التنفيذ المتوازي: حلول لزيادة الإنتاجية وتقليل وقت الاستجابة
مقدمة
في سياق التطور السريع للاقتصاد الرقمي ، تتخلل تقنية blockchain ، كممثل لآليات الثقة اللامركزية ، تدريجيا قطاعات مثل التمويل وسلاسل التوريد والرعاية الصحية. ومع ذلك ، فإن أنظمة blockchain التقليدية ، التي تعتمد غالبا على بنى خطية واحدة ، بما في ذلك سلاسل الكتل الكاملة Turing مثل Ethereum ، غير قادرة بشكل متزايد على تلبية الطلب المتزايد في السوق. إنهم يواجهون تحديات خطيرة في قابلية التوسع وسرعة معالجة المعاملات. ظهرت تقنية موازاة Blockchain لمعالجة هذه المشكلات ، بهدف تمكين المعالجة المتزامنة لمعاملات متعددة.
نموذج تنفيذ متوازي لعملية تعاقد ذكي لسلسلة الكتل (المصدر: jos.org）
تقدم سلسلة الكتل الموازية تصميمًا للمعالجة الموازية داخل سلسلة الكتل، مما يسمح بمعالجة عمليات أو عقود ذكية متعددة بشكل متزامن بدلاً من تتابعي. يتيح هذا الآلية لشبكة سلسلة الكتل التعامل مع مزيد من العمليات في نفس الوقت، مما يزيد بشكل كبير من الطاقة الإنتاجية ويقلل من وقت الإستجابة للمعاملات، مما يجعلها حلاً أساسيًا لتلبية احتياجات التطبيقات على نطاق واسع.
يتناول هذا المقال مبادئ النواة لتوازي التشفير، محللًا مزاياه وتحدياته في التطبيقات العملية. إنه يعرض استكشاف وممارسة المشاريع الرائدة في تقنية التوازي، بهدف تقديم رؤى قيمة لتطوير مستقبل تقنية التشفير.
استراتيجيات التنفيذ التقني
التنفيذ المتوازي، وهي تقنية تسمح بتشغيل مهام متعددة بشكل متزامن، تم تطبيقها على نطاق واسع في مجالات مثل معالجة البيانات وتقديم الرسومات. إدخال هذه الفكرة في أنظمة البلوكشين يقلل بشكل فعال من أوقات معالجة المعاملات ويعالج الطلب المتزايد على القوة الحسابية.
هناك طرق مختلفة لتنفيذ المعالجة الموازية. يركز بعض مشاريع سلسلة الكتل على التنفيذ الموازي للعقود الذكية ، بينما يستهدف آخرون التوازي في التحقق من الصفقات وتحديثات الحالة. ومع ذلك ، يواجه كل طريقة تحديات تقنية محددة مع السعي لتحسين كفاءة الشبكة ، مع تفاصيل التنفيذ تعتمد على النهج المختار.
مسارات التنفيذ المتوازية مقابل المسارات التنفيذية التقليدية (المصدر: foresightnews.pro）
وصول الحالة / نموذج متفائل
تعتمد معظم سلاسل الكتل ذات القدرة على التنفيذ المتوازي على طريقتين شائعتين: طريقة الوصول إلى الحالة والنموذج التفاؤلي.
طريقة الوصول إلى الحالة هي نهج استراتيجي يحدد بشكل استباقي أي عمليات يمكنها الوصول إلى أجزاء محددة من حالة سلسلة الكتل، مما يسمح لسلسلة الكتل بتعيين عمليات مستقلة. بالمقابل، يفترض النموذج التفاؤلي أن جميع العمليات مستقلة، وفقط يتم التحقق من هذا الافتراض لاحقاً وإجراء التعديلات إذا لزم الأمر.
في نموذج الوصول الحالة، يستخدم تنفيذ المعاملة عادة استراتيجية التحكم التنافسية المتفائلة، مفترضاً أن المعاملات لا تتعارض. يحدث التراجع فقط عندما تنشأ الصراعات فعلياً. تعزز هذه الطريقة إنتاجية المعاملات وتحسن تجربة المستخدم، على الرغم من أنها تتطلب آلية كشف الصراع المصممة بدقة لضمان تناسق البيانات وأمان النظام.
عمارة شاردينغ
التجزئة هي واحدة من الحلول الأكثر شيوعًا لتوازي السلاسل الكتلية. فكرتها الأساسية هي تقسيم شبكة السلسلة الكتلية إلى عدة أجزاء، مما يتيح لكل جزء معالجة المعاملات والبيانات بشكل مستقل. هذا التصميم يحسن بشكل كبير قدرة معالجة الشبكة وقابليتها للتوسع، ويعالج ضعف أداء السلاسل الكتلية التقليدية. المشاريع الحالية التي تستخدم تقنية التجزئة تشمل Ethereum 2.0 و Zilliqa و NEAR Protocol و QuarkChain. تتعامل هذه المشاريع بفعالية مع قضايا قابلية التوسع في السلاسل الكتلية من خلال التجزئة، مما يحسن كفاءة الشبكة.
عند تطبيقها على تطبيقات blockchain ، يتم تنفيذ تقنية التجزئة عادة بالطرق الثلاث التالية:
كما يمكننا أن نرى ، تقنية التجزئة يمكن أن تقسم المعاملات بفعالية. على الرغم من أن لكل طريقة تجزئة مزاياها الخاصة في تحسين قابلية التوسع ، فإنها تواجه جميعًا التحدي الشائع للاتصال بين الأجزاء. من الضروري التحسين المستمر لخوارزميات توافق البيانات لضمان الأداء العام للنظام.
أخذ تقنية تقسيم TON الديناميكي كمثال
في بنية سلسلة كتل مقسمة، يبرز TON (The Open Network) بسبب تصميمه "التقسيم الديناميكي". باستخدام "نموذج التقسيم اللانهائي" (ISP)، يمكن لـ TON ضبط عدد الشرائح بمرونة لاستيعاب مطالب الشبكة في الوقت الحقيقي، مما يحقق إدارة فعالة للشريحة. توضح هذه البنية الأداء الكبير المحتمل، مما يتيح لـ TON الحفاظ على أداء عالي أثناء التعامل مع حجوم عمليات كبيرة ومعالجة مشاكل التوسع القائمة التي تواجهها سلاسل الكتل التقليدية.
يتكون هيكل تجزئة TON من أربعة مستويات من السلاسل:
- AccountChain: سلسلة معاملات مرتبطة بحساب محدد. عادةً ما يكون AccountChain مفهومًا افتراضيًا، حيث يوفر سجل معاملات مستقل لكل حساب، مما يضمن ترتيب السلسلة واتساق الحالة بموجب قواعد محددة.
- ShardChain: مجموعة من سلاسل الحسابات المتعددة، المسؤولة بشكل أساسي عن معالجة المعاملات والبيانات. استقلالية كل سلسلة تسمح بالحفاظ على حالة المعاملات بشكل مستقل.
- شبكة العمل: مكونة من عدة سلاسل فرعية مع قواعد قابلة للتخصيص. على سبيل المثال ، يمكن إنشاء سلسلة عمل مستندة إلى EVM لدعم بيئات العقود الذكية المحددة. مرونة سلاسل العمل تتيح للمستخدمين تخصيص هيكل السلسلة وفقًا لاحتياجاتهم الخاصة ، على الرغم من أن إنشائها يتطلب عملية حوكمة صارمة.
- سلسلة الماجستير: السلسلة الأساسية لشبكة TON، التي توفر النهوية لجميع سلسلة الشارد. بمجرد دمج تجزئة سلسلة بلوك هاش في بلوك سلسلة الماجستير، يصبح غير قابل للتغيير.
الهيكل الفريد لتقسيم TON يدعم المعالجة المتوازية عبر عدة سلاسل، مع تحقيق تنسيق فعال من خلال سلسلة الماستر (المصدر:OKX)
عملياً، يقوم TON بضبط عدد الشاردات بشكل ديناميكي للرد على تغييرات في حمولة الشبكة. يزيد أو يقلل عدد شاردشينز تلقائياً اعتماداً على الحمولة الحالية، مما يتيح للشبكة العمل بكفاءة: عندما تزيد الحمولة، يقوم TON بتحسين الشاردات للتعامل مع المزيد من المعاملات؛ وعندما تقل الحمولة، تدمج الشاردات لتوفير الموارد. من خلال نموذج التشظي اللانهائي، يمكن لـ TON دعم عدد شاردات تقريباً غير محدود، وبشكل نظري يمكن أن تصل إلى 2 إلى القوة 60 من ووركشاينز. بالإضافة إلى ذلك، يتكيف TON عن طريق إنشاء المزيد من الشاردات تلقائياً في المناطق التي تشهد تزايداً في تردد المعاملات، مما يحسن من كفاءة المعالجة.
