Mfumo wa Makubaliano wa Msingi wa Minyororo Miwili kwa Blockchain: Con_DC_PBFT

1. Utangulizi

Mifumo ya makubaliano ni teknolojia ya msingi inayowezesha imani na uratibu katika mifumo ya blockchain isiyo na kituo cha udhibiti. Ingawa Uthibitisho wa Kazi (PoW) na Uthibitisho wa Hisa (PoS) vinatawala blockchain za sarafu za kidijitali, matumizi yao makubwa ya nishati na ucheleweshaji haufai kwa matumizi ya biashara "yasiyo ya sarafu" kama ufuatiliaji wa mnyororo wa usambazaji, utambulisho wa kidijital, na uadilifu wa data ya IoT. Karatasi hii inashughulikia mapungufu ya mifumo ya mchanganyiko iliyopo kama Uthibitisho wa Mchango pamoja na Uthibitisho wa Kazi (PoC+PoW) kwa kupendekeza Con_DC_PBFT, mfumo mpya wa makubaliano wa minyororo miwili ulioundwa kwa ufanisi, usalama, na uwezo wa kupanuka katika mazingira ya blockchain yenye ruhusa.

2. Kazi Zinazohusiana & Taarifa ya Tatizo

Mifumo ya makubaliano iliyopo kwa blockchain zisizo na sarafu mara nyingi hukabiliana na tatizo la tatu: kuweka usawa kati ya utawala wa kijamii, usalama, na utendaji. Mifumo ya PoC+PoW, ambayo huchagua wathibitishaji kulingana na kipimo cha mchango, hukumbwa na:

• Ufanisi Mdogo: Usindikaji wa mlolongo husababisha ucheleweshaji mkubwa.
• Hatari za Usalama: Thamani za mchango zinaweza kulengwa, na kusababisha mashambulizi yanayowezekana.
• Matumizi Makubwa ya Rasilimali: Mzigo mkubwa wa kumbukumbu, hifadhi, na hesabu.
• Vituo Vimoja vya Kushindwa: Kutegemea nodi maalum zenye mchango mkubwa.

Con_DC_PBFT inalenga kutatua haya kwa kuanzisha utengano wa muundo na usindikaji sambamba.

3. Mfumo wa Con_DC_PBFT

Ubunifu wa msingi ni muundo wa minyororo miwili unaotenganisha usimamizi wa mfumo na mantiki kuu ya biashara.

3.1 Muundo wa Minyororo Miwili

Mfumo huu unafanya kazi kwa minyororo miwili inayounganishwa:

• Mnyororo wa Mfumo (Mnyororo Mdogo): Husimamia taarifa za meta, thamani za mchango wa nodi, na uratibu wa makubaliano. Hufanya kazi kama "ndege ya udhibiti."
• Mnyororo wa Biashara (Mnyororo Mkuu): Hushughulikia data kuu ya manunuzi na mantiki ya matumizi. Hufanya kazi kama "ndege ya data."

Utengano huu unaruhusu uboreshaji maalum na uendeshaji sambamba.

3.2 Mchakato wa Makubaliano Uliokithiri Kujitegemea

Makubaliano hayajitegemei kabisa. Mnyororo wa Mfumo husimamia na kuratibu mtiririko wa ujumbe wa makubaliano ya Mnyororo wa Biashara. Muhimu zaidi, Mnyororo wa Mfumo hutumia thamani ya mchango wa nodi kwa kuteua kwa nasibu nodi za uhasibu (zinazozalisha vitalu) za Mnyororo wa Biashara kwa kila duru. Hii huleta nasibu na kuzuia utabiri katika uchaguzi wa kiongozi.

