آلية إجماع قائمة على سلسلتين للبلوك تشين: Con_DC_PBFT

1. المقدمة والنظرة العامة

تُمثل آليات الإجماع القلب النابض لأنظمة البلوك تشين، فهي تضمن التوافق اللامركزي على حالة السجل الموزع. في تطبيقات البلوك تشين "غير النقدية" (مثل سلاسل التوريد، والسجلات الصحية)، غالبًا ما تكون الآليات التقليدية مثل إثبات العمل (PoW) غير مناسبة بسبب استهلاكها العالي للطاقة وزمن الانتقال الطويل. تم اقتراح آليات هجينة مثل إثبات المساهمة + إثبات العمل (PoC+PoW) لكنها تعاني من عدم الكفاءة، وانخفاض الموثوقية، وحمل موارد كبير.

تقدم هذه الورقة البحثية Con_DC_PBFT، وهي آلية إجماع جديدة قائمة على بنية السلسلتين المزدوجتين المدمجة مع نوع من آلية التسامح العملية مع الأعطال البيزنطية (PBFT). تكمن ابتكاريتها الأساسية في فصل بيانات النظام الوصفية (قيم المساهمة) عن بيانات الأعمال الأساسية على سلسلتين متميزتين لكنهما متنسقتان، مما يتيح المعالجة المتوازية وتحسين الأداء.

2. الآلية الأساسية: Con_DC_PBFT

تُبنى آلية Con_DC_PBFT حول فصل منظم للمسؤوليات بين سلسلتين: سلسلة النظام وسلسلة الأعمال.

3. التفاصيل التقنية والنموذج الرياضي

احتمالية اختيار العقدة $i$ كمدققة لسلسلة الأعمال في فترة زمنية هي دالة لقيمة مساهمتها $CV_i$ نسبة إلى المجموع الكلي للشبكة.

احتمالية الاختيار: يتم نمذجة الاحتمالية $P_i$ على النحو التالي: $$P_i = \frac{f(CV_i)}{\sum_{j=1}^{N} f(CV_j)}$$ حيث $f(CV_i)$ هي دالة ترجيح، عادةً ما تكون softmax أو دالة قوة معيارية (مثل $f(CV_i) = (CV_i)^\alpha$ مع $\alpha \approx 1$). وهذا يضمن أن العقد ذات المساهمات الأعلى تكون أكثر احتمالية للاختيار، لكن العشوائية من VRF تمنع النتائج الحتمية.

تحديث قيمة المساهمة: بعد جولة إجماع ناجحة، يتم تحديث $CV_i$: $$CV_i^{t+1} = \lambda \cdot CV_i^{t} + (1-\lambda) \cdot R_i^{t}$$ حيث $\lambda$ هو عامل تضاؤل (مثل 0.9) لتفضيل السلوك الحديث، و $R_i^{t}$ هو المكافأة للمشاركة في الفترة الزمنية $t$، والتي يمكن أن تكون مبلغًا ثابتًا أو متناسبًا مع دور العقدة.

التسامح مع الأعطال: يتطلب الإجماع المشتق من PBFT على سلسلة الأعمال على الأقل $2f+1$ عقدة صادقة من أصل $3f+1$ إجماليًا لتحمل $f$ عطل بيزنطي، مع الحفاظ على عتبة الخصم القياسية $\frac{1}{3}$.

4. النتائج التجريبية والأداء

تقدم الورقة تحليلاً تجريبيًا شاملاً يقارن Con_DC_PBFT بآلية PoC+PoW الأساسية. تم تقييم مقاييس الأداء الرئيسية تحت ظروف مختلفة.

وصف الرسم البياني والنتائج: قامت التجارب بمحاكاة شبكات بأحجام مختلفة (10-100 عقدة). تم تلخيص النتائج الأساسية على النحو التالي:

• معدل الإنتاجية مقابل عدد العقد: حافظ Con_DC_PBFT على معدل إنتاجية معاملات أعلى من PoC+PoW مع زيادة عدد العقد، مما يُظهر قابلية توسع أفضل. منع تصميم السلسلتين المزدوجتين حمل رسائل الإجماع من النمو بشكل ترباعي مع عدد العقد، حيث تشارك فقط اللجنة المختارة بشكل مكثف في PBFT لسلسلة الأعمال.
• زمن الانتقال تحت الحمل: كان تأخير الإجماع من البداية إلى النهاية (من تقديم المعاملة إلى النهائية) لـ Con_DC_PBFT أقل باستمرار بنسبة 30-40% من PoC+PoW، خاصة تحت معدلات المعاملات العالية. يقلل تأثير خط الأنابيب بين السلسلتين من وقت الخمول.
• استخدام الموارد: كان استهلاك الذاكرة والتخزين لعقد Con_DC_PBFT أقل بأكثر من 50%. يُعزى ذلك إلى متطلبات PoC+PoW بأن تقوم جميع العقد بتخزين وحساب ألغاز العمل الكاملة، بينما في Con_DC_PBFT، تقوم فقط سلسلة النظام بتخزين سجل CV، ويتم توزيع حمل عمل سلسلة الأعمال.
• التسامح مع الأعطال: ظل معدل فشل النقطة الواحدة في النظام منخفضًا حتى مع إدخال عقد خبيثة، مما يتحقق من أمان الاختيار العشوائي القائم على قيم CV غير الشفافة.

