وأداؤها يؤثر مباشرة على قابلية توسيع blockchain وأمانه. تتمتع آلية إجماع BFT (تحمل أخطاء بيزنطية غير متزامنة) بمزايا فريدة في التعامل مع تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، لذلك أصبحت محور البحث.

النماذج والتعريفات

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

توافق الآراء في البلوكشين

تهدف بروتوكولات توافق سلسلة الكتل إلى جعل جميع العقد الصادقة تتوصل إلى توافق بشأن حالة سلسلة الكتل. تتلقى كل عقدة باستمرار معاملات جديدة وتجمعها في كتل، من خلال بروتوكول التوافق لضمان توافق هذه الكتل بين جميع العقد الصادقة. تحتاج بروتوكولات توافق سلسلة الكتل إلى تلبية المتطلبات الأساسية مثل النشاط، والتناسق، وP الجودة.

تحديات بروتوكول الإجماع غير المتزامن الحالي

توجد طرق هجوم متعددة للبروتوكولات الأسرع في التوافق غير المتزامن حاليًا، مما قد يهدد اتساقها وفعاليتها. تشمل هذه المشكلات الهجمات الناتجة عن نقص التحقق من التوثيق، والهجمات التي تعيق الفعالية من خلال استغلال استراتيجيات التعزيز، والهجمات التي تهدد الاتساق نتيجة لتخفيف تعريف توثيق القادة. على الرغم من إدخال بعض الآليات الجديدة، مثل التشغيل المتوازي لعدة مثيلات متوازية، إلا أنها لم تتمكن بعد من حل هذه المشكلات بالكامل.

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

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC. يعمل هذا البروتوكول على تحسين العملية التوافقية من خلال تبسيطها، مما يزيد بشكل كبير من الأداء. ويتضمن ذلك نوعين فرعيين:

1. 2PAClean: حقق أكثر من 90% من خلال معدل الإرسال و9.5δ 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 توافق على blockchain حاليًا مع تعقيد رسائل O(n³). وقت تشغيل MVBA بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط التجميع السريع للغاية

اقترح الباحثون تصميمًا جديدًا لكتل التدفق، مما يقلل بشكل كبير من تأخير كتل التدفق. من خلال إدخال آلية المسار السريع، تحت جدولة عادلة، فإن وقت اتخاذ القرار لكتل التدفق أقل حتى من كتل التدفق غير الموجودة. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في جميع التنفيذات، ولا تتأثر بسلوك العمليات الفاشلة.

نتائج الكوانت

من خلال التحليل النظري والاختبار الفعلي، 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. إن إنتاجية 2PAClean مقارنة بـ sMVBA المتسلسل زادت بنسبة 80% إلى 100%، وذلك يرجع أساسًا إلى تجنب التصميم الجديد للإسقاطات غير الضرورية للكتل والتكاليف الحسابية.

2PACBIG كبروتوكول بتعقيد رسالة O(n³)، فإن زمن تشغيل MVBA الواحد له هو 4δ، مما يجعله أسرع من جميع البروتوكولات الحالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن تصميم الكتل السريعة للغاية يسمح لـ s2PAClean و s2PACBIG بتحقيق أوقات اتخاذ القرار لكتل التدفق البيني تبلغ 4δ و 3δ على التوالي، مما يعزز أداء البروتوكول.

تقييم الحساب

لتحقيق أداء البروتوكول الجديد، أجرت الباحثون تقييمات حسابية شاملة. أظهرت النتائج أن 2PAClean و 2PACBIG أظهروا أداءً ممتازًا في ظل ظروف الشبكة المتنوعة، وخصوصًا في البيئات ذات التأخير العالي ومعدل الفشل العالي. حقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحسابات، بينما حقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التوازي وتحسين عملية التصويت.

مع التطور المستمر لتكنولوجيا blockchain، ستلعب بروتوكولات إجماع BFT غير المتزامنة دورًا متزايد الأهمية في ضمان الأمان وتحسين الأداء. تُظهر تصاميم 2PAC وكتل الأنابيب الفائقة السرعة اتجاه تطوير بروتوكولات إجماع blockchain في المستقبل، أي من خلال تبسيط هيكل البروتوكول وتحسين عملية الإجماع لتحقيق إنتاجية أعلى وزمن انتقال أقل.

اتجاهات البحث المستقبلية

1. تحسين البروتوكول: تبسيط وتحسين هيكل البروتوكول بشكل أكبر، وتقليل الرسائل غير الضرورية والأعباء الحسابية.

2. تحليل الأمان: تحليل عميق لأمان البروتوكول الجديد في سيناريوهات الهجوم المختلفة، لضمان موثوقيته في التطبيقات العملية.

3. التطبيق العملي: تطبيق البروتوكول الجديد في أنظمة blockchain الفعلية، والتحقق من أدائه في بيئة الشبكة الحقيقية.

تقدم هذه التقرير تحليلاً مفصلاً لمزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة الحالية في سلسلة الكتل، ويقترح تصميمين جديدين للبروتوكول، وهما 2PAC وكتل التدفق السريع الفائق. تظهر التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة الإنتاجية وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطوير تقنيات سلسلة الكتل في المستقبل. لم تثبت هذه البروتوكولات الجديدة تفوقها نظريًا فحسب، بل أظهرت أيضًا أداءً ممتازًا في الاختبارات العملية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحقيق بروتوكولات إجماع سلسلة الكتل بشكل فعال وآمن.

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