3.3 Uchaguzi wa Nodi & Vipengele vya Usalama

Usalama unaboreshwa kupitia:

• Mfumo wa Mawasiliano ya Byzantine: Kulingana na Uvumilivu wa Makosa ya Byzantine ya Kivitendo (PBFT), kuhakikisha uwezo wa kukabiliana na nodi zenye nia mbaya (hadi theluthi moja ya mtandao).
• Algoriti ya Uchaguzi wa Nodi kwa Nasibu: Uwezekano wa nodi kuchaguliwa kuwa kiongozi wa Mnyororo wa Biashara unalingana na thamani ya mchango wake, lakini uchaguzi wa mwisho unajumuisha nasibu. Hii hupunguza kulengwa kwa nodi zenye thamani kubwa.
• Data ya Mchango Iliyofichwa: Thamani za mchango huhifadhiwa kwenye Mnyororo wa Mfumo ulio na usalama, na kuzifanya iwe ngumu zaidi kushambuliwa moja kwa moja kuliko katika mfumo wa PoC wa mnyororo mmoja.

4. Maelezo ya Kiufundi & Mfano wa Hisabati

Uwezekano wa uchaguzi wa nodi ni sehemu muhimu ya hisabati. Acha $C_i$ iwe thamani ya mchango wa nodi $i$, na $N$ iwe jumla ya idadi ya nodi zinazostahiki. Uwezekano wa msingi $P_{base}(i)$ wa kuchaguliwa umewekwa kwa kawaida:

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

Ili kuanzisha nasibu na usalama, kitendakazi cha nasibu kinachoweza kuthibitishwa (VRF) au kipengele cha msingi cha kriptografia kama hicho hutumiwa. Uwezekano wa mwisho wa uchaguzi $P_{final}(i)$ unajumuisha mbegu ya nasibu $R$ kutoka kwa Mnyororo wa Mfumo:

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

Ambapo $\mathcal{F}$ ni kitendakazi cha uchaguzi na $\sigma$ inawakilisha vigezo vya mfumo vinavyohakikisha matokeo hayatabiriki lakini yanaweza kuthibitishwa. Mfano huu huzuia nodi kukokotoa zamu yake mapema kwa usahihi, na hivyo kuzuia mashambulizi ya kukabiliana kabla ya wakati.

5. Matokeo ya Majaribio & Utendaji

Karatasi hii inawasilisha uchambuzi kamili wa majaribio unaosimulia mfumo wa Con_DC_PBFT. Viashiria muhimu vya utendaji vilipimwa dhidi ya mfumo wa msingi wa PoC+PoW.

Maelezo ya Chati (Kielelezo 1 - Ucheleweshaji wa Makubaliano dhidi ya Idadi ya Nodi): Chati inaonyesha mikunjo miwili. Ucheleweshaji wa PoC+PoW huongezeka kwa kasi na kwa njia isiyo ya mstari kadiri idadi ya nodi inavyoongezeka, ikionyesha utata wake wa mawasiliano wa $O(n^2)$. Mkunjio wa Con_DC_PBFT unaonyesha ongezeko lenye mpole zaidi, na kuonyesha faida za ufanisi kutoka kwa usindikaji sambamba katika muundo wa minyororo miwili. Kwenye nodi 100, Con_DC_PBFT inaonyesha ucheleweshaji uliopungua takriban 35%.

Maelezo ya Chati (Kielelezo 2 - Matumizi ya CPU & Kumbukumbu): Chati ya baa zilizogawanywa inalinganisha matumizi ya rasilimali. Con_DC_PBFT hutumia thabiti chini ya nusu ya rasilimali za CPU na kumbukumbu za PoC+PoW katika viwango tofauti vya uwezo wa manunuzi, na kuthibitisha madai ya kuokoa zaidi ya 50% ya rasilimali.

Matokeo Muhimu:

• Ufanisi: Usindikaji sambamba katika minyororo miwili hupunguza kwa kiasi kikubwa ucheleweshaji wa jumla wa makubaliano.
• Uwezo wa Kupanuka: Uharibifu wa utendaji kadiri nodi zinavyoongezeka ni mdogo zaidi kuliko katika PoC+PoW.
• Ufanisi wa Rasilimali: Kupunguzwa kwa kasi kwa kumbukumbu na nafasi ya hifadhi.
• Uimara: Mfumo ulidumisha utendaji chini ya kushindwa kwa nukta moja iliyosimuliwa na viwango tofauti vya usambazaji wa mtandao.

