حاليًا ، توفر blockchains السائدة مجموعة من التطبيقات ، بما في ذلك DeFi و NFT ووسائل التواصل الاجتماعي وحتى الألعاب. ومع ذلك ، فإن جودة وإمكانيات هذه التطبيقات محدودة بسبب قيود أساسية: صعوبة البلوكشين في معالجة معاملات متعددة في وقت واحد. يعد التنفيذ الموازي أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات اللامركزية لأنه يسمح لمنصات العقود الذكية بمعالجة معاملات متعددة في وقت واحد ، مما يزيد من الإنتاجية الإجمالية واستجابة الشبكة. لمعالجة هذه العقبة الحرجة ، ركزت التطورات الصناعية على مدى السنوات الخمس الماضية على تحسين أداء blockchain من خلال الموازاة.
في التقارير السابقة ، بحثنا في طرق مختلفة لتحسين قابلية التوسع ، وعرض التصميمات المعيارية ، والبنى المبتكرة مثل DAG ، ودراسات الحالة مثل Aptos و Sui. ومع ذلك ، فإن أحد الجوانب التي غالبًا ما يتم التغاضي عنها في فضاء blockchain هو كيفية تعامل الشبكة مع التنفيذ المتوازي وكيف تتم مقارنة هذه الأساليب.
يهدف تقرير البحث هذا إلى تسليط الضوء على بلوكشين الطبقة الأولى القادمة التي ستساعد في حل مشاكل البلوكشين الحالية وإنشاء إطار تصنيف للتنفيذ المتوازي في المستقبل. سنركز على كيفية تمكين هذه الحلول للتنفيذ المتوازي ومقارنة مناهجها للتغلب على قيود شبكات blockchain الحالية. من خلال دراسة الاستراتيجيات والتقنيات المختلفة التي تستخدمها سلاسل الكتل من الجيل التالي ، نأمل في تقديم رؤى قيمة حول مستقبل التنفيذ الموازي ودوره في دفع ابتكار blockchain.
EVM
تعتمد معظم منصات العقود الذكية اليوم على جهاز Ethereum Virtual Machine (EVM) ، لكنها تعاني من عيب كبير: لا يمكنها تنفيذ المعاملات بشكل متزامن. وقد دفع هذا القيد إلى تطوير موجة جديدة من حلول المستوى الأول تؤكد على التنفيذ المتوازي كوسيلة لزيادة قابلية التوسع والكفاءة.
تتكون blockchain للعقد الذكي من مكونين رئيسيين: آلية إجماع تساعد العقد على الاتفاق على ترتيب المعاملات وإدراجها ، وجهاز افتراضي يقوم بتشغيل كود التطبيق وتحديث حالة التطبيق وأرصدة الحسابات. قدمت Ethereum عقودًا ذكية قابلة للبرمجة من خلال EVM ، وهو نظام مشترك حيث تحتفظ كل عقدة بنسخة من جميع التطبيقات وحالتها. على الرغم من شعبيتها ، فإن البلوكشين التي تستخدم EVM محدودة من حيث سرعة المعالجة. على سبيل المثال ، يمكن لـ Ethereum معالجة حوالي 10 معاملات في الثانية (tps) ، بينما يمكن أن تصل سلسلة EVM الأسرع ، BinanceChain ، إلى أكثر من 200 tps فقط. يرجع عدم الكفاءة هذا إلى نموذج المعالجة المتسلسل لـ EVM ، أي تتم معالجة المعاملات واحدة تلو الأخرى.
Monad ، وهو L1 يركز على قابلية التوسع ، يقوم بهذا التحليل في منشور حديث ، "كمرجع: تتطلب لعبة ورق بسيطة مع 10000 مستخدم يتحرك كل 10 ثوانٍ 1000tps." انطلاقاً من الوضع الحالي ، من غير المحتمل أن تدعم EVM ذلك العديد من المعاملات في سلسلة واحدة.
