أحدث التطورات والتطبيقات لبروتوكولات توافق آراء البلوكشين

تعتبر تقنية blockchain كتمثيل لتقنية دفتر الأستاذ الموزع غير المركزي، حيث يكمن جوهرها في آلية الإجماع. تؤثر أداء آلية الإجماع بشكل مباشر على قابلية توسيع نظام blockchain وأمانه. في الآونة الأخيرة، أصبحت آلية الإجماع المعروفة بتسامح بيزنطي غير متزامن (BFT) نقطة بحثية ساخنة بفضل مزاياها في التعامل مع تأخيرات الشبكة وفشل العقد.

ستتناول هذه المقالة التطورات الحالية في بروتوكولات توافق الآراء في سلسلة الكتل، مع التركيز على التحليل الأحدث لبروتوكول النسخة المتكررة لمحاكاة بزيانطة المقاومة للأخطاء غير المتزامنة (BFT SMR). حالياً، أصبح بروتوكول sMVBA هو أسرع بروتوكول MVBA غير متزامن مع تأخير متوقع قدره 10δ. سنقدم أيضًا تصميمين جديدين للبروتوكول: 2PAC (التوافق غير المتزامن في مرحلتين) وكتل التدفق الفائق السريع، حيث أظهرت هذه التصاميم تحسينات ملحوظة في السعة الزمنية والتأخير.

أساس توافق سلسلة الكتل

في نموذج BFT غير المتزامن، يتكون النظام من n = 3f + 1 عملية، حيث يمكن أن تتعرض f عملية للتخريب الخبيث. تتواصل العمليات عبر قنوات غير متزامنة، وتأخير نقل الرسائل غير قابل للتنبؤ. تمتلك كل عملية زوجًا من المفاتيح العامة والخاصة، تُستخدم للتوقيع والتحقق، لضمان صحة الرسائل وسلامتها.

الهدف من بروتوكول توافق البلوكشين هو جعل جميع العقد الصادقة تتفق على حالة البلوكشين. تشمل المتطلبات الرئيسية ما يلي:

1. النشاط: في التنفيذ غير المحدود، توجد سلسلة كتل محددة بطول غير محدود.
2. التوافقية: يجب أن تكون أي سلسلتي كتل قد تم تحديدهما، واحدة منهما هي سابقة للأخرى.
3. جودة P: تم تحديد أنه في سلسلة الكتل، يجب أن تشكل المعاملات المدخلة من العقد الصادقة نسبة لا تقل عن p.

تحديات بروتوكولات الإجماع غير المتزامنة الحالية

على الرغم من أن بروتوكول VABA ثنائي السلسلة كان يعتبر أسرع بروتوكول إجماع غير متزامن، مع تأخير متوقع قدره 9.5δ، إلا أن الأبحاث كشفت عن وجود العديد من الثغرات الأمنية، بما في ذلك:

1. الهجمات الناتجة عن نقص فحص الاعتماد
2. استخدام استراتيجيات التعزيز لعرقلة هجمات النشاط
3. الهجمات المتسقة الناجمة عن توسيع تعريف اعتماد القادة

تؤثر هذه المشكلات بشكل خطير على موثوقية وكفاءة البروتوكول.

تصميم البروتوكول الجديد: 2PAC

لحل عيوب البروتوكولات الحالية، اقترح الباحثون بروتوكول 2PAC، الذي يتضمن نوعين مختلفين:

2PAClean

• تحقيق +90% من القدرة الاستيعابية و9.5δ من التأخير المتوقع
• تعقيد الرسالة هو O(n²)
• تحسين الكفاءة من خلال تحسين عملية الإجماع

2PACBIG

• تعقيد الرسالة هو O(n³) لأسرع بروتوكول توافق في البلوكشين
• زمن تشغيل MVBA مرة واحدة بدون أعطال هو 4δ فقط

خط إنتاج سريع للغاية

يقلل هذا التصميم المبتكر بشكل كبير من تأخير كتل التدفق. تحت المجدول العادل، قد يكون وقت اتخاذ القرار لكتل التدفق أقل حتى من كتل غير التدفق. تضمن هذه الآلية تأخير المسار السريع في بيئات التنفيذ المختلفة، دون تأثرها بالعمليات المعطلة.

تقييم الأداء

تشير التحليلات النظرية والاختبارات العملية إلى أن:

• 2PAClean: أسوأ حالة متوقعة تأخير 9.5δ، حالة جيدة 6δ
• sMVBA: تأخير متوقع 10δ، حالة جيدة 6δ
• 2PAClean يرفع الإنتاجية بنسبة 80%-100% مقارنةً بـ sMVBA على السلسلة
• مدة تشغيل 2PACBIG لمرة واحدة MVBA هي 4δ ، متقدمة على جميع البروتوكولات الحالية.
• زمن اتخاذ القرار في سلسلة السلاسل s2PAClean و s2PACBIG هو 4δ و 3δ على التوالي

أظهرت تقييمات الحساب أن 2PAClean و 2PACBIG يؤديان بشكل ممتاز في ظروف الشبكة المختلفة، وخاصة في بيئات ذات تأخير عالٍ ومعدل فشل مرتفع.

اتجاهات البحث المستقبلية

1. تحسين البروتوكول: تبسيط الهيكل بشكل أكبر، وتقليل تكاليف نقل الرسائل والحساب.
2. تحليل الأمان: دراسة متعمقة لأمان البروتوكول الجديد في سيناريوهات الهجوم المختلفة
3. التطبيق الفعلي: تطبيق البروتوكول الجديد على أنظمة blockchain الفعلية، والتحقق من أدائه في بيئة الشبكة الحقيقية.

الاستنتاج

تقوم هذه الدراسة بتحليل مفصل لمزايا وعيوب بروتوكولات الإجماع على سلسلة الكتل غير المتزامنة الحالية، وتقديم تصميمين جديدين للبروتوكول وهما 2PAC وكتل التدفق السريع الفائق. تظهر هذه التصاميم الجديدة مزايا ملحوظة في زيادة السعة وتقليل التأخير، مما يوفر مرجعاً مهماً لتطوير تقنية سلسلة الكتل في المستقبل. مع تعمق البحث وتحسين التقنية، ستؤسس بروتوكولات الإجماع من الجيل الجديد قاعدة صلبة لتطبيق تقنية سلسلة الكتل في الاقتصاد الرقمي.