یک مکانیزم اجماع مبتنی بر دو زنجیره برای بلاک‌چین: Con_DC_PBFT

1. مقدمه و مرور کلی

مکانیزم‌های اجماع، هسته بنیادین سیستم‌های بلاک‌چین هستند که توافق غیرمتمرکز بر روی وضعیت دفتر کل را تضمین می‌کنند. در کاربردهای بلاک‌چین "غیرارزی" (مانند زنجیره تأمین، سوابق بهداشتی)، مکانیزم‌های سنتی مانند اثبات کار (PoW) اغلب به دلیل مصرف انرژی بالا و تأخیر، نامناسب هستند. مکانیزم‌های ترکیبی مانند اثبات مشارکت + اثبات کار (PoC+PoW) پیشنهاد شده‌اند اما از ناکارآمدی، پایایی کم و سربار منابع قابل توجه رنج می‌برند.

این مقاله Con_DC_PBFT را معرفی می‌کند، یک مکانیزم اجماع نوآورانه مبتنی بر یک معماری دو زنجیره‌ای که با یک گونه از تحمل خطای بیزانسی عملی (PBFT) یکپارچه شده است. نوآوری اصلی آن جداسازی فراداده‌های سیستم (مقادیر مشارکت) و داده‌های تجاری هسته بر روی دو زنجیره مجزا اما هماهنگ است که پردازش موازی و بهبود عملکرد را ممکن می‌سازد.

2. مکانیزم هسته: Con_DC_PBFT

مکانیزم Con_DC_PBFT حول جداسازی ساختاریافته وظایف بین دو زنجیره ساخته شده است: زنجیره سیستم و زنجیره تجاری.

3. جزئیات فنی و مدل ریاضی

احتمال انتخاب یک گره $i$ به عنوان اعتبارسنج برای زنجیره تجاری در یک دوره، تابعی از مقدار مشارکت آن $CV_i$ نسبت به کل شبکه است.

احتمال انتخاب: احتمال $P_i$ به این صورت مدل می‌شود: $$P_i = \frac{f(CV_i)}{\sum_{j=1}^{N} f(CV_j)}$$ که در آن $f(CV_i)$ یک تابع وزنی است، معمولاً یک softmax یا یک تابع توان نرمال‌شده (مثلاً $f(CV_i) = (CV_i)^\alpha$ با $\alpha \approx 1$). این اطمینان می‌دهد که گره‌های با مشارکت بالاتر احتمال بیشتری برای انتخاب دارند، اما تصادفی بودن حاصل از VRF از نتایج قطعی جلوگیری می‌کند.

به‌روزرسانی مقدار مشارکت: پس از یک دور اجماع موفق، $CV_i$ به‌روزرسانی می‌شود: $$CV_i^{t+1} = \lambda \cdot CV_i^{t} + (1-\lambda) \cdot R_i^{t}$$ که در آن $\lambda$ یک عامل تضعیف (مثلاً ۰.۹) برای ترجیح رفتار اخیر است، و $R_i^{t}$ پاداش مشارکت در دوره $t$ است که می‌تواند مقدار ثابتی باشد یا بر اساس نقش گره مقیاس شود.

تحمل خطا: اجماع مشتق‌شده از PBFT روی زنجیره تجاری نیازمند حداقل $2f+1$ گره صادق از کل $3f+1$ گره برای تحمل $f$ خطای بیزانسی است و آستانه دشمنی استاندارد $\frac{1}{3}$ را حفظ می‌کند.

4. نتایج آزمایش و عملکرد

مقاله یک تحلیل آزمایشی جامع ارائه می‌دهد که Con_DC_PBFT را در برابر مکانیزم پایه PoC+PoW مقایسه می‌کند. معیارهای کلیدی عملکرد تحت شرایط مختلف ارزیابی شدند.

توضیح نمودار و نتایج: آزمایش‌ها شبکه‌هایی با اندازه‌های مختلف (۱۰ تا ۱۰۰ گره) را شبیه‌سازی کردند. نتایج اولیه به شرح زیر خلاصه می‌شود:

• توان عملیاتی در مقابل تعداد گره: Con_DC_PBFT با افزایش تعداد گره، توان عملیاتی تراکنش بالاتری نسبت به PoC+PoW حفظ کرد و مقیاس‌پذیری بهتری نشان داد. طراحی دو زنجیره‌ای مانع از رشد سربار پیام‌رسانی اجماع به صورت درجه دو با تعداد گره شد، زیرا فقط کمیته انتخاب‌شده به طور فشرده در PBFT زنجیره تجاری مشارکت می‌کند.
• تأخیر تحت بار: تأخیر اجماع سرتاسری (از ارسال تراکنش تا قطعیت) برای Con_DC_PBFT به طور مداوم ۳۰ تا ۴۰٪ کمتر از PoC+PoW بود، به ویژه تحت نرخ‌های بالای تراکنش. اثر خط لوله بین زنجیره‌ها زمان بیکاری را کاهش می‌دهد.
• استفاده از منابع: ردپای حافظه و ذخیره‌سازی برای گره‌های Con_DC_PBFT بیش از ۵۰٪ کمتر بود. این امر به دلیل نیاز PoC+PoW برای ذخیره و محاسبه تمام معماهای کار توسط همه گره‌ها است، در حالی که در Con_DC_PBFT، فقط زنجیره سیستم تاریخچه CV را ذخیره می‌کند و بار کاری زنجیره تجاری توزیع می‌شود.
• تحمل خطا: نرخ شکست تک‌نقطه‌ای سیستم حتی با معرفی گره‌های خرابکار پایین باقی ماند، که امنیت انتخاب تصادفی مبتنی بر CVهای کدر را تأیید می‌کند.

5. چارچوب تحلیل و مثال موردی

چارچوب برای ارزیابی مکانیزم‌های اجماع: هنگام تحلیل یک پیشنهاد اجماع جدید مانند Con_DC_PBFT، یک چارچوب ساختاریافته ضروری است. این محورها را در نظر بگیرید:

1. عدم تمرکز در مقابل کارایی: آیا مکانیزم یکی را فدای دیگری می‌کند؟ Con_DC_PBFT برای تنظیمات مجاز به سمت کارایی تمایل دارد.
2. فرضیات امنیتی: آستانه خطا چیست؟ بردارهای حمله (مانند Sybil، grinding) کدامند؟
3. پروفایل منابع: نیازهای محاسبات، ذخیره‌سازی، پهنای باند شبکه.
4. قطعیت و تأخیر: قطعیت احتمالی در مقابل قطعی؟ زمان تا قطعیت.
5. قابلیت کاربرد: مناسب برای سیستم‌های عمومی در مقابل خصوصی، ارزی در مقابل غیرارزی.

مثال موردی غیرکد: ردیابی اصالت در زنجیره تأمین

یک بلاک‌چین کنسرسیومی برای ردیابی کالاهای باارزش (مانند داروها) را در نظر بگیرید.

• زنجیره تجاری: تراکنش‌های تغییرناپذیر را ثبت می‌کند: "تولیدکننده X محموله Y را در زمان T به توزیع‌کننده Z ارسال کرد."
• زنجیره سیستم: اعتبار (مقدار مشارکت) هر مشارکت‌کننده (تولیدکننده X، توزیع‌کننده Z، حسابرس A) را مدیریت می‌کند. CV یک مشارکت‌کننده با ارسال داده‌های دقیق و به موقع افزایش و با تأخیر یا اختلاف کاهش می‌یابد.
• جریان اجماع: هنگامی که یک محموله جدید نیاز به ثبت دارد، زنجیره سیستم به طور تصادفی یک کمیته از گره‌های با CV بالا (مثلاً شامل حسابرس A و دو توزیع‌کننده معتبر) را برای اجرای دور PBFT برای زنجیره تجاری انتخاب می‌کند. این امر اجماع سریع و قابل اعتماد بین طرف‌های مورد اعتماد برای آن تراکنش خاص را تضمین می‌کند، در حالی که زنجیره سیستم CVها را متناسب با آن به‌روزرسانی می‌کند. این جداسازی مانع از آن می‌شود که جریان داده اصالت توسط سربار محاسبه اعتبار گرفتار شود.

6. کاربردهای آینده و جهت‌گیری‌ها

معماری Con_DC_PBFT به ویژه برای چندین حوزه در حال تکوع امیدوارکننده است:

• متاورس و مدیریت دارایی دیجیتال: مدیریت تعاملات پیچیده و پرتکرار بین هویت‌های کاربری، مالکیت دارایی (NFTها) و به‌روزرسانی‌های وضعیت جهان، نیازمند یک دفتر کل مقیاس‌پذیر و کم‌تأخیر است. یک معماری دو زنجیره‌ای می‌تواند هویت/اعتبار (زنجیره سیستم) را از گزارش‌های انتقال دارایی (زنجیره تجاری) جدا کند.
• شبکه‌های اینترنت اشیا و رایانش لبه: دستگاه‌های اینترنت اشیای با منابع محدود می‌توانند به عنوان کلاینت‌های سبک برای زنجیره تجاری عمل کنند، در حالی که سرورهای لبه قدرتمندتر زنجیره سیستم را نگهداری و وظایف اجماع را انجام می‌دهند و استفاده کلی از منابع شبکه را بهینه می‌سازند.
• علم غیرمتمرکز (DeSci) و اعتبارسنجی آکادمیک: یک زنجیره سیستم می‌تواند اعتبارات داوری همتا و مشارکت‌کنندگان را مدیریت کند، در حالی که یک زنجیره تجاری داده‌های پژوهشی، کد و سوابق انتشار را به طور تغییرناپذیر ثبت می‌کند.

جهت‌گیری‌های پژوهشی آینده:

1. امنیت ارتباط بین زنجیره‌ای: تأیید صوری پروتکل‌های عبور پیام و همگام‌سازی وضعیت بین دو زنجیره بسیار مهم است.
2. اندازه‌گیری پویای کمیته: تطبیق اندازه کمیته اعتبارسنج زنجیره تجاری بر اساس بار شبکه و نیازهای امنیتی.
3. یکپارچه‌سازی با اثبات‌های دانش صفر: استفاده از ZKPها برای اجازه به گره‌ها جهت اثبات دارا بودن CV بالا برای انتخاب، بدون افشای مقدار دقیق، که حریم خصوصی را افزایش می‌دهد.
4. قابلیت همکاری: بررسی اینکه چگونه زنجیره سیستم می‌تواند به عنوان لنگر اعتماد برای اتصال چندین زنجیره تجاری مستقل (تکه‌های خاص برنامه) عمل کند.

7. مراجع

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. دیدگاه تحلیلگر