5. إطار التحليل ومثال تطبيقي

إطار عمل لتقييم آليات الإجماع: عند تحليل اقتراح إجماع جديد مثل Con_DC_PBFT، فإن إطار عمل منظم أمر ضروري. ضع في اعتبارك هذه المحاور:

1. اللامركزية مقابل الكفاءة: هل تضحي الآلية بأحدهما لصالح الآخر؟ يميل Con_DC_PBFT نحو الكفاءة للإعدادات المُصرَّح بها.
2. افتراضات الأمان: ما هي عتبة العطل؟ ما هي نواقل الهجوم (مثل Sybil، grinding)؟
3. ملف الموارد: متطلبات الحوسبة، التخزين، عرض النطاق الترددي للشبكة.
4. النهائية وزمن الانتقال: نهائية احتمالية أم حتمية؟ الوقت حتى النهائية.
5. القابلية للتطبيق: ملاءمة للأنظمة العامة مقابل الخاصة، النقدية مقابل غير النقدية.

مثال تطبيقي غير برمجي: تتبع أصل المنتج في سلسلة التوريد

فكر في بلوك تشين اتحادي لتتبع السلع عالية القيمة (مثل المستحضرات الصيدلانية).

• سلسلة الأعمال: تسجل المعاملات الثابتة: "شحنت الشركة المصنعة X الدفعة Y إلى الموزع Z في الوقت T."
• سلسلة النظام: تدير السمعة (قيمة المساهمة) لكل مشارك (الشركة المصنعة X، الموزع Z، المدقق A). تزداد قيمة المساهمة للمشارك مع تقديم بيانات دقيقة وفي الوقت المناسب وتنخفض للتأخيرات أو النزاعات.
• تدفق الإجماع: عندما تحتاج شحنة جديدة إلى التسجيل، تختار سلسلة النظام عشوائيًا لجنة من العقد ذات قيم مساهمة عالية (مثل تضمين المدقق A وموزعين موثوقين) لتشغيل جولة PBFT لسلسلة الأعمال. وهذا يضمن إجماعًا سريعًا وموثوقًا بين الأطراف الموثوقة لتلك المعاملة المحددة، بينما تقوم سلسلة النظام بتحديث قيم المساهمة وفقًا لذلك. يمنع الفصل تدفق بيانات الأصل من التباطؤ بسبب حمل حساب السمعة.

6. التطبيقات المستقبلية والاتجاهات

هندسة Con_DC_PBFT واعدة بشكل خاص للعديد من المجالات المتطورة:

• الميتافيرس وإدارة الأصول الرقمية: تتطلب إدارة التفاعلات المعقدة عالية التردد بين هويات المستخدمين، وملكية الأصول (NFTs)، وتحديثات حالة العالم سجلًا موزعًا قابلًا للتوسع وذو زمن انتقال منخفض. يمكن لسلسلة مزدوجة فصل الهوية/السمعة (سلسلة النظام) عن سجلات تحويل الأصول (سلسلة الأعمال).
• شبكات إنترنت الأشياء والحوسبة الطرفية: يمكن لأجهزة إنترنت الأشياء محدودة الموارد أن تعمل كعملاء خفيفين لسلسلة الأعمال، بينما تحافظ خوادم الطرف الأقوى على سلسلة النظام وتقوم بواجبات الإجماع، مما يحسن استخدام موارد الشبكة الكلية.
• العلوم اللامركزية (DeSci) وإصدار الشهادات الأكاديمية: يمكن لسلسلة النظام إدارة سمعة مراجعة الأقران واعتمادات المساهمين، بينما تسجل سلسلة الأعمال بيانات البحث، والشفرة البرمجية، وسجلات النشر بشكل ثابت.

اتجاهات البحث المستقبلية:

1. أمان الاتصال بين السلاسل: التحقق الرسمي من بروتوكولات تمرير الرسائل ومزامنة الحالة بين السلسلتين أمر بالغ الأهمية.
2. تغيير حجم اللجنة ديناميكيًا: تكييف حجم لجنة مدققات سلسلة الأعمال بناءً على حمل الشبكة ومتطلبات الأمان.
3. التكامل مع براهين المعرفة الصفرية: استخدام ZKPs للسماح للعقد بإثبات امتلاكها لقيمة مساهمة عالية للاختيار دون الكشف عن القيمة الدقيقة، مما يعزز الخصوصية.
4. القدرة على التشغيل البيني: استكشاف كيف يمكن لسلسلة النظام أن تعمل كمرساة ثقة لربط سلاسل أعمال مستقلة متعددة (شظايا خاصة بالتطبيق).

7. المراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Castro, M., & Liskov, B. (1999). Practical Byzantine Fault Tolerance. OSDI.
3. Zhu, L., et al. (2021). A Survey on Blockchain Consensus Mechanisms. IEEE Access.
4. Buterin, V., et al. (2014). Ethereum White Paper.
5. Hyperledger Foundation. (2023). Hyperledger Architecture, Volume 2. https://www.hyperledger.org.
6. IEEE Blockchain Initiative. (2022). Blockchain for Non-Financial Applications. https://blockchain.ieee.org.
7. Wang, G., et al. (2022). SoK: Sharding on Blockchain. ACM Computing Surveys.

8. وجهة نظر المحلل