لمواجهة هذا التحدي ، يستكشف المطورون الحلول التي تدعم التنفيذ المتوازي. يهدف هذا التقرير إلى إنشاء إطار عمل لتصنيف كيفية تحقيق هذه البلوكشين للتوازي ، مع التركيز على تحسين التنفيذ المتوازي. من خلال تنفيذ هذه الاستراتيجيات ، يمكن للنظم البيئية للعقود الذكية التغلب على قيود المعالجة المتسلسلة وتمهيد الطريق لاعتماد أوسع للتطبيقات اللامركزية.
ما هو التنفيذ المتوازي؟
في سلاسل الكتل ، يمكن فهم التنفيذ المتوازي من خلال تشبيه بسيط. تخيل متجر بقالة يحتاج إلى شحن العملاء مقابل مشترياتهم. إذا كان المتجر يحتوي على ممر تسجيل خروج واحد فقط ، فسوف يتحرك الخط ببطء ، مما يؤدي إلى إحباط العملاء وربما يدفعهم إلى التسوق في مكان آخر. استخدم المتجر العديد من مسارات الخروج وسجلات النقد لتسريع العملية. هذه معالجة متوازية في العمل ، مما يمكّن المتجر من تلبية احتياجات العديد من العملاء في نفس الوقت ، بدلاً من تلبية احتياجات عملاء واحد في وقت واحد.
بتطبيق هذا القياس على blockchain ، تمثل مسارات الخروج المتعددة مسارات أو ممرات مختلفة لمعالجة المعاملات. في التنفيذ المتوازي ، توجد هذه القنوات داخل نظام واحد ، مما يمكّنه من معالجة معاملات متعددة في وقت واحد. يسمح هذا الإعداد لنظام blockchain واحد بمعالجة حجم أكبر من المعاملات بشكل أكثر كفاءة ، وتحسين الأداء العام.
الآن بعد أن أدركنا أهمية التنفيذ الموازي لكفاءة blockchain وقابلية التوسع ، دعنا نتعمق قليلاً في آلياتها.
كيف يعمل التنفيذ المتوازي؟
يعني التنفيذ الموازي في blockchain معالجة المعاملات غير ذات الصلة في نفس الوقت. تعامل مع المعاملات غير ذات الصلة على أنها أحداث مستقلة. على سبيل المثال ، إذا تبادل شخصان الرموز المميزة في بورصات مختلفة ، فيمكن معالجة معاملاتهما في وقت واحد. ومع ذلك ، إذا كانوا يتداولون على نفس المنصة ، فقد تحتاج إلى تنفيذ المعاملات بترتيب معين.
يتمثل التحدي الرئيسي في تحقيق التنفيذ الموازي في تحديد المعاملات غير المترابطة وأيها مستقلة. يتضمن ذلك فهم كيفية تأثير كل معاملة على بيانات blockchain. مع العديد من التطبيقات المترابطة ، يمكن أن يكون تحديد المعاملات التي تعتمد على بعضها البعض أمرًا صعبًا.
تستخدم أنظمة blockchain المختلفة طرقًا مختلفة لتحديد المعاملات غير ذات الصلة ، عادةً عن طريق إدارة الوصول إلى بيانات blockchain. كل حساب أو عقد ذكي له نطاقه المحدد من البيانات التي يمكن تغييرها. لا تحاول المعاملات المستقلة تغيير نفس البيانات في نفس الكتلة ، بينما تفعل المعاملات ذات الصلة.
من المرجح أن تعتبر بعض المعاملات غير ذات صلة أكثر من غيرها. على سبيل المثال ، لا يؤثر النقل البسيط للرموز المميزة بين شخصين على الأشخاص الآخرين ، لذلك من الواضح أن هذه الأنواع من المعاملات تكون دائمًا مستقلة تقريبًا. ومع ذلك ، يمكن للمعاملات التي تتضمن نفس العقد أو الحساب الذكي تغيير بياناته ولا يمكن تنفيذها بشكل متوازٍ. مثال على ذلك هو معاملة الرمز المميز التي تتضمن منصات متعددة ، حيث يجب على جميع المنصات المشاركة الانتظار حتى تكتمل المعاملة الأولية قبل معالجة المعاملات الأخرى.