6. Mfumo wa Uchambuzi & Mfano wa Kesi

Kesi: Ufuatiliaji wa Mnyororo wa Usambazaji wa Dawa za Kulevya

Fikiria blockchain ya ushirika kwa kufuatilia dawa za kulevya kutoka kwa mtengenezaji hadi duka la dawa.

1. Mnyororo wa Biashara: Inarekodi manunuzi yasiyobadilika: "Kundi X lilitengenezwa kwenye Kiwanda A," "Kundi X lilisafirishwa kwa Msambazaji B," "Kundi X lilipokelewa kwenye Duka la Dawa C." Hii ndiyo daftari linaloweza kukaguliwa la bidhaa.
2. Mnyororo wa Mfumo: Husimamia ruhusa za washiriki. "Thamani ya mchango" ya msambazaji inaweza kuwa kulingana na usahihi wa data yake ya kihistoria na kiasi cha usafirishaji. Mnyororo huu huendesha algoriti ya uchaguzi wa nodi.
3. Duru ya Makubaliano: Mnyororo wa Mfumo huchagua kwa nasibu Duka la Dawa C (kulingana na alama yake ya mchango) kuwa kiongozi wa kizuizi kifuatacho cha Mnyororo wa Biashara, ambacho kitakuwa na data ya sensorer ya joto kwa Kundi X. Uchaguzi hautabiriki, kwa hivyo mwenye nia mbaya hawezi kulenga mifumo ya Duka la Dawa C kabla ya wakati. Mnyororo wa Biashara husindika kizuizi cha data ya joto sambamba huku Mnyororo wa Mfumo ukiandaa uchaguzi wa kiongozi mwingine.

Utengano huu unahakikisha rekodi ya haraka ya matukio ya biashara (kumbukumbu za joto) huku ukisimamia kwa usalama na kwa nguvu muundo wa imani kati ya washiriki.

7. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo

Muundo wa Con_DC_PBFT una matumaini hasa kwa:

• Metaverse & Usimamizi wa Mali za Kidijitali: Kutenganisha daftari la umiliki wa mali (Mnyororo wa Biashara) na mifumo ya utambulisho/sifa ya mtumiaji (Mnyororo wa Mfumo).
• IoT ya Viwanda: Mnyororo wenye uwezo mkubwa wa data ya sensorer, unaosimamiwa na mnyororo salama unaodhibiti ufikiaji wa kifaa na ruhusa za usasishaji wa programu.
• Sarafu za Kidijitali za Benki Kuu (CBDCs): Mnyororo wa manunuzi kwa malipo na mnyororo wa udhibiti kwa kufuata kanuni na zana za sera ya fedha.

Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye:

• Uboreshaji wa Mawasiliano ya Kuvuka Minyororo: Kukuza itifaki zenye ufanisi zaidi kwa mwingiliano wa lazima kati ya minyororo hiyo miwili.
• Vipimo vya Mchango vinavyobadilika: Kuchunguza miundo inayoendeshwa na AI ili kukokotoa thamani za mchango kulingana na tabia ngumu zaidi, zenye pande nyingi.
• Ujumuishaji na Uthibitisho wa Kutojua: Ili kuboresha faragha kwa kuthibitisha manunuzi kwenye Mnyororo wa Biashara bila kufunua data nyeti kwa nodi za Mnyororo wa Mfumo.
• Uthibitisho Rasmi: Kutoa uthibitisho wa hisabati wa sifa za usalama za mfumo chini ya mfano wa minyororo miwili.

8. Marejeo

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, 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. (Chanzo cha nje cha muktadha wa soko).
6. Zhu, J., et al. (2017). CycleGAN: Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV. (Iliyotajwa kama mfano wa muundo wa njia mbili, wa mzunguko unaovutia mawazo ya kimuundo katika nyanja zingine).

