أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكول إجماع البلوكتشين

ملخص التقرير

تستكشف هذه التقرير بعمق حالة تطوير بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين، مع التركيز على تحليل أحدث التقدم في بروتوكول النسخ المتزامن المقاوم للأخطاء البيزنطية غير المتزامن (BFT SMR). في الوقت الحالي، يُعتبر sMVBA أسرع بروتوكول MVBA غير المتزامن، مع تأخير متوقع قدره 10δ. كما يقدم التقرير تصميمين مبتكرين للبروتوكول: 2PAC (الإجماع غير المتزامن من مرحلتين) وكتلة السلسلة الفائقة السريعة، حيث تظهر هذه التصاميم الجديدة تحسناً ملحوظاً في السعة والانتظار.

نظرة عامة على آلية إجماع البلوكتشين

تكنولوجيا البلوكتشين كنوع من تقنيات السجلات الموزعة اللامركزية، تضمن من خلال آلية الإجماع سلامة البيانات وتناسقها. آلية الإجماع هي جوهر أنظمة البلوكتشين، تؤثر بشكل مباشر على قابلية التوسع والأمان. تتمتع آلية الإجماع لبروتوكول التحمل البيزنطي غير المتزامن (BFT) بمزايا فريدة في مواجهة تأخيرات الشبكة وفشل بعض العقد، لذا أصبحت محور البحث.

النموذج والتعريف

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث قد يتم التلاعب بـ f من العمليات. تتواصل هذه العمليات مع بعضها البعض من خلال قنوات غير متزامنة، وتتحكم الخصوم في تأخير نقل الرسائل. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة للاستخدام في التوقيع والتحقق، لضمان صحة الرسائل وسلامتها.

متطلبات إجماع البلوكتشين

البلوكتشين الإجماع بروتوكول يحتاج إلى تلبية المتطلبات الأساسية التالية:

1. النشاط: في التنفيذ اللامحدود، توجد سلسلة بلوكتشين طويلة غير محدودة تم تحديدها.
2. التناسق: إذا كانت هناك سلسلتان من البلوكتشين قد تم تحديدهما، يجب أن تكون إحداهما سابقة للأخرى.
3. جودة P: في البلوكتشين الذي تم تحديده، يجب أن تمثل المعاملات المدخلة من قبل العقد الصادقة ما لا يقل عن p.

التحديات الحالية لبروتوكول الإجماع غير المتزامن

على الرغم من أن بعض البروتوكولات قد أدخلت آليات جديدة، مثل تنفيذ متعدد متوازي، إلا أنه لا تزال هناك مشكلات مثل نقص التحقق من المصادقة، واستخدام استراتيجيات تعزيز تعيق النشاط، وتخفيف تعريف مصادقة القادة، وهذه المشكلات قد تؤدي إلى تدمير الإجماع والنشاط.

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

استنادًا إلى تحليل البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC، والذي يتضمن نوعين مختلفين:

1. 2PAClean:

   • تم تحقيق أكثر من 90% من القدرة الاستيعابية 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 بقدرة تعقيد رسائل تبلغ O(n³).
   • زمن تشغيل MVBA لمرة واحدة بدون أعطال هو 4δ، مما يقلل بشكل كبير من التأخير.

خط تجميع كتلة فائق السرعة

اقترح الباحثون تصميم كتلة خط أنابيب جديد، من خلال إدخال آلية المسار السريع، مما يقلل بشكل كبير من تأخير كتلة خط الأنابيب. تحت جدول زمني عادل، قد يكون وقت اتخاذ القرار لكتلة خط الأنابيب أقل حتى من كتلة غير خط الأنابيب.

نتائج الكمية

من خلال التحليل النظري والاختبار العملي، فإن التأخير المتوقع في أسوأ الحالات لـ 2PAClean هو 9.5δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. بالمقارنة، فإن التأخير المتوقع لـ sMVBA هو 10δ، وفي الحالات الجيدة هو 6δ. إن إنتاجية 2PAClean زادت بنسبة 80% إلى 100% مقارنة بـ sMVBA المتسلسلة.

مدة تشغيل MVBA لمرة واحدة لـ 2PACBIG هي 4δ، أسرع من البروتوكول الحالي. تصميم كتلة خط أنابيب فائق السرعة يمكّن s2PAClean و s2PACBIG من تحقيق أوقات قرار كتلة خط الأنابيب تبلغ 4δ و 3δ على التوالي.

تقييم الحساب

أظهرت التقييمات الحسابية الواسعة أن 2PAClean و 2PACBIG يظهران أداءً ممتازًا تحت ظروف الشبكة المختلفة، خاصةً في البيئات ذات الكمون العالي ومعدل الفشل العالي. يحقق 2PAClean توازنًا جيدًا بين تأخير الرسائل وتعقيد الحسابات، بينما يحقق 2PACBIG تأخيرًا أقل من خلال التوازي وتحسين عملية التصويت.

اتجاهات البحث المستقبلية

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

الاستنتاج

يحلل هذا التقرير بالتفصيل مزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع في البلوكتشين غير المتزامنة الحالية، ويقترح تصميمين جديدين للبروتوكول: 2PAC وكتلة خط الأنابيب السريع للغاية. تظهر هذه التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة القدرة على المعالجة وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعًا مهمًا لتطوير تقنيات البلوكتشين في المستقبل. من خلال البحث المستمر والتحسين، من المتوقع أن تلعب تقنيات البلوكتشين دورًا أكثر أهمية في الاقتصاد الرقمي في المستقبل، بينما ستوفر بروتوكولات الإجماع من الجيل الجديد أساسًا قويًا لتطوير هذه التقنية.