في الأقسام التالية ، سوف نتعمق في ثلاث طرق مختلفة لتحقيق التنفيذ المتوازي في أنظمة blockchain: الوصول إلى الحالة / التفاؤل ، والتجزئة ، والتنفيذ المتوازي القائم على الحساب. تجدر الإشارة إلى أنه تقليديًا ، تم اعتبار وصول الدولة والنماذج المتفائلة فقط من قبل الآخرين في صناعة blockchain كطرق تنفيذ متوازية حقًا ، لأنها تمكن blockchain واحد من معالجة المعاملات في وقت واحد. ومع ذلك ، مع ظهور بروتوكولات الاتصال عبر السلاسل المعقدة ، توسع مفهوم ما يشكل التنفيذ الموازي بشكل كبير. على سبيل المثال ، على الرغم من أن التجزئة لا يُنظر إليها تقليديًا على أنها وسيلة للتنفيذ المتوازي ، إلا أنها تسهل المعالجة المتوازية للمعاملات عبر أجزاء متعددة ، لذا فإن الأمر يستحق النظر. أخيرًا ، سوف نستكشف المفهوم الجديد نسبيًا للتنفيذ المتوازي القائم على الحساب. يمثل هذا النموذج المبتكر ، رغم أنه غير معروف على نطاق واسع ، نهجًا ثوريًا لمعالجة المعاملات الموازية في أنظمة blockchain ، والتي سنصفها بالتفصيل لاحقًا في هذه الورقة. بينما نستكشف هذه الأساليب ، سنكتشف كيف يقدم كل منها مزايا وتحديات فريدة لتقنية blockchain أكثر كفاءة وقابلية للتوسع.
التنفيذ الموازي: وصول الدولة والنموذج المتفائل
حاليًا ، تعتمد معظم سلاسل الكتل ذات التنفيذ المتوازي على طريقتين شائعتين: نهج الوصول إلى الدولة والنموذج المتفائل. نهج وصول الدولة هو نهج استراتيجي يحدد بشكل استباقي المعاملات التي يمكنها الوصول إلى أي جزء من حالة blockchain ، مما يسمح لـ blockchain بالإعلان بسهولة عن أي منها مستقل. من ناحية أخرى ، تعمل النماذج المتفائلة على افتراض أن جميع الصفقات مستقلة وتتحقق ببساطة من هذا الافتراض بأثر رجعي وإجراء التعديلات إذا لزم الأمر. تستغل العديد من سلاسل الكتل هذه الأساليب لتسهيل الموازاة ، مما يدل على كل من هذه الأساليب النظرية في العمل. عادة ما تكون هذه هي النماذج التي يشير إليها الناس عندما يناقشون سلاسل الكتل المتوازية. سيشرح هذا القسم هذين النهجين وتطبيقهما في مجال blockchain.
سولانا: رائد سلاسل البلوكشين المتوازية
أصبح Solana رائدًا في مجال blockchain ، حيث أصبح رائدًا في نهج فريد لإدارة المعاملات وتوسيع قابلية التوسع. إن ابتكاراتها الهائلة هي تحديد أجزاء حالة blockchain - السجل الشامل لجميع الحسابات أو الأصول - التي يمكن الوصول إليها من خلال إجراءات محددة.
فكر في الأمر على أنه نظام حفظ ملفات عملاق. تقدم كل معاملة طلبًا للوصول إلى ملف معين. يمكن معالجة المعاملات بشكل مستقل إذا كان طلب الملف فريدًا. ولكن إذا طلبوا نفس الملفات ، فإن هذه المعاملات تتشابك وتتطلب التنسيق. الحيلة الحقيقية هي تحديد أي معاملة تطلب أي ملف.