يعتمد تصميم التجزئة الديناميكي بشكل كبير على الاتصال عبر السلسلة. لهذا ، قدمت TON خوارزمية توجيه hypercube. استنادا إلى الطوبولوجيا عالية الأبعاد، تقوم هذه الخوارزمية بتعيين معرف فريد لكل عقدة WorkChain، مما يتيح نقل المعلومات بين السلاسل عبر أقصر مسار، وتلبية احتياجات التوجيه في بيئة مقسمة على نطاق واسع. علاوة على ذلك ، طورت TON "Instant Hypercube Routing" ، والتي تستفيد من عقدة جذر Merkle Trie لتوفير دليل على التوجيه ، وتبسيط الرسائل المعقدة عبر السلسلة وتعزيز كفاءة الاتصال.
الجمع بين آلية الإجماع PoS
بالمقارنة مع آلية العمل الاحتكارية (PoW) التقليدية، تقوم آلية الحصة (PoS) بتحديد العُقد ذوي الرصيد الأكبر للمشاركة في التوافق، مما يقلل من تركيز قوة الحساب ويقلل من المنافسة واستهلاك الطاقة بين المنقبين. وهذا يعزز الكفاءة مع ضمان أمان النظام واللامركزية. تجميع PoS وsharding في إيثريوم 2.0 هو مثال كلاسيكي على هذه التكنولوجيا.
بشكل محدد، يقسم إيثيريوم 2.0 الشبكة إلى عدة شظايا ويستخدم آلية الحوكمة بناءً على الحصة لتعيين المهام بين عدة محكمين، حيث يكون كل محكم مسؤولًا عن التحقق من المعاملات داخل شظية واحدة، مما يزيد بشكل كبير من الطاقة الاستيعابية. تقلل آلية الحوكمة بناءً على الحصة أيضًا من مخاطر حصول أي محكم على تحكم مفرط من خلال اختيار عشوائي للمحكمين، مما يعزز الطبيعة اللامركزية لشبكة البلوكشين. فيما يتعلق بالأمان، يتم إدارة التحقق من شظية معينة عن طريق مجموعات عقد مختلفة، لذا سيحتاج المهاجم للتحكم في عدة شظايا من أجل شن هجوم، مما يجعل من الصعب تنفيذ هجوم بنسبة 51%. تحسن هذه الآلية المتعددة الطبقات للحماية أمان الشبكة.
بالمثل، يجمع بروتوكول NEAR [2] بين تقنية PoS وتقنية الشرائح. من خلال بروتوكولها "Nightshade"، يدمج NEAR التوافق PoS في تصميم سلسلة الكتل المتوازية، مما يزيد من الكفاءة مع السماح لكل شريحة بالحفاظ فقط على جزء من الحالة. هذا لا يضمن فقط توافق الشبكة العالمي ولكنه يعزز أيضًا أمان النظام.
توازي القائم على الحساب
تنفيذ موازي قائم على الحساب هو مفهوم جديد نسبيًا يهدف إلى تحسين كفاءة معالجة سلسلة الكتل من خلال تقسيم المهام الحسابية المعقدة إلى وحدات أصغر للتنفيذ الموازي. على الرغم من أن هذا النموذج المبتكر لم يحظى بقبول واسع حتى الآن، إلا أن تأثيره الثوري المحتمل يستحق الانتباه.
في الواقع، يتم توزيع العمليات المعقدة على عقد مختلفة للتنفيذ المتوازي، ويتم تجميع النتائج بعد اكتمال كل عقد حساباته. يعزز هذا النهج كفاءة الحساب، ويقلل من وقت الاستجابة للمعاملات، وهو مناسب تمامًا لتطبيقات الحساب المكثفة. ومع ذلك، تواجه تنفيذ هذه الطريقة تحديات عديدة، مثل ضمان كفاءة الاتصال بين العقد وتحقيق الاتساق النهائي للنتائج الحسابية.
دراستان بارزتان
في تطور تقنية blockchain ، تظهر Ethereum 2.0 و Polkadot كمثالين رائدين. هذه المشاريع هي في طليعة مواجهة التحديات الحرجة في مجال blockchain - وهي قابلية التوسع والأمن والاستدامة. دعنا نتعمق في تحليل مفصل لهاتين الحالتين الرائدتين.
إيثيريوم 2.0
إثريوم 2.0 (Eth2) هو ترقية رئيسية لشبكة إثريوم 1.0 التي تهدف إلى تعزيز قدرة التوسعة والأمان والاستدامة. التنفيذ المتوازي هو عنصر رئيسي في تحقيق هذه الأهداف.
من خلال الانتقال من آلية إثبات العمل (PoW) إلى إثبات الحصة (PoS) ، يقدم Ethereum 2.0 التجزئة ، ويقسم شبكة blockchain بأكملها إلى "أجزاء" أصغر. يمكن لكل جزء معالجة المعاملات والتحقق منها بشكل مستقل ، مما يزيد بشكل كبير من الإنتاجية الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح Ethereum 2.0 لكل جزء بالحفاظ على حالته المستقلة ، مما يعزز كفاءة التنفيذ المتوازي ويقلل الحمل على السلسلة الرئيسية ، وبالتالي تمكين معالجة المعاملات بشكل أكثر كفاءة. أخيرا ، يشتمل Ethereum 2.0 على آلية اتصال فعالة عبر الأجزاء لضمان اتساق البيانات والتفاعل بين الأجزاء المختلفة ، وهو أمر ضروري لدعم التطبيقات اللامركزية المعقدة [3].
من خلال المعالجة المتوازية ، من المتوقع أن تزيد Ethereum 2.0 بشكل كبير من سرعة معالجة المعاملات ، مما يلبي بشكل فعال طلب المستخدم المتزايد وسيناريوهات التطبيقات المتنوعة ، لا سيما في قطاعات مثل DeFi و NFTs. باختصار ، من خلال تقديم التنفيذ المتوازي ، لا يحقق Ethereum 2.0 اختراقا تقنيا فحسب ، بل يضع أيضا أساسا أقوى لنمو التطبيقات اللامركزية ، مما يعزز قدرة شبكة Ethereum على التكيف في المستقبل.
رسم توضيحي لتجزئة بيانات إيثيريوم 2.0 (المصدر: sohu.com)
بولكادوت
Polkadot هو بروتوكول شبكة مبتكر متعدد السلاسل مصمم لتمكين قابلية التشغيل البيني وقابلية التوسع بين blockchains. كبنية متعددة السلاسل غير متجانسة ، يتكون Polkadot من "سلسلة ترحيل" مركزية و "Parachains" مستقلة متعددة. يمكن أن يكون لكل Parachain نموذج الحوكمة والاقتصاد الخاص بها ، مما يسمح لسلاسل الكتل المختلفة بالتواصل ومشاركة البيانات بكفاءة.
يستفيد تصميم Polkadot من آلية أمان مشتركة ، مما يضمن استفادة جميع Parachains من الأمان الذي توفره سلسلة الترحيل ، وبالتالي تقليل العبء الأمني على كل Parachain فردي. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم Polkadot تقنية التنفيذ المتوازي ، مما يسمح للعديد من Parachains بمعالجة المعاملات في وقت واحد ، مما يزيد بشكل كبير من الإنتاجية الإجمالية للشبكة. تمكن قدرة المعالجة المتوازية هذه Polkadot من التعامل مع متطلبات المعاملات المتزايدة بشكل فعال ، خاصة في DeFi و NFT وسيناريوهات التطبيقات المعقدة الأخرى [4].
آلية تمرير الرسائل عبر السلاسل الجانبية لـ Polkadot (XCMP) تمكّن التفاعل السلس بين سلاسل جانبية مختلفة، مما يوفر للمطورين نطاقًا أوسع للابتكار. من خلال XCMP، يمكن للمطورين إنشاء تطبيقات لامركزية متصلة ببعضها البعض، مما يعزز بشكل أكبر نمو النظام البيئي.
بنية التوافق بولكادوت (المصدر:ما هو بولكادوت؟ مقدمة موجزة - إيميون بايتس)
مقارنة الميزات
إيثريوم 2.0 مقابل. بولكادوت (مصدر الجدول: بوابة التعلم)
الحلول البديلة
معالجة تحديات قابلية التوسع الخاصة بتقنية البلوكشين لا تزال تعتبر مجالًا رئيسيًا للبحث. بالإضافة إلى تقنية التنفيذ المتوازي، هناك العديد من الحلول البديلة لقابلية التوسع تستحق الاستكشاف.
حلول الطبقة 2
تم تصميم حلول الطبقة 2 (L2) بشكل خاص لزيادة قدرة سلسلة الكتل. في جوهرها، توفر طبقة تنفيذ مستقلة، تتكون عادة من جزأين: شبكة لمعالجة المعاملات والعقود الذكية المنشورة على سلسلة الكتل الأساسية. تتعامل العقود الذكية مع النزاعات وتبلغ نتائج الإجماع من شبكة L2 إلى السلسلة الرئيسية للتحقق والتأكيد.
تقدم حلول الطبقة 2 مزايا متميزة وميزات تقنية. أولاً، تحسن قدرا كبيرا من التوسعة حيث لا يحتاج تأكيد كل صفقة على السلسلة الرئيسية. يمكن للطبقة 2 التعامل مع حجم عمليات أعلى، مما يخفف الازدحام على شبكات الطبقة 1 (مثل إيثريوم وبتكوين) ويقلل بشكل كبير من رسوم العمليات من خلال معالجة خارج السلسلة. على الرغم من أن معظم العمليات تحدث خارج السلسلة، إلا أن الطبقة 2 ما تزال تعتمد على أمان السلسلة الرئيسية، مما يضمن أن نتائج العمليات النهائية موثوقة ولا يمكن تغييرها.
تتضمن حلول L2 الشائعة قنوات الحالة و Rollups والبلازما. تسمح قنوات الحالة للعديد من المشاركين بالتفاعل خارج السلسلة بشكل متكرر ، وتقديم الحالة النهائية إلى blockchain فقط في النهاية ؛ شبكة Lightning الخاصة ب Bitcoin هي مثال نموذجي. يتم تقسيم Rollups ، وهو حاليا حل L2 الأكثر اعتمادا على نطاق واسع ، إلى Optimistic Rollups و zk-Rollups: تفترض Optimistic Rollups أن المعاملات صالحة ما لم يتم الاعتراض عليها ، بينما تستخدم zk-Rollups إثباتات المعرفة الصفرية لضمان دقة المعاملات عند تقديم البيانات. البلازما هي إطار يسمح بإنشاء سلاسل فرعية متعددة الطبقات ، كل منها قادر على التعامل مع العديد من المعاملات.
نظرة عامة على الحلول من الطبقة 2 (المصدر: blackmountainig.com)
تحسين آليات التوافق
يعد تحسين آليات الإجماع أيضا نهجا فعالا لتعزيز قابلية التوسع في blockchain. يتضمن ذلك إدخال خوارزميات إجماع أكثر كفاءة (مثل إثبات الحصة (PoS) والتسامح مع الخطأ البيزنطي (BFT)) لزيادة سرعة معالجة المعاملات. بالمقارنة مع إثبات العمل التقليدي (PoW) ، فإن آليات الإجماع الجديدة هذه أسرع في تأكيد المعاملات وتقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة ، وتتماشى بشكل أفضل مع متطلبات التنمية المستدامة.
علاوة على ذلك ، تعمل هذه الآليات على تسريع عملية الإجماع من خلال تحديد مولدات الكتل بناء على عوامل مثل الرموز المميزة التي تحتفظ بها عقد المدقق. ومع ذلك، وعلى الرغم من المزايا العديدة لتحسين آليات توافق الآراء، فإن الانتقال من الآليات القائمة إلى الآليات الجديدة غالبا ما يكون مصحوبا بتحديات ومخاطر تقنية، لا سيما قضايا التوافق وعدم استقرار النظام خلال الفترة الانتقالية. قد تؤدي بعض آليات الإجماع أيضا إلى مركزية السلطة ، مما يخلق ظاهرة "الأغنياء يزدادون ثراء" ، مما قد يهدد المبدأ الأساسي للامركزية blockchain. ومع ذلك ، بالنسبة لشبكات blockchain ذات المتطلبات العالية لكفاءة معالجة المعاملات واستهلاك الطاقة ، يظل تحسين آليات الإجماع حلا جديرا بالتوسع لاستكشافه.
آليات الإجماع PoW مقابل PoS (المصدر: blog.csdn.net）
تحسين معلمات الكتلة
تحسين معلمات الكتل يشمل ضبط معلمات رئيسية مثل حجم الكتلة ووقت الكتلة لتحسين قدرة معالجة سلسلة الكتل واستجابتها. توفر هذه الطريقة تحسينات أداء سريعة، وهي نسبيا بسيطة لتنفيذها، ولها تكاليف تنفيذ منخفضة، مما يجعلها مناسبة تمامًا للسيناريوهات التي تتطلب استجابة سريعة، مثل التعامل مع ذروات حركة المرور أو ذروات قصيرة الأمد في المعاملات.
ومع ذلك، يعتمد الأمر بشكل أساسي على تعديلات المعلمة وغالبًا ما يكون له تأثير محدود، ومن الضروري تحقيق توازن بين أداء الشبكة واستقرارها. قد تؤدي التغييرات الزائدة أو المتطرفة في المعلمات إلى ازدحام الشبكة أو تضارب في آلية التوافق. لذلك، فإن تحسين معلمات الكتلة مناسب عادةً للسيناريوهات ذات الطلبات الأدائية على المدى القصير، مثل الاستجابة السريعة لتغييرات السوق.
كل حل لتوسيع القدرات مناسب بشكل أفضل لحالات الاستخدام المختلفة. عند اختيار الحل المناسب للتوسع في القدرات، يجب على صناع القرار التأكد من أن الحلول المختارة يمكن أن تكمل بعضها البعض، وتوفر للصناعة مسارًا للتوسعة أكثر مرونة وكفاءة.
مقارنة الحلول
مقارنة حلول التوسيع المختلفة (مصدر الجدول: gate Learn)
ملخص للمزايا
زيادة الإنتاجية
بالمقارنة مع نماذج المعالجة المتسلسلة التقليدية ، يمكن لشبكات السلسلة المتوازية تحقيق سرعات معالجة المعاملات (TPS) تصل إلى 100 مرة أكبر من المعالجة المتسلسلة. على سبيل المثال ، يمكن لبنية مستوى البحر في Solana [6] التعامل مع أكثر من 50000 TPS في ظل الظروف المثلى. في حين أن السرعة الفعلية قد تختلف مع الطلب على الشبكة ، فإن هذا الأداء يتجاوز بكثير أداء سلاسل الكتل التقليدية.
أصبحت قابلية التوسع الأفقي الفعال ضرورية مع النمو السريع في حركة مرور الشبكة. تقدم سلاسل الكتل المتوازية معالجة متوازية متعددة الخيوط ، مما يمنح شبكات blockchain القدرة على التوسع مع زيادة طلب المستخدم. هذا مفيد بشكل خاص في تطبيقات المعاملات عالية التردد مثل الألعاب وسلاسل التوريد ، حيث يتيح التصميم المتوازي معالجة المهام اللامركزية للحفاظ على استقرار النظام وسرعة الاستجابة ، وتلبية متطلبات الإنتاجية للتطبيقات واسعة النطاق.
مسار المعالجة المتوازية لـ Solana (المصدر: blog.slerf.tools）
وقت الإستجابة المخفض
يقلل معالجة المعاملات المستقلة المتوازية بشكل كبير من التأخير من تقديم المعاملة إلى التنفيذ، مما يعتبر قيمة عالية في معالجة البيانات في الوقت الحقيقي. في السيناريوهات التي تتطلب استجابة سريعة - مثل التمويل اللامركزي (DeFi) - التأكيد الفوري للمعاملات ليس فقط يعزز تجربة المستخدم ولكنه يقلل أيضًا من مخاطر المعاملات وضغط النظام المرتبط بالتأخير.