9. Uchambuzi wa Mtaalamu & Ufahamu

Ufahamu wa Msingi: Mafanikio halisi ya Con_DC_PBFT sio marekebisho mengine tu ya PBFT; ni utengano wa kimkakati wa muundo. Inatambua kwamba katika blockchain za biashara, taarifa za meta za "nani anapaswa kuamua" (imani, sifa, ruhusa) hubadilika kwa wakati tofauti na kwa sheria tofauti kuliko data ya manunuzi ya "nini kilifanyika". Kulazimisha kwenye mnyororo mmoja, kama mifumo mingi ya makubaliano inavyofanya, husababisha msuguano wa asili. Kazi hii inatumia kwa busara kanuni ya muundo ya utengano wa masuala—msingi wa uhandisi wa programu—kwa safu ya makubaliano yenyewe. Inakumbusha jinsi miundo ya kisasa ya huduma ndogo inavyogawanya programu kuu; hapa, wanagawanya daftari kuu.

Mtiririko wa Kimantiki: Mantiki inavutia: 1) Tambua kikwazo (usindikaji wa mlolongo wa PoC+PoW). 2) Tambua chanzo cha tatizo (mtiririko wa data na udhibiti uliochanganyikiwa). 3) Pendekeza tiba (utengano wa muundo katika minyororo ya Mfumo na Biashara). 4) Imarisha tiba (ongeza nasibu na PBFT kwa usalama). Mtiririko kutoka tatizo hadi suluhisho ni wazi na unashughulikia ufanisi duni wa msingi kwenye chanzo chake badala ya kutumia uboreshaji wa juu-juu.

Nguvu & Kasoro: Nguvu ziko wazi: faida za utendaji zilizothibitishwa, muundo mzuri, na utumiaji wenye nguvu kwa hali zilizo na ruhusa, zisizo na sarafu. Kuokoa zaidi ya 50% ya rasilimali ni ushindi mkubwa kwa gharama za uendeshaji. Hata hivyo, kasoro ziko katika utata mpya unaoanzisha. Makubaliano "yaliyokithiri kujitegemea" yanaunda utegemezi muhimu: ikiwa Mnyororo wa Mfumo utaharibiwa au utapunguza kasi, utapunguza kasi ya Mnyororo wote wa Biashara. Hii inaweza kuunda vekta mpya ya katikati au kikwazo. Karatasi pia haijazungumzia mzigo mkubwa wa kudumisha na kusawazisha minyororo miwili, ambayo, ingawa ni chini ya upotevu wa PoC+PoW, sio ndogo. Zaidi ya hayo, kama ilivyoelezwa katika karatasi ya msingi ya CycleGAN, mifumo ya njia mbili inahitaji muundo makini ili kuzuia kuzorota kwa hali au kutokuwa na utulivu wa mafunzo; kwa mfano, kuhakikisha minyororo miwili inabaki sawasawa na moja haitengani au kutawala ni changamoto isiyo ndogo ya uhandisi wa mifumo.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa Wakuu wa Teknolojia na wasanifu wanaokagua blockchain kwa matumizi ya biashara, karatasi hii ni lazima isomwe. Inatoa mchoro unaoweza kutekelezeka wa kuendelea zaidi ya mfano wa makubaliano wa sarafu za kidijitali. Kile kinachoweza kuchukuliwa ni kuiga wazi ndege za data na udhibiti wa programu yako wakati wa muundo. Ikiwa ni tofauti, njia ya minyororo miwili kama Con_DC_PBFT inapaswa kuwa mgombeaji wa juu. Hata hivyo, endelea kwa macho wazi: wekeza sana katika uimara na utendaji wa Mnyororo wa Mfumo, kwani unakuwa mzizi mpya wa imani. Miradi ya majaribio inapaswa kujaribu kwa ukali njia za kushindwa kwa kiunga cha mawasiliano kati ya minyororo. Hii sio suluhisho la kuchomeka na kucheza, lakini kwa kesi inayofaa—mifumo ya biashara yenye ruhusa na uwezo mkubwa ambapo imani ya washiriki inabadilika—inawakilisha hatua muhimu kuelekea miundombinu ya blockchain inayoweza kutekelezeka na kupanuka.