كأول blockchain متوازي ، يقدم Solana حلاً. يجب أن تعلن كل معاملة مسبقًا عن الملف الذي تنوي الوصول إليه. تم تضمين هذا المطلب في نموذج تنفيذ "SeaLevel" الخاص بسولانا ، حيث تعمل جميع الوظائف ضمن إطار عمل قائم على الحساب. لا يمكن الوصول إلى كل حساب إلا من خلال المعاملات المرتبطة به ، مما يمنع التعارضات المحتملة.
بشكل حاسم ، يستخدم Solana أيضًا إجراءات عديمي الجنسية الواردة في هذه الحسابات. البرامج عديمة الحالة هي أجزاء من التعليمات البرمجية التي لا تتذكر أي بيانات بين عمليات التنفيذ - فهي تبدأ من نقطة الصفر في كل مرة يتم تشغيلها. عند إجراء استدعاء وظيفي ، يتم تنشيط هذه البرامج لأداء مهامها دون الاعتماد على أي بيانات سابقة. يساعد هذا المفهوم في الحفاظ على استقلالية المعاملات ويساهم في نهج Solana المبتكر لتحسين قابلية تطوير blockchain.
سوي: مفهوم الكائنات
ظهرت Sui مؤخرًا وتسببت في إحداث ضجة كبيرة في فضاء blockchain. ولكن ما الذي يجلبه Sui بالضبط إلى الطاولة؟ للتعمق في الفروق الدقيقة في بنية Sui ، أنتج فريقنا ورقة شاملة تقارنها بـ Aptos ، وهو blockchain آخر سنستكشفه أكثر. ومع ذلك ، في هذه المرحلة ، فإن شاغلنا الرئيسي هو فهم نهج Sui الفريد لتنفيذ المعاملات الموازية.
استراتيجية Sui للموازنة مشابهة لاستراتيجية Solana ، لكن مع تطور فريد: استبدال الحسابات بهيكل يسمى "الكائنات". لا تشير معاملات Sui إلى الحسابات ، وبدلاً من ذلك ، فإنها تغير خصائص الكائنات ، والتي يمكن أن تكون أصولًا أو عقودًا ذكية. إذا تم تصنيف المعاملة على أنها مستقلة (أي إذا لم تتفاعل أي معاملات أخرى مع الكائن المستهدف) ، فسوف تتجاوز آلية الإجماع تمامًا - وهي ميزة تُعرف باسم البث الإجماعي البيزنطي.
للتوضيح ، لنفترض أن أليس تمتلك NFT فريدًا ، والذي يتم تمثيله ككائن في سياق Sui و "Alice" مُدرجة على أنها "مالكها". إذا قامت Alice بتحويل NFT هذا إلى Bob ، فسيتم التعامل مع المعاملة على أنها معاملة كائن منفصلة ، متجاوزة عملية الإجماع. ومع ذلك ، إذا قررت أليس إجراء عملية أكثر تعقيدًا ، مثل شراء NFT من خلال السوق ، فإن الديناميكيات تتغير. نظرًا لأنه يمكن معالجة العناصر من خلال معاملات أخرى ، فقد يتم تعيين المعاملة كمعاملة تابعة وقد تحتاج إلى التسلسل قبل التنفيذ.