على سبيل المثال، يقدم نموذج التنفيذ المتوازي لسوي آلية مبتكرة تسمح للمعاملات البسيطة، التي لا تتطلب إجماعا معقدا، بتجاوز آلية الإجماع، مما يؤدي إلى تقصير أوقات التأكيد بشكل كبير. بالمقارنة مع المعالجة التسلسلية التقليدية ، يدعم هذا التصميم المتوازي تنفيذ المعاملات في الوقت الفعلي ، وهو أمر أساسي للحفاظ على استقرار النظام وتجربة مستخدم سلسة.
مع استمرار تطور بروتوكولات الاتصال بين السلاسل وتقنيات التنفيذ المتوازي الجديدة، ستتمكن شبكات البلوكشين من تحقيق وسائط تشغيل أكثر كفاءة. ستصبح وقت الاستجابة المنخفض والنفاذية العالية أيضًا مؤشرات حاسمة للتنافسية السوقية.
تحسين استخدام الموارد
في سلاسل الكتل التقليدية ، حيث تتم معالجة المعاملات بالتتابع ، في معظم الأحيان تقوم عقدة واحدة فقط بإجراء عمليات بينما تنتظر العقد الأخرى ، مما يؤدي إلى تباطؤ الموارد. تسمح التقنية المتوازية للعديد من المدققين وأنوية المعالج بالعمل في وقت واحد ، مما يكسر عنق الزجاجة في المعالجة لعقدة واحدة ويزيد من كفاءة موارد الشبكة.
تحسين استخدام الموارد هذا لا يقضي فقط على "فترات الخمول" أثناء معالجة المعاملات ولكنه يعزز أيضًا أداء الشبكة العام بشكل كبير، خاصة في ظروف الحمولة العالية، مما يمكّن الشبكة من التعامل مع المزيد من طلبات المعاملات بتأخير أقل.
تكاليف المعاملات الأقل
على عكس المعالجة التسلسلية التقليدية، تمكّن التنفيذ المتوازي من تنفيذ عمليات تداول متقاطعة أكثر مرونة وكفاءة من خلال إدارة سوق محسّنة وتوزيع موارد مُحسّن، مما يُقلل بشكل كبير من الحمل الحسابي المتعلق بتنفيذ العقود الذكية وبالتالي يُخفض رسوم الغاز. يتم بهذا التصميم تحقيق أقصى استخدام لموارد الشبكة وتجنب إهدار الموارد الحسابية الناجمة عن تخزين المهام الفردية.
من خلال التوزيع الرشيد للحمل ، يتم تخصيص الموارد بكفاءة ، لذلك لا يحتاج المدققون وعقد المعالجة إلى التعامل مع البيانات الزائدة عن الحاجة ، مما يؤدي إلى بيئة معاملات blockchain أكثر اقتصادا للمطورين والمستخدمين.
شرح شبكة Sei للتنفيذ المتوازي على وسائل التواصل الاجتماعي（المصدر: x）
تحليل المخاطر
مخاطر الأمان
يقوم التجزئة بتقسيم البلوكشين إلى شرائح مستقلة متعددة، مما يمكّن المهاجمين من التركيز على شريحة محددة للسيطرة عليها. إذا نجح المهاجم في السيطرة على شريحة ما، فيمكنه التلاعب بالمعاملات والبيانات داخلها، مما يشكل تهديدًا خطيرًا لأمن الشبكة بشكل عام. يمكن أن يؤدي هذا التحكم المحلي إلى عمليات غير سليمة وتلاعب بالبيانات وربما تصعيد الهجمات على شرائح أخرى، مما يعرض سلامة وموثوقية البلوكشين بأكملها للخطر.
بالإضافة إلى ذلك، فإن أمان التواصل بين الشرائح العابرة أمر حاسم. إذا لم يكن التواصل بين الشرائح العابرة آمنًا، فقد يؤدي ذلك إلى فقدان البيانات، أو التلاعب بها، أو أخطاء في النقل، مما يخلق مشكلات محتملة في الثقة داخل النظام.
التعقيد التقني
تتطلب المعاملات بين الأجزاء تنسيق بيانات الحالة عبر الأجزاء المختلفة لضمان الذرية في المعاملات. لمنع فشل المعاملات بسبب التأخيرات أو مشكلات الشبكة، يحتاج المطورون أيضًا إلى تحسين آليات الرسائل ومزامنة الحالة.
لا يزيد هذا التحدي فقط من تعقيد تصميم النظام بل يتطلب أيضًا استراتيجيات جديدة داخل منطق العقد للتعامل مع الأخطاء والتناقضات المحتملة. يتوقف تنفيذ العقود الذكية عبر الشاردات بنجاح ليس فقط على القدرات التقنية للبلوكشين الأساسي ولكن أيضًا على تنفيذ استراتيجيات أكثر تعقيدًا في تصميم العقود لضمان التنفيذ السلس والفعال في بيئة شاردات.
نقص التوافق
تفتقر تقنية blockchain الموازية الحالية إلى التوحيد القياسي ، حيث تتبنى المنصات المختلفة تقنيات وبروتوكولات مختلفة. وقد أدى هذا التنوع إلى اختلافات كبيرة في آليات الإجماع وهياكل البيانات وطبقات البروتوكول. في حين أن هذا التنوع قد دفع الابتكار ، فقد قلل أيضا بشكل كبير من قابلية التشغيل البيني بين سلاسل الكتل المختلفة ، مما يجعل العمليات عبر السلسلة أكثر تعقيدا وصعوبة.
عدم التوافق ليس فقط يقيد تدفق الأصول بحرية بين سلاسل الكتل المختلفة ولكنه قد يشكل أيضًا مخاطر أمان، مثل فقدان الأصول المحتمل في عمليات السلسلة المتقاطعة. لذا، يتطلب معالجة مخاطر التوافق التنفيذ المتوازي الابتكار التكنولوجي والتوحيد والتعاون الواسع النطاق ضمن الصناعة لإنشاء بيئة أكثر قوة.
توصيات المستقبل
يجب أن يركز البحث المستقبلي في تقنية blockchain الموازية على تحسين الاتصال بين الأشرطة المتقاطعة.
يجب على الصناعة استكشاف بروتوكولات قياسية وإطارات التوافق بنشاط لضمان استمرارية البيانات ومعالجة المعاملات الدقيقة عبر الأجزاء الفرعية لتعزيز التكامل السلس للنظام ومشاركة الموارد ، وبالتالي تعزيز التآزر داخل البيئة البيئية للبلوكشين. بالإضافة إلى ذلك ، تبقى الأمان جانبًا رئيسيًا لتحسين التجزئة ، ويجب أن تطور الأبحاث المستقبلية نماذج أمان أقوى للحماية من الهجمات الخبيثة ودمج التقنيات الناشئة مثل البراهين بدون معرفة والتشفير المتجانس لتعزيز الخصوصية والتوافق على السلسلة.
فيما يتعلق بتوسيع التطبيق ، هناك بالفعل دراسات حالة ناجحة للاستفادة منها. فعلى سبيل المثال، حسنت يونيسواب إلى حد كبير قدرات الاستجابة من خلال المعالجة المتوازية، مما قلل من تكاليف المعاملات ومثل عمليات الدفع عبر الحدود إلى الحد الأمثل. يجب على الصناعات المختلفة استكشاف تطبيقات السلسلة المتوازية المتنوعة لإطلاق العنان لقيمتها عبر مختلف المجالات. ومن شأن ذلك أن يساعد في إرساء أساس متين لبيئة تطوير تكنولوجية تتسم بالكفاءة والشفافية والاستدامة، وتسريع التحول الرقمي ودعم مستقبل اقتصاد رقمي أكثر كفاءة.
المراجع
1.https://foresightnews.pro/article/detail/34400
2.https://pages.near.org/papers/nightshade/
3.https://www.sohu.com/a/479352768_121118710
4..https://www.immunebytes.com/blog/what-is-polkadot-a-brief-introduction/
5.https://blackmountainig.com/overview-of-layer-2-scaling-solutions/
6.https://www.sealevel.com/
مقالات ذات صلة
كيفية تخزين ETH？
ما هو Tronscan وكيف يمكنك استخدامه؟
كل ما تريد معرفته عن Blockchain
التنفيذ المتوازي: حلول لزيادة الإنتاجية وتقليل وقت الاستجابة
مقدمة
في سياق التطور السريع للاقتصاد الرقمي ، تتخلل تقنية blockchain ، كممثل لآليات الثقة اللامركزية ، تدريجيا قطاعات مثل التمويل وسلاسل التوريد والرعاية الصحية. ومع ذلك ، فإن أنظمة blockchain التقليدية ، التي تعتمد غالبا على بنى خطية واحدة ، بما في ذلك سلاسل الكتل الكاملة Turing مثل Ethereum ، غير قادرة بشكل متزايد على تلبية الطلب المتزايد في السوق. إنهم يواجهون تحديات خطيرة في قابلية التوسع وسرعة معالجة المعاملات. ظهرت تقنية موازاة Blockchain لمعالجة هذه المشكلات ، بهدف تمكين المعالجة المتزامنة لمعاملات متعددة.
نموذج تنفيذ متوازي لعملية تعاقد ذكي لسلسلة الكتل (المصدر: jos.org）
تقدم سلسلة الكتل الموازية تصميمًا للمعالجة الموازية داخل سلسلة الكتل، مما يسمح بمعالجة عمليات أو عقود ذكية متعددة بشكل متزامن بدلاً من تتابعي. يتيح هذا الآلية لشبكة سلسلة الكتل التعامل مع مزيد من العمليات في نفس الوقت، مما يزيد بشكل كبير من الطاقة الإنتاجية ويقلل من وقت الإستجابة للمعاملات، مما يجعلها حلاً أساسيًا لتلبية احتياجات التطبيقات على نطاق واسع.
يتناول هذا المقال مبادئ النواة لتوازي التشفير، محللًا مزاياه وتحدياته في التطبيقات العملية. إنه يعرض استكشاف وممارسة المشاريع الرائدة في تقنية التوازي، بهدف تقديم رؤى قيمة لتطوير مستقبل تقنية التشفير.
استراتيجيات التنفيذ التقني
التنفيذ المتوازي، وهي تقنية تسمح بتشغيل مهام متعددة بشكل متزامن، تم تطبيقها على نطاق واسع في مجالات مثل معالجة البيانات وتقديم الرسومات. إدخال هذه الفكرة في أنظمة البلوكشين يقلل بشكل فعال من أوقات معالجة المعاملات ويعالج الطلب المتزايد على القوة الحسابية.
هناك طرق مختلفة لتنفيذ المعالجة الموازية. يركز بعض مشاريع سلسلة الكتل على التنفيذ الموازي للعقود الذكية ، بينما يستهدف آخرون التوازي في التحقق من الصفقات وتحديثات الحالة. ومع ذلك ، يواجه كل طريقة تحديات تقنية محددة مع السعي لتحسين كفاءة الشبكة ، مع تفاصيل التنفيذ تعتمد على النهج المختار.
مسارات التنفيذ المتوازية مقابل المسارات التنفيذية التقليدية (المصدر: foresightnews.pro）
وصول الحالة / نموذج متفائل
تعتمد معظم سلاسل الكتل ذات القدرة على التنفيذ المتوازي على طريقتين شائعتين: طريقة الوصول إلى الحالة والنموذج التفاؤلي.
طريقة الوصول إلى الحالة هي نهج استراتيجي يحدد بشكل استباقي أي عمليات يمكنها الوصول إلى أجزاء محددة من حالة سلسلة الكتل، مما يسمح لسلسلة الكتل بتعيين عمليات مستقلة. بالمقابل، يفترض النموذج التفاؤلي أن جميع العمليات مستقلة، وفقط يتم التحقق من هذا الافتراض لاحقاً وإجراء التعديلات إذا لزم الأمر.
في نموذج الوصول الحالة، يستخدم تنفيذ المعاملة عادة استراتيجية التحكم التنافسية المتفائلة، مفترضاً أن المعاملات لا تتعارض. يحدث التراجع فقط عندما تنشأ الصراعات فعلياً. تعزز هذه الطريقة إنتاجية المعاملات وتحسن تجربة المستخدم، على الرغم من أنها تتطلب آلية كشف الصراع المصممة بدقة لضمان تناسق البيانات وأمان النظام.
عمارة شاردينغ
التجزئة هي واحدة من الحلول الأكثر شيوعًا لتوازي السلاسل الكتلية. فكرتها الأساسية هي تقسيم شبكة السلسلة الكتلية إلى عدة أجزاء، مما يتيح لكل جزء معالجة المعاملات والبيانات بشكل مستقل. هذا التصميم يحسن بشكل كبير قدرة معالجة الشبكة وقابليتها للتوسع، ويعالج ضعف أداء السلاسل الكتلية التقليدية. المشاريع الحالية التي تستخدم تقنية التجزئة تشمل Ethereum 2.0 و Zilliqa و NEAR Protocol و QuarkChain. تتعامل هذه المشاريع بفعالية مع قضايا قابلية التوسع في السلاسل الكتلية من خلال التجزئة، مما يحسن كفاءة الشبكة.
عند تطبيقها على تطبيقات blockchain ، يتم تنفيذ تقنية التجزئة عادة بالطرق الثلاث التالية:
كما يمكننا أن نرى ، تقنية التجزئة يمكن أن تقسم المعاملات بفعالية. على الرغم من أن لكل طريقة تجزئة مزاياها الخاصة في تحسين قابلية التوسع ، فإنها تواجه جميعًا التحدي الشائع للاتصال بين الأجزاء. من الضروري التحسين المستمر لخوارزميات توافق البيانات لضمان الأداء العام للنظام.
أخذ تقنية تقسيم TON الديناميكي كمثال
في بنية سلسلة كتل مقسمة، يبرز TON (The Open Network) بسبب تصميمه "التقسيم الديناميكي". باستخدام "نموذج التقسيم اللانهائي" (ISP)، يمكن لـ TON ضبط عدد الشرائح بمرونة لاستيعاب مطالب الشبكة في الوقت الحقيقي، مما يحقق إدارة فعالة للشريحة. توضح هذه البنية الأداء الكبير المحتمل، مما يتيح لـ TON الحفاظ على أداء عالي أثناء التعامل مع حجوم عمليات كبيرة ومعالجة مشاكل التوسع القائمة التي تواجهها سلاسل الكتل التقليدية.
يتكون هيكل تجزئة TON من أربعة مستويات من السلاسل:
- AccountChain: سلسلة معاملات مرتبطة بحساب محدد. عادةً ما يكون AccountChain مفهومًا افتراضيًا، حيث يوفر سجل معاملات مستقل لكل حساب، مما يضمن ترتيب السلسلة واتساق الحالة بموجب قواعد محددة.
- ShardChain: مجموعة من سلاسل الحسابات المتعددة، المسؤولة بشكل أساسي عن معالجة المعاملات والبيانات. استقلالية كل سلسلة تسمح بالحفاظ على حالة المعاملات بشكل مستقل.
- شبكة العمل: مكونة من عدة سلاسل فرعية مع قواعد قابلة للتخصيص. على سبيل المثال ، يمكن إنشاء سلسلة عمل مستندة إلى EVM لدعم بيئات العقود الذكية المحددة. مرونة سلاسل العمل تتيح للمستخدمين تخصيص هيكل السلسلة وفقًا لاحتياجاتهم الخاصة ، على الرغم من أن إنشائها يتطلب عملية حوكمة صارمة.
- سلسلة الماجستير: السلسلة الأساسية لشبكة TON، التي توفر النهوية لجميع سلسلة الشارد. بمجرد دمج تجزئة سلسلة بلوك هاش في بلوك سلسلة الماجستير، يصبح غير قابل للتغيير.
الهيكل الفريد لتقسيم TON يدعم المعالجة المتوازية عبر عدة سلاسل، مع تحقيق تنسيق فعال من خلال سلسلة الماستر (المصدر:OKX)
عملياً، يقوم TON بضبط عدد الشاردات بشكل ديناميكي للرد على تغييرات في حمولة الشبكة. يزيد أو يقلل عدد شاردشينز تلقائياً اعتماداً على الحمولة الحالية، مما يتيح للشبكة العمل بكفاءة: عندما تزيد الحمولة، يقوم TON بتحسين الشاردات للتعامل مع المزيد من المعاملات؛ وعندما تقل الحمولة، تدمج الشاردات لتوفير الموارد. من خلال نموذج التشظي اللانهائي، يمكن لـ TON دعم عدد شاردات تقريباً غير محدود، وبشكل نظري يمكن أن تصل إلى 2 إلى القوة 60 من ووركشاينز. بالإضافة إلى ذلك، يتكيف TON عن طريق إنشاء المزيد من الشاردات تلقائياً في المناطق التي تشهد تزايداً في تردد المعاملات، مما يحسن من كفاءة المعالجة.
يعتمد تصميم التجزئة الديناميكي بشكل كبير على الاتصال عبر السلسلة. لهذا ، قدمت TON خوارزمية توجيه hypercube. استنادا إلى الطوبولوجيا عالية الأبعاد، تقوم هذه الخوارزمية بتعيين معرف فريد لكل عقدة WorkChain، مما يتيح نقل المعلومات بين السلاسل عبر أقصر مسار، وتلبية احتياجات التوجيه في بيئة مقسمة على نطاق واسع. علاوة على ذلك ، طورت TON "Instant Hypercube Routing" ، والتي تستفيد من عقدة جذر Merkle Trie لتوفير دليل على التوجيه ، وتبسيط الرسائل المعقدة عبر السلسلة وتعزيز كفاءة الاتصال.
الجمع بين آلية الإجماع PoS
بالمقارنة مع آلية العمل الاحتكارية (PoW) التقليدية، تقوم آلية الحصة (PoS) بتحديد العُقد ذوي الرصيد الأكبر للمشاركة في التوافق، مما يقلل من تركيز قوة الحساب ويقلل من المنافسة واستهلاك الطاقة بين المنقبين. وهذا يعزز الكفاءة مع ضمان أمان النظام واللامركزية. تجميع PoS وsharding في إيثريوم 2.0 هو مثال كلاسيكي على هذه التكنولوجيا.
بشكل محدد، يقسم إيثيريوم 2.0 الشبكة إلى عدة شظايا ويستخدم آلية الحوكمة بناءً على الحصة لتعيين المهام بين عدة محكمين، حيث يكون كل محكم مسؤولًا عن التحقق من المعاملات داخل شظية واحدة، مما يزيد بشكل كبير من الطاقة الاستيعابية. تقلل آلية الحوكمة بناءً على الحصة أيضًا من مخاطر حصول أي محكم على تحكم مفرط من خلال اختيار عشوائي للمحكمين، مما يعزز الطبيعة اللامركزية لشبكة البلوكشين. فيما يتعلق بالأمان، يتم إدارة التحقق من شظية معينة عن طريق مجموعات عقد مختلفة، لذا سيحتاج المهاجم للتحكم في عدة شظايا من أجل شن هجوم، مما يجعل من الصعب تنفيذ هجوم بنسبة 51%. تحسن هذه الآلية المتعددة الطبقات للحماية أمان الشبكة.
بالمثل، يجمع بروتوكول NEAR [2] بين تقنية PoS وتقنية الشرائح. من خلال بروتوكولها "Nightshade"، يدمج NEAR التوافق PoS في تصميم سلسلة الكتل المتوازية، مما يزيد من الكفاءة مع السماح لكل شريحة بالحفاظ فقط على جزء من الحالة. هذا لا يضمن فقط توافق الشبكة العالمي ولكنه يعزز أيضًا أمان النظام.
توازي القائم على الحساب
تنفيذ موازي قائم على الحساب هو مفهوم جديد نسبيًا يهدف إلى تحسين كفاءة معالجة سلسلة الكتل من خلال تقسيم المهام الحسابية المعقدة إلى وحدات أصغر للتنفيذ الموازي. على الرغم من أن هذا النموذج المبتكر لم يحظى بقبول واسع حتى الآن، إلا أن تأثيره الثوري المحتمل يستحق الانتباه.
في الواقع، يتم توزيع العمليات المعقدة على عقد مختلفة للتنفيذ المتوازي، ويتم تجميع النتائج بعد اكتمال كل عقد حساباته. يعزز هذا النهج كفاءة الحساب، ويقلل من وقت الاستجابة للمعاملات، وهو مناسب تمامًا لتطبيقات الحساب المكثفة. ومع ذلك، تواجه تنفيذ هذه الطريقة تحديات عديدة، مثل ضمان كفاءة الاتصال بين العقد وتحقيق الاتساق النهائي للنتائج الحسابية.
دراستان بارزتان
في تطور تقنية blockchain ، تظهر Ethereum 2.0 و Polkadot كمثالين رائدين. هذه المشاريع هي في طليعة مواجهة التحديات الحرجة في مجال blockchain - وهي قابلية التوسع والأمن والاستدامة. دعنا نتعمق في تحليل مفصل لهاتين الحالتين الرائدتين.
إيثيريوم 2.0
إثريوم 2.0 (Eth2) هو ترقية رئيسية لشبكة إثريوم 1.0 التي تهدف إلى تعزيز قدرة التوسعة والأمان والاستدامة. التنفيذ المتوازي هو عنصر رئيسي في تحقيق هذه الأهداف.
من خلال الانتقال من آلية إثبات العمل (PoW) إلى إثبات الحصة (PoS) ، يقدم Ethereum 2.0 التجزئة ، ويقسم شبكة blockchain بأكملها إلى "أجزاء" أصغر. يمكن لكل جزء معالجة المعاملات والتحقق منها بشكل مستقل ، مما يزيد بشكل كبير من الإنتاجية الإجمالية. بالإضافة إلى ذلك ، يسمح Ethereum 2.0 لكل جزء بالحفاظ على حالته المستقلة ، مما يعزز كفاءة التنفيذ المتوازي ويقلل الحمل على السلسلة الرئيسية ، وبالتالي تمكين معالجة المعاملات بشكل أكثر كفاءة. أخيرا ، يشتمل Ethereum 2.0 على آلية اتصال فعالة عبر الأجزاء لضمان اتساق البيانات والتفاعل بين الأجزاء المختلفة ، وهو أمر ضروري لدعم التطبيقات اللامركزية المعقدة [3].
من خلال المعالجة المتوازية ، من المتوقع أن تزيد Ethereum 2.0 بشكل كبير من سرعة معالجة المعاملات ، مما يلبي بشكل فعال طلب المستخدم المتزايد وسيناريوهات التطبيقات المتنوعة ، لا سيما في قطاعات مثل DeFi و NFTs. باختصار ، من خلال تقديم التنفيذ المتوازي ، لا يحقق Ethereum 2.0 اختراقا تقنيا فحسب ، بل يضع أيضا أساسا أقوى لنمو التطبيقات اللامركزية ، مما يعزز قدرة شبكة Ethereum على التكيف في المستقبل.
رسم توضيحي لتجزئة بيانات إيثيريوم 2.0 (المصدر: sohu.com)
بولكادوت
Polkadot هو بروتوكول شبكة مبتكر متعدد السلاسل مصمم لتمكين قابلية التشغيل البيني وقابلية التوسع بين blockchains. كبنية متعددة السلاسل غير متجانسة ، يتكون Polkadot من "سلسلة ترحيل" مركزية و "Parachains" مستقلة متعددة. يمكن أن يكون لكل Parachain نموذج الحوكمة والاقتصاد الخاص بها ، مما يسمح لسلاسل الكتل المختلفة بالتواصل ومشاركة البيانات بكفاءة.
يستفيد تصميم Polkadot من آلية أمان مشتركة ، مما يضمن استفادة جميع Parachains من الأمان الذي توفره سلسلة الترحيل ، وبالتالي تقليل العبء الأمني على كل Parachain فردي. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم Polkadot تقنية التنفيذ المتوازي ، مما يسمح للعديد من Parachains بمعالجة المعاملات في وقت واحد ، مما يزيد بشكل كبير من الإنتاجية الإجمالية للشبكة. تمكن قدرة المعالجة المتوازية هذه Polkadot من التعامل مع متطلبات المعاملات المتزايدة بشكل فعال ، خاصة في DeFi و NFT وسيناريوهات التطبيقات المعقدة الأخرى [4].
آلية تمرير الرسائل عبر السلاسل الجانبية لـ Polkadot (XCMP) تمكّن التفاعل السلس بين سلاسل جانبية مختلفة، مما يوفر للمطورين نطاقًا أوسع للابتكار. من خلال XCMP، يمكن للمطورين إنشاء تطبيقات لامركزية متصلة ببعضها البعض، مما يعزز بشكل أكبر نمو النظام البيئي.
بنية التوافق بولكادوت (المصدر:ما هو بولكادوت؟ مقدمة موجزة - إيميون بايتس)
مقارنة الميزات
إيثريوم 2.0 مقابل. بولكادوت (مصدر الجدول: بوابة التعلم)
الحلول البديلة
معالجة تحديات قابلية التوسع الخاصة بتقنية البلوكشين لا تزال تعتبر مجالًا رئيسيًا للبحث. بالإضافة إلى تقنية التنفيذ المتوازي، هناك العديد من الحلول البديلة لقابلية التوسع تستحق الاستكشاف.
حلول الطبقة 2
تم تصميم حلول الطبقة 2 (L2) بشكل خاص لزيادة قدرة سلسلة الكتل. في جوهرها، توفر طبقة تنفيذ مستقلة، تتكون عادة من جزأين: شبكة لمعالجة المعاملات والعقود الذكية المنشورة على سلسلة الكتل الأساسية. تتعامل العقود الذكية مع النزاعات وتبلغ نتائج الإجماع من شبكة L2 إلى السلسلة الرئيسية للتحقق والتأكيد.
تقدم حلول الطبقة 2 مزايا متميزة وميزات تقنية. أولاً، تحسن قدرا كبيرا من التوسعة حيث لا يحتاج تأكيد كل صفقة على السلسلة الرئيسية. يمكن للطبقة 2 التعامل مع حجم عمليات أعلى، مما يخفف الازدحام على شبكات الطبقة 1 (مثل إيثريوم وبتكوين) ويقلل بشكل كبير من رسوم العمليات من خلال معالجة خارج السلسلة. على الرغم من أن معظم العمليات تحدث خارج السلسلة، إلا أن الطبقة 2 ما تزال تعتمد على أمان السلسلة الرئيسية، مما يضمن أن نتائج العمليات النهائية موثوقة ولا يمكن تغييرها.
تتضمن حلول L2 الشائعة قنوات الحالة و Rollups والبلازما. تسمح قنوات الحالة للعديد من المشاركين بالتفاعل خارج السلسلة بشكل متكرر ، وتقديم الحالة النهائية إلى blockchain فقط في النهاية ؛ شبكة Lightning الخاصة ب Bitcoin هي مثال نموذجي. يتم تقسيم Rollups ، وهو حاليا حل L2 الأكثر اعتمادا على نطاق واسع ، إلى Optimistic Rollups و zk-Rollups: تفترض Optimistic Rollups أن المعاملات صالحة ما لم يتم الاعتراض عليها ، بينما تستخدم zk-Rollups إثباتات المعرفة الصفرية لضمان دقة المعاملات عند تقديم البيانات. البلازما هي إطار يسمح بإنشاء سلاسل فرعية متعددة الطبقات ، كل منها قادر على التعامل مع العديد من المعاملات.
نظرة عامة على الحلول من الطبقة 2 (المصدر: blackmountainig.com)
تحسين آليات التوافق
يعد تحسين آليات الإجماع أيضا نهجا فعالا لتعزيز قابلية التوسع في blockchain. يتضمن ذلك إدخال خوارزميات إجماع أكثر كفاءة (مثل إثبات الحصة (PoS) والتسامح مع الخطأ البيزنطي (BFT)) لزيادة سرعة معالجة المعاملات. بالمقارنة مع إثبات العمل التقليدي (PoW) ، فإن آليات الإجماع الجديدة هذه أسرع في تأكيد المعاملات وتقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة ، وتتماشى بشكل أفضل مع متطلبات التنمية المستدامة.
علاوة على ذلك ، تعمل هذه الآليات على تسريع عملية الإجماع من خلال تحديد مولدات الكتل بناء على عوامل مثل الرموز المميزة التي تحتفظ بها عقد المدقق. ومع ذلك، وعلى الرغم من المزايا العديدة لتحسين آليات توافق الآراء، فإن الانتقال من الآليات القائمة إلى الآليات الجديدة غالبا ما يكون مصحوبا بتحديات ومخاطر تقنية، لا سيما قضايا التوافق وعدم استقرار النظام خلال الفترة الانتقالية. قد تؤدي بعض آليات الإجماع أيضا إلى مركزية السلطة ، مما يخلق ظاهرة "الأغنياء يزدادون ثراء" ، مما قد يهدد المبدأ الأساسي للامركزية blockchain. ومع ذلك ، بالنسبة لشبكات blockchain ذات المتطلبات العالية لكفاءة معالجة المعاملات واستهلاك الطاقة ، يظل تحسين آليات الإجماع حلا جديرا بالتوسع لاستكشافه.
آليات الإجماع PoW مقابل PoS (المصدر: blog.csdn.net）
تحسين معلمات الكتلة
تحسين معلمات الكتل يشمل ضبط معلمات رئيسية مثل حجم الكتلة ووقت الكتلة لتحسين قدرة معالجة سلسلة الكتل واستجابتها. توفر هذه الطريقة تحسينات أداء سريعة، وهي نسبيا بسيطة لتنفيذها، ولها تكاليف تنفيذ منخفضة، مما يجعلها مناسبة تمامًا للسيناريوهات التي تتطلب استجابة سريعة، مثل التعامل مع ذروات حركة المرور أو ذروات قصيرة الأمد في المعاملات.
ومع ذلك، يعتمد الأمر بشكل أساسي على تعديلات المعلمة وغالبًا ما يكون له تأثير محدود، ومن الضروري تحقيق توازن بين أداء الشبكة واستقرارها. قد تؤدي التغييرات الزائدة أو المتطرفة في المعلمات إلى ازدحام الشبكة أو تضارب في آلية التوافق. لذلك، فإن تحسين معلمات الكتلة مناسب عادةً للسيناريوهات ذات الطلبات الأدائية على المدى القصير، مثل الاستجابة السريعة لتغييرات السوق.
كل حل لتوسيع القدرات مناسب بشكل أفضل لحالات الاستخدام المختلفة. عند اختيار الحل المناسب للتوسع في القدرات، يجب على صناع القرار التأكد من أن الحلول المختارة يمكن أن تكمل بعضها البعض، وتوفر للصناعة مسارًا للتوسعة أكثر مرونة وكفاءة.
مقارنة الحلول
مقارنة حلول التوسيع المختلفة (مصدر الجدول: gate Learn)
ملخص للمزايا
زيادة الإنتاجية
بالمقارنة مع نماذج المعالجة المتسلسلة التقليدية ، يمكن لشبكات السلسلة المتوازية تحقيق سرعات معالجة المعاملات (TPS) تصل إلى 100 مرة أكبر من المعالجة المتسلسلة. على سبيل المثال ، يمكن لبنية مستوى البحر في Solana [6] التعامل مع أكثر من 50000 TPS في ظل الظروف المثلى. في حين أن السرعة الفعلية قد تختلف مع الطلب على الشبكة ، فإن هذا الأداء يتجاوز بكثير أداء سلاسل الكتل التقليدية.
أصبحت قابلية التوسع الأفقي الفعال ضرورية مع النمو السريع في حركة مرور الشبكة. تقدم سلاسل الكتل المتوازية معالجة متوازية متعددة الخيوط ، مما يمنح شبكات blockchain القدرة على التوسع مع زيادة طلب المستخدم. هذا مفيد بشكل خاص في تطبيقات المعاملات عالية التردد مثل الألعاب وسلاسل التوريد ، حيث يتيح التصميم المتوازي معالجة المهام اللامركزية للحفاظ على استقرار النظام وسرعة الاستجابة ، وتلبية متطلبات الإنتاجية للتطبيقات واسعة النطاق.
مسار المعالجة المتوازية لـ Solana (المصدر: blog.slerf.tools）
وقت الإستجابة المخفض
يقلل معالجة المعاملات المستقلة المتوازية بشكل كبير من التأخير من تقديم المعاملة إلى التنفيذ، مما يعتبر قيمة عالية في معالجة البيانات في الوقت الحقيقي. في السيناريوهات التي تتطلب استجابة سريعة - مثل التمويل اللامركزي (DeFi) - التأكيد الفوري للمعاملات ليس فقط يعزز تجربة المستخدم ولكنه يقلل أيضًا من مخاطر المعاملات وضغط النظام المرتبط بالتأخير.
على سبيل المثال، يقدم نموذج التنفيذ المتوازي لسوي آلية مبتكرة تسمح للمعاملات البسيطة، التي لا تتطلب إجماعا معقدا، بتجاوز آلية الإجماع، مما يؤدي إلى تقصير أوقات التأكيد بشكل كبير. بالمقارنة مع المعالجة التسلسلية التقليدية ، يدعم هذا التصميم المتوازي تنفيذ المعاملات في الوقت الفعلي ، وهو أمر أساسي للحفاظ على استقرار النظام وتجربة مستخدم سلسة.
مع استمرار تطور بروتوكولات الاتصال بين السلاسل وتقنيات التنفيذ المتوازي الجديدة، ستتمكن شبكات البلوكشين من تحقيق وسائط تشغيل أكثر كفاءة. ستصبح وقت الاستجابة المنخفض والنفاذية العالية أيضًا مؤشرات حاسمة للتنافسية السوقية.
تحسين استخدام الموارد
في سلاسل الكتل التقليدية ، حيث تتم معالجة المعاملات بالتتابع ، في معظم الأحيان تقوم عقدة واحدة فقط بإجراء عمليات بينما تنتظر العقد الأخرى ، مما يؤدي إلى تباطؤ الموارد. تسمح التقنية المتوازية للعديد من المدققين وأنوية المعالج بالعمل في وقت واحد ، مما يكسر عنق الزجاجة في المعالجة لعقدة واحدة ويزيد من كفاءة موارد الشبكة.
تحسين استخدام الموارد هذا لا يقضي فقط على "فترات الخمول" أثناء معالجة المعاملات ولكنه يعزز أيضًا أداء الشبكة العام بشكل كبير، خاصة في ظروف الحمولة العالية، مما يمكّن الشبكة من التعامل مع المزيد من طلبات المعاملات بتأخير أقل.
تكاليف المعاملات الأقل
على عكس المعالجة التسلسلية التقليدية، تمكّن التنفيذ المتوازي من تنفيذ عمليات تداول متقاطعة أكثر مرونة وكفاءة من خلال إدارة سوق محسّنة وتوزيع موارد مُحسّن، مما يُقلل بشكل كبير من الحمل الحسابي المتعلق بتنفيذ العقود الذكية وبالتالي يُخفض رسوم الغاز. يتم بهذا التصميم تحقيق أقصى استخدام لموارد الشبكة وتجنب إهدار الموارد الحسابية الناجمة عن تخزين المهام الفردية.
من خلال التوزيع الرشيد للحمل ، يتم تخصيص الموارد بكفاءة ، لذلك لا يحتاج المدققون وعقد المعالجة إلى التعامل مع البيانات الزائدة عن الحاجة ، مما يؤدي إلى بيئة معاملات blockchain أكثر اقتصادا للمطورين والمستخدمين.
شرح شبكة Sei للتنفيذ المتوازي على وسائل التواصل الاجتماعي（المصدر: x）
تحليل المخاطر
مخاطر الأمان
يقوم التجزئة بتقسيم البلوكشين إلى شرائح مستقلة متعددة، مما يمكّن المهاجمين من التركيز على شريحة محددة للسيطرة عليها. إذا نجح المهاجم في السيطرة على شريحة ما، فيمكنه التلاعب بالمعاملات والبيانات داخلها، مما يشكل تهديدًا خطيرًا لأمن الشبكة بشكل عام. يمكن أن يؤدي هذا التحكم المحلي إلى عمليات غير سليمة وتلاعب بالبيانات وربما تصعيد الهجمات على شرائح أخرى، مما يعرض سلامة وموثوقية البلوكشين بأكملها للخطر.
بالإضافة إلى ذلك، فإن أمان التواصل بين الشرائح العابرة أمر حاسم. إذا لم يكن التواصل بين الشرائح العابرة آمنًا، فقد يؤدي ذلك إلى فقدان البيانات، أو التلاعب بها، أو أخطاء في النقل، مما يخلق مشكلات محتملة في الثقة داخل النظام.
التعقيد التقني
تتطلب المعاملات بين الأجزاء تنسيق بيانات الحالة عبر الأجزاء المختلفة لضمان الذرية في المعاملات. لمنع فشل المعاملات بسبب التأخيرات أو مشكلات الشبكة، يحتاج المطورون أيضًا إلى تحسين آليات الرسائل ومزامنة الحالة.
لا يزيد هذا التحدي فقط من تعقيد تصميم النظام بل يتطلب أيضًا استراتيجيات جديدة داخل منطق العقد للتعامل مع الأخطاء والتناقضات المحتملة. يتوقف تنفيذ العقود الذكية عبر الشاردات بنجاح ليس فقط على القدرات التقنية للبلوكشين الأساسي ولكن أيضًا على تنفيذ استراتيجيات أكثر تعقيدًا في تصميم العقود لضمان التنفيذ السلس والفعال في بيئة شاردات.
نقص التوافق
تفتقر تقنية blockchain الموازية الحالية إلى التوحيد القياسي ، حيث تتبنى المنصات المختلفة تقنيات وبروتوكولات مختلفة. وقد أدى هذا التنوع إلى اختلافات كبيرة في آليات الإجماع وهياكل البيانات وطبقات البروتوكول. في حين أن هذا التنوع قد دفع الابتكار ، فقد قلل أيضا بشكل كبير من قابلية التشغيل البيني بين سلاسل الكتل المختلفة ، مما يجعل العمليات عبر السلسلة أكثر تعقيدا وصعوبة.
عدم التوافق ليس فقط يقيد تدفق الأصول بحرية بين سلاسل الكتل المختلفة ولكنه قد يشكل أيضًا مخاطر أمان، مثل فقدان الأصول المحتمل في عمليات السلسلة المتقاطعة. لذا، يتطلب معالجة مخاطر التوافق التنفيذ المتوازي الابتكار التكنولوجي والتوحيد والتعاون الواسع النطاق ضمن الصناعة لإنشاء بيئة أكثر قوة.
توصيات المستقبل
يجب أن يركز البحث المستقبلي في تقنية blockchain الموازية على تحسين الاتصال بين الأشرطة المتقاطعة.
يجب على الصناعة استكشاف بروتوكولات قياسية وإطارات التوافق بنشاط لضمان استمرارية البيانات ومعالجة المعاملات الدقيقة عبر الأجزاء الفرعية لتعزيز التكامل السلس للنظام ومشاركة الموارد ، وبالتالي تعزيز التآزر داخل البيئة البيئية للبلوكشين. بالإضافة إلى ذلك ، تبقى الأمان جانبًا رئيسيًا لتحسين التجزئة ، ويجب أن تطور الأبحاث المستقبلية نماذج أمان أقوى للحماية من الهجمات الخبيثة ودمج التقنيات الناشئة مثل البراهين بدون معرفة والتشفير المتجانس لتعزيز الخصوصية والتوافق على السلسلة.
فيما يتعلق بتوسيع التطبيق ، هناك بالفعل دراسات حالة ناجحة للاستفادة منها. فعلى سبيل المثال، حسنت يونيسواب إلى حد كبير قدرات الاستجابة من خلال المعالجة المتوازية، مما قلل من تكاليف المعاملات ومثل عمليات الدفع عبر الحدود إلى الحد الأمثل. يجب على الصناعات المختلفة استكشاف تطبيقات السلسلة المتوازية المتنوعة لإطلاق العنان لقيمتها عبر مختلف المجالات. ومن شأن ذلك أن يساعد في إرساء أساس متين لبيئة تطوير تكنولوجية تتسم بالكفاءة والشفافية والاستدامة، وتسريع التحول الرقمي ودعم مستقبل اقتصاد رقمي أكثر كفاءة.
المراجع
1.https://foresightnews.pro/article/detail/34400
2.https://pages.near.org/papers/nightshade/
3.https://www.sohu.com/a/479352768_121118710
4..https://www.immunebytes.com/blog/what-is-polkadot-a-brief-introduction/
5.https://blackmountainig.com/overview-of-layer-2-scaling-solutions/
6.https://www.sealevel.com/
مقالات ذات صلة
كيفية تخزين ETH？
ما هو Tronscan وكيف يمكنك استخدامه؟