ब्लॉकचेन के लिए एक द्वि-श्रृंखला आधारित सहमति तंत्र: Con_DC_PBFT

1. परिचय

सहमति तंत्र वह मूलभूत प्रौद्योगिकी है जो विकेंद्रीकृत ब्लॉकचेन प्रणालियों में विश्वास और समन्वय को सक्षम बनाती है। जहाँ प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoW) और प्रूफ-ऑफ-स्टेक (PoS) क्रिप्टोकरेंसी ब्लॉकचेन पर हावी हैं, वहीं उनकी उच्च ऊर्जा खपत और विलंबता आपूर्ति श्रृंखला ट्रैकिंग, डिजिटल पहचान और IoT डेटा अखंडता जैसे उद्यम "गैर-सिक्का" अनुप्रयोगों के लिए अनुपयुक्त हैं। यह शोध पत्र अनुमति-आधारित ब्लॉकचेन वातावरण में दक्षता, सुरक्षा और मापनीयता के लिए डिज़ाइन किए गए एक नवीन द्वि-श्रृंखला सहमति तंत्र Con_DC_PBFT का प्रस्ताव करके, प्रूफ-ऑफ-कॉन्ट्रिब्यूशन प्लस प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoC+PoW) जैसे मौजूदा संकर तंत्रों की सीमाओं को संबोधित करता है।

2. संबंधित कार्य एवं समस्या कथन

गैर-सिक्का ब्लॉकचेन के लिए मौजूदा सहमति तंत्र अक्सर एक त्रिदोष का सामना करते हैं: विकेंद्रीकरण, सुरक्षा और प्रदर्शन के बीच संतुलन बनाना। PoC+PoW तंत्र, जो योगदान मीट्रिक के आधार पर सत्यापनकर्ताओं का चयन करते हैं, इनसे पीड़ित हैं:

• कम दक्षता: अनुक्रमिक प्रसंस्करण के कारण उच्च विलंबता होती है।
• सुरक्षा जोखिम: योगदान मूल्यों को निशाना बनाया जा सकता है, जिससे संभावित हमले हो सकते हैं।
• उच्च संसाधन खपत: महत्वपूर्ण मेमोरी, भंडारण और कम्प्यूटेशनल ओवरहेड।
• एकल विफलता बिंदु: विशिष्ट उच्च-योगदान नोड्स पर निर्भरता।

Con_DC_PBFT का लक्ष्य संरचनात्मक पृथक्करण और समानांतर प्रसंस्करण को शामिल करके इन्हें हल करना है।

3. Con_DC_PBFT तंत्र

मुख्य नवाचार एक द्वि-श्रृंखला संरचना है जो सिस्टम प्रबंधन को मुख्य व्यावसायिक तर्क से अलग करती है।

3.1 द्वि-श्रृंखला संरचना

सिस्टम दो परस्पर जुड़ी श्रृंखलाओं पर संचालित होता है:

• सिस्टम चेन (उपश्रृंखला): मेटा-सूचना, नोड योगदान मूल्यों और सहमति समन्वय का प्रबंधन करती है। यह "नियंत्रण तल" के रूप में कार्य करती है।
• व्यवसाय चेन (मुख्य श्रृंखला): प्राथमिक लेन-देन डेटा और अनुप्रयोग तर्क को संभालती है। यह "डेटा तल" के रूप में कार्य करती है।

यह पृथक्करण विशेषीकृत अनुकूलन और समानांतर संचालन की अनुमति देता है।

3.2 अर्ध-स्वतंत्र सहमति प्रक्रिया

सहमति पूरी तरह से स्वतंत्र नहीं है। सिस्टम चेन व्यवसाय चेन के सहमति संदेश प्रवाह की निगरानी और समन्वय करती है। महत्वपूर्ण रूप से, सिस्टम चेन प्रत्येक दौर के लिए व्यवसाय चेन के लेखा (ब्लॉक-निर्माण) नोड्स को यादृच्छिक रूप से नामित करने के लिए एक नोड के योगदान मूल्य का उपयोग करती है। यह यादृच्छिकता प्रस्तुत करता है और नेता चयन में पूर्वानुमेयता को रोकता है।

3.3 नोड चयन एवं सुरक्षा सुविधाएँ

सुरक्षा इनके माध्यम से बढ़ाई जाती है:

• बाइज़ेंटाइन संचार तंत्र: प्रैक्टिकल बाइज़ेंटाइन फॉल्ट टॉलरेंस (PBFT) पर आधारित, जो दुर्भावनापूर्ण नोड्स (नेटवर्क के 1/3 तक) के खिलाफ लचीलापन सुनिश्चित करता है।
• यादृच्छिक नोड चयन एल्गोरिदम: किसी नोड के व्यवसाय चेन नेता के रूप में चुने जाने की संभावना उसके योगदान मूल्य के समानुपाती होती है, लेकिन अंतिम चयन में यादृच्छिकता शामिल होती है। यह उच्च-मूल्य वाले नोड्स को निशाना बनाने को कम करता है।
• अस्पष्ट योगदान डेटा: योगदान मूल्य सुरक्षित सिस्टम चेन पर संग्रहीत होते हैं, जिससे एकल-श्रृंखला PoC मॉडल की तुलना में उन पर सीधे हमला करना कठिन हो जाता है।

4. तकनीकी विवरण एवं गणितीय मॉडल

नोड चयन संभावना एक प्रमुख गणितीय घटक है। मान लीजिए $C_i$ नोड $i$ का योगदान मूल्य है, और $N$ पात्र नोड्स की कुल संख्या है। चयन के लिए आधार संभावना $P_{base}(i)$ सामान्यीकृत है:

$P_{base}(i) = \frac{C_i}{\sum_{j=1}^{N} C_j}$

यादृच्छिकता और सुरक्षा प्रस्तुत करने के लिए, एक सत्यापन योग्य यादृच्छिक फ़ंक्शन (VRF) या समान क्रिप्टोग्राफ़िक आदिम लागू किया जाता है। अंतिम चयन संभावना $P_{final}(i)$ सिस्टम चेन से एक यादृच्छिक बीज $R$ को शामिल करती है:

$P_{final}(i) = \mathcal{F}(P_{base}(i), R, \sigma)$

जहाँ $\mathcal{F}$ चयन फ़ंक्शन है और $\sigma$ सिस्टम पैरामीटर्स का प्रतिनिधित्व करता है जो यह सुनिश्चित करता है कि आउटपुट अप्रत्याशित है फिर भी सत्यापन योग्य है। यह मॉडल एक नोड को अपनी बारी की पूर्व गणना करने से रोकता है, जिससे पूर्व-निवारक हमले विफल हो जाते हैं।

5. प्रायोगिक परिणाम एवं प्रदर्शन

शोध पत्र Con_DC_PBFT तंत्र का अनुकरण करते हुए एक व्यापक प्रायोगिक विश्लेषण प्रस्तुत करता है। मुख्य प्रदर्शन संकेतकों को एक आधारभूत PoC+PoW प्रणाली के विरुद्ध मापा गया।

चार्ट विवरण (चित्र 1 - सहमति विलंबता बनाम नोड्स की संख्या): चार्ट दो वक्र दिखाता है। PoC+PoW विलंबता नोड संख्या बढ़ने के साथ तीव्र और अरेखीय रूप से बढ़ती है, जो इसकी $O(n^2)$ संचार जटिलता का संकेत है। Con_DC_PBFT वक्र बहुत अधिक क्रमिक वृद्धि दिखाता है, जो द्वि-श्रृंखला संरचना में समानांतर प्रसंस्करण से प्राप्त दक्षता लाभ को प्रदर्शित करता है। 100 नोड्स पर, Con_DC_PBFT लगभग 35% कम विलंबता दिखाता है।

चार्ट विवरण (चित्र 2 - CPU एवं मेमोरी उपयोग): एक समूहीकृत बार चार्ट संसाधन खपत की तुलना करता है। Con_DC_PBFT विभिन्न लेन-देन थ्रूपुट स्तरों पर PoC+PoW की तुलना में लगातार आधे से कम CPU और मेमोरी संसाधनों का उपयोग करता है, जो दावा किए गए >50% संसाधन बचत की पुष्टि करता है।

मुख्य निष्कर्ष:

• दक्षता: द्वि श्रृंखलाओं में समानांतर प्रसंस्करण समग्र सहमति विलंब को काफी कम कर देता है।
• मापनीयता: बढ़ते नोड्स के साथ प्रदर्शन गिरावट PoC+PoW की तुलना में कम गंभीर है।
• संसाधन दक्षता: मेमोरी और भंडारण फुटप्रिंट में नाटकीय कमी।
• मजबूती: सिस्टम ने अनुकरणित एकल-बिंदु विफलताओं और विभिन्न नेटवर्क संचरण दरों के तहत कार्यक्षमता बनाए रखी।

6. विश्लेषण ढाँचा एवं केस उदाहरण

केस: फार्मास्यूटिकल आपूर्ति श्रृंखला अनुरेखण

निर्माता से फार्मेसी तक फार्मास्यूटिकल्स को ट्रैक करने के लिए एक कंसोर्टियम ब्लॉकचेन पर विचार करें।

1. व्यवसाय चेन: अपरिवर्तनीय लेन-देन रिकॉर्ड करती है: "बैच X फैक्टरी A पर निर्मित," "बैच X वितरक B को भेजा गया," "बैच X फार्मेसी C पर प्राप्त।" यह लेखा योग्य उत्पाद खाता-बही है।
2. सिस्टम चेन: प्रतिभागी अनुमतियों का प्रबंधन करती है। एक वितरक का "योगदान मूल्य" उसके ऐतिहासिक डेटा सटीकता और शिपमेंट मात्रा पर आधारित हो सकता है। यह श्रृंखला नोड चयन एल्गोरिदम चलाती है।
3. सहमति दौर: सिस्टम चेन अगले व्यवसाय चेन ब्लॉक के लिए नेता होने के लिए फार्मेसी C (उसके योगदान स्कोर के आधार पर) का यादृच्छिक चयन करती है, जिसमें बैच X के लिए तापमान सेंसर डेटा शामिल होगा। चयन अप्रत्याशित है, इसलिए एक दुर्भावनापूर्ण अभिनेता फार्मेसी C के सिस्टम को पहले से निशाना नहीं बना सकता। व्यवसाय चेन तापमान डेटा ब्लॉक को समानांतर रूप से प्रसंस्कृत करती है जबकि सिस्टम चेन अगले नेता चयन की तैयारी करती है।

यह पृथक्करण व्यावसायिक घटनाओं (तापमान लॉग) के त्वरित रिकॉर्डिंग को सुनिश्चित करता है, साथ ही प्रतिभागियों के बीच विश्वास मॉडल को सुरक्षित और गतिशील रूप से प्रबंधित करता है।

7. भविष्य के अनुप्रयोग एवं दिशाएँ

Con_DC_PBFT संरचना विशेष रूप से इनके लिए आशाजनक है:

• मेटावर्स एवं डिजिटल परिसंपत्ति प्रबंधन: परिसंपत्ति स्वामित्व खाता-बही (व्यवसाय चेन) को उपयोगकर्ता पहचान/प्रतिष्ठा प्रणालियों (सिस्टम चेन) से अलग करना।
• औद्योगिक IoT: सेंसर डेटा के लिए एक उच्च-थ्रूपुट श्रृंखला, जिसे डिवाइस पहुंच और फर्मवेयर अद्यतन अनुमतियों को नियंत्रित करने वाली एक सुरक्षित श्रृंखला द्वारा प्रबंधित किया जाता है।
• केंद्रीय बैंक डिजिटल मुद्राएँ (CBDCs): भुगतानों के लिए एक लेन-देन श्रृंखला और नियामक अनुपालन एवं मौद्रिक नीति उपकरणों के लिए एक नियंत्रण श्रृंखला।

भविष्य के शोध दिशाएँ:

• क्रॉस-चेन संचार अनुकूलन: दोनों श्रृंखलाओं के बीच अनिवार्य अंतःक्रिया के लिए अधिक कुशल प्रोटोकॉल विकसित करना।
• गतिशील योगदान मीट्रिक्स: अधिक जटिल, बहुआयामी व्यवहार के आधार पर योगदान मूल्यों की गणना करने के लिए AI-संचालित मॉडलों का अन्वेषण करना।
• जीरो-नॉलेज प्रूफ्स के साथ एकीकरण: व्यवसाय चेन पर लेन-देन को सिस्टम चेन नोड्स को संवेदनशील डेटा प्रकट किए बिना सत्यापित करके गोपनीयता बढ़ाने के लिए।
• औपचारिक सत्यापन: द्वि-श्रृंखला मॉडल के तहत सिस्टम की सुरक्षा गुणों के गणितीय प्रमाण प्रदान करना।

8. संदर्भ

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2. Castro, M., & Liskov, B. (1999). Practical Byzantine Fault Tolerance. OSDI.
3. Zhu, Y., Song, J., & Li, M. (2022). A Survey on Blockchain Consensus Mechanisms. ACM Computing Surveys.
4. Buterin, V., et al. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum White Paper.
5. International Data Corporation (IDC). (2023). Worldwide Blockchain Spending Guide. (बाजार संदर्भ के लिए बाहरी स्रोत)।
6. Zhu, J., et al. (2017). CycleGAN: Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV. (अन्य डोमेन में संरचनात्मक सोच को प्रेरित करने वाली द्वि-पथ, चक्रीय संरचना के उदाहरण के रूप में उद्धृत)।