الوقود: استخدم UTXO لتحسين التنفيذ
تعتبر شركة Fuel رائدة في مجال blockchain ، وتستفيد استفادة كاملة من نموذج UTXO (مخرجات المعاملات غير المنفقة). إذا كنت تفكر في نموذج UTXO على أنه معاملة نقدية فعلية ، فهذا يشبه شراء شيء مقابل 7 دولارات مع فاتورة بقيمة 10 دولارات والحصول على 3 دولارات في التغيير. باستخدام نموذج UTXO ، يمكن للوقود معالجة المعاملات بكفاءة بالتوازي. وذلك لأن نموذج UTXO يتيح سهولة التعرف على المعاملات المستقلة - تلك التي لا تتداخل في العناصر أو "الفواتير" التي تتفاعل معها. يعني هذا الاستقلال أنه يمكن معالجة هذه المعاملات بشكل متزامن دون تعارض ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاجية المعاملات بشكل ملحوظ.
تتبنى Bitcoin أيضًا نموذج UTXO ، والذي يستخدمه Fuel لإنشاء قوائم وصول صارمة. تعمل هذه القوائم كمنظمين ، حيث تتحكم في أي أجزاء من حالة blockchain يمكن الوصول إليها. تعتمد الاستراتيجية على فكرة ترتيب المعاملات المتعارف عليه ، والطريقة التي ترتب بها المعاملات داخل الكتلة ، وتبسط عملية تحديد التبعيات بين المعاملات.
جلب الوقود هذا المفهوم إلى الحياة من خلال تطوير آلة افتراضية جديدة ، FuelVM ، ولغة برمجة مبتكرة ، Sway. تم تصميم FuelVM كبديل بسيط ولكنه متوافق تمامًا مع جهاز Ethereum Virtual Machine (EVM) ، والذي يسمح للمطورين بالاندماج بشكل مباشر في نظام الوقود البيئي.
بالإضافة إلى ذلك ، يؤكد فيول على هيكل بلوكشين معياري. يسمح هذا النهج المعياري بتسوية المعاملات المنفذة داخل Fuel على شبكة Ethereum mainnet. نتيجة لذلك ، لدى Fuel القدرة على التعامل مع عدد كبير من المعاملات ، والتي يتم توحيدها وتسويتها على Ethereum. تتيح هذه الخطوة الاستراتيجية للوقود إدارة أحمال المعاملات الثقيلة بكفاءة.
Aptos: نفذ بطريقة متفائلة
في استكشافنا لموازنة blockchain ، وصفنا أولاً كيف تنشئ blockchain التبعيات عند بدء المعاملة. نسمي هذا نهج وصول الدولة ، حيث يحدد العقد الذكي أو المطور المعاملات التي يمكنها الوصول إلى أي جزء من الدولة. ننتقل الآن إلى تقنية أخرى تسمى التنفيذ المتفائل. التنفيذ المتفائل هو إستراتيجية تتم فيها معالجة كل معاملة كما لو كانت غير مرتبطة بأي معاملة أخرى ، مما يسمح بمعالجة جميع المعاملات في وقت واحد. ومع ذلك ، إذا اتضح أن بعض المعاملات مرتبطة ، فسيتم إيقافها ، ومسح نتائجها ، وإعادة تشغيلها. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تسريع الأمور عندما تكون المعاملات مستقلة في الغالب ، ولكن عندما يتم توصيل العديد منها ، يجب إيقاف المعالجة وإعادة تعيينها بشكل متكرر ، مما قد يؤدي إلى إبطاء المعاملات.
تستخدم Aptos طريقة تسمى Block Software Transactional Memory (Block-STM) لتطبيق التنفيذ المتفائل. تم إنشاء Aptos فوق لغة Diem's Move و MoveVM ، التي تكتشف تلقائيًا روابط المعاملات. لا تتطلب المعاملات تحديد أي جزء من حالة blockchain (مثل موقع الذاكرة) تتلامس معه.