9. विशेषज्ञ विश्लेषण एवं अंतर्दृष्टि

मूल अंतर्दृष्टि: Con_DC_PBFT की वास्तविक सफलता केवल PBFT में एक और समायोजन नहीं है; यह एक रणनीतिक वास्तुशिल्पिक वियोजन है। यह पहचानता है कि उद्यम ब्लॉकचेन में, "कौन निर्णय लेता है" मेटाडेटा (विश्वास, प्रतिष्ठा, अनुमतियाँ) "क्या हुआ" लेन-देन डेटा की तुलना में एक अलग समयरेखा और अलग नियमों के साथ विकसित होता है। अधिकांश सहमति तंत्रों की तरह उन्हें एक श्रृंखला पर मजबूर करना, अंतर्निहित घर्षण पैदा करता है। यह कार्य सॉफ्टवेयर इंजीनियरिंग की आधारशिला—चिंताओं के पृथक्करण के डिज़ाइन सिद्धांत को सहमति स्तर पर ही बुद्धिमानी से लागू करता है। यह याद दिलाता है कि कैसे आधुनिक माइक्रोसर्विसेज आर्किटेक्चर मोनोलिथिक ऐप्स को विभाजित करते हैं; यहाँ, वे मोनोलिथिक खाता-बही को विभाजित कर रहे हैं।

तार्किक प्रवाह: तर्क प्रभावशाली है: 1) बाधा की पहचान करें (अनुक्रमिक PoC+PoW प्रसंस्करण)। 2) मूल कारण का निदान करें (उलझे हुए डेटा और नियंत्रण प्रवाह)। 3) उपचार निर्धारित करें (सिस्टम और व्यवसाय श्रृंखलाओं में वास्तुशिल्पिक पृथक्करण)। 4) उपचार को मजबूत करें (सुरक्षा के लिए यादृच्छिकता और PBFT जोड़ें)। समस्या से समाधान तक का प्रवाह स्पष्ट है और सतही अनुकूलन लागू करने के बजाय मूल अदक्षता को उसके स्रोत पर संबोधित करता है।

शक्तियाँ एवं दोष: शक्तियाँ स्पष्ट हैं: सिद्ध प्रदर्शन लाभ, सुरुचिपूर्ण डिज़ाइन, और अनुमति-आधारित, गैर-सिक्का परिदृश्यों के लिए मजबूत प्रयोज्यता। >50% संसाधन बचत परिचालन लागतों के लिए एक बड़ी जीत है। हालाँकि, दोष उन नई जटिलताओं में निहित हैं जो यह प्रस्तुत करता है। "अर्ध-स्वतंत्र" सहमति एक महत्वपूर्ण निर्भरता पैदा करती है: यदि सिस्टम चेन समझौता हो जाती है या धीमी हो जाती है, तो यह पूरी व्यवसाय चेन को थ्रॉटल कर देती है। यह संभावित रूप से एक नया केंद्रीकरण वेक्टर या बाधा पैदा करता है। शोध पत्र दो श्रृंखलाओं को बनाए रखने और सिंक्रनाइज़ करने के महत्वपूर्ण ओवरहेड को भी सतही रूप से छूता है, जो PoC+PoW के अपव्यय से कम होने के बावजूद, तुच्छ नहीं है। इसके अलावा, जैसा कि मौलिक CycleGAN शोध पत्र में उल्लेख किया गया है, द्वि-पथ प्रणालियों को मोड पतन या प्रशिक्षण अस्थिरता को रोकने के लिए सावधानीपूर्वक डिज़ाइन की आवश्यकता होती है; इसी तरह, यह सुनिश्चित करना कि दोनों श्रृंखलाएँ ठीक से संरेखित रहें और एक विचलित या प्रभावी न हो, एक गैर-तुच्छ सिस्टम इंजीनियरिंग चुनौती है।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: उद्यम उपयोग के लिए ब्लॉकचेन का मूल्यांकन करने वाले CTOs और आर्किटेक्ट्स के लिए, यह शोध पत्र अवश्य पढ़ने योग्य है। यह क्रिप्टोकरेंसी सहमति प्रतिमान से आगे बढ़ने के लिए एक व्यवहार्य खाका प्रदान करता है। कार्रवाई योग्य निष्कर्ष यह है कि डिज़ाइन के दौरान अपने अनुप्रयोग के डेटा और नियंत्रण तलों को स्पष्ट रूप से मॉडल करें। यदि वे अलग हैं, तो Con_DC_PBFT जैसी द्वि-श्रृंखला दृष्टिकोण एक शीर्ष प्रतियोगी होना चाहिए। हालाँकि, आँखें खोलकर आगे बढ़ें: सिस्टम चेन की लचीलापन और प्रदर्शन में भारी निवेश करें, क्योंकि यह विश्वास की नई जड़ बन जाती है। पायलट परियोजनाओं को इंटर-चेन संचार लिंक की विफलता मोड का कठोरता से परीक्षण करना चाहिए। यह एक प्लग-एंड-प्ले समाधान नहीं है, लेकिन सही उपयोग के मामले के लिए—उच्च-थ्रूपुट, अनुमति-आधारित उद्यम प्रणालियाँ जहाँ प्रतिभागी विश्वास गतिशील है—यह व्यावहारिक, मापनीय ब्लॉकचेन अवसंरचना की ओर एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करता है।