*
المصدر: الورقة البيضاء Block-STM *
(يوضح الرسم التخطيطي أنه في حالة اتصال بعض المعاملات ، سيتم تعليق عملية التحقق ، وسيتم حذف النتائج ، ثم تشغيلها مرة أخرى.) *
في block-stm ، يتم تعيين المعاملات أولاً بترتيب معين داخل كتلة ، ثم يتم تقسيمها بين خيوط معالجة مختلفة للتنفيذ المتزامن. أثناء معالجة هذه المعاملات ، يتتبع النظام موقع الذاكرة الذي تتغير فيه كل معاملة. بعد كل جولة من المعالجة ، يتحقق النظام من جميع نتائج المعاملات. إذا وجدت أن إحدى المعاملات قد لمست موقع ذاكرة تم تغييره بواسطة معاملة سابقة ، فإنه يمسح نتائجها ويعيد تشغيلها مرة أخرى. تستمر هذه العملية حتى تتم معالجة كل معاملة في الكتلة.
يعتمد نجاح Block-STM إلى حد كبير على الروابط بين المعاملات. وفقًا لفريق Aptos ، فإن استخدام 32 مركزًا يوفر سرعة 8x عندما تكون المعاملات شديدة الارتباط ، وتسريع 16x عندما تكون المعاملات أقل ارتباطًا. ومع ذلك ، إذا كانت كل معاملة في كتلة متسلسلة ، فقد يؤدي block-stm إلى تباطؤ طفيف مقارنةً بالقيام بذلك واحدًا تلو الآخر.
موناد: قائد سلسلة EVM
كان Monad رائدًا في نهج جديد في blockchains المتوافقة مع EVM وكان أول blockchain يقدم بنية متوازية في الطبقة الأولى من EVM. مثل Aptos ، فإنه يأخذ مسار تنفيذ متفائل ، ويعمل على افتراض أن المعاملات ليست مترابطة ، وحل التبعيات عند ظهورها.
هذا النهج الجديد لا يخلو من التحديات. يعد إجراء تعديلات كبيرة على تقنية blockchain التزامًا معقدًا وطويل الأجل. ومع ذلك ، تظل Monads ملتزمة بالابتكار وأصبحت منارة لشبكات blockchain الأخرى التي تهدف إلى تعزيز بنيتها الخاصة.
خذ Polygon و BinanceSmartChain كأمثلة ، يحاول اثنان من سلاسل الكتل المعروفة الآن ترقية أنظمتهما ، باستخدام استراتيجيات مماثلة. لا يمكن المبالغة في أهمية عمل monads الرائد في التنفيذ المتفائل ، حيث أثر على المنصات الكبيرة لإعادة تقييم ومراجعة هياكلها الخاصة.
على سبيل المثال ، يتمتع Polygon بإنتاجية سريعة وملايين المعاملات اليومية. توفر واجهة برمجة التطبيقات الخاصة بالشبكات بالفعل بيانات كافية لتشغيل محرك متوازي ، ومن خلال استكشاف Block-STM الخاص بـ EVM ، تمكنوا من تجنب التغييرات في API. ومع ذلك ، بالنظر إلى حجم المعاملات الضخم في سلسلة PolygonPoS ، فإن افتراض عدم التبعيات بين أي كتل غير واقعي. لذلك ، تبنوا نهج الحد الأدنى من البيانات الوصفية ، حيث قاموا بتسجيل تبعيات المعاملات كبيانات وصفية في مجموعات ، مما يقلل من التكرار والمتطلبات الحسابية.
وبالمثل ، تستكشف BinanceSmartChain أيضًا فرص التنفيذ المتوازي ضمن سلسلة EVM الخاصة بها من خلال التنفيذ المتفائل ، مما يعكس تأثير نهج Monad المبتكر على الصناعة ككل.
أدت روح Monad المبتكرة والتزامها بدفع حدود تكنولوجيا blockchain إلى خلق اتجاه جديد في مجال EVM. نهجها المتمثل في اعتماد بنية موازية في الطبقة 1 من EVM لا يؤدي فقط إلى تحسين كفاءة نظامه الخاص ، ولكنه يؤثر أيضًا ويلهم لاعبين آخرين مهمين في هذا المجال ليحذوا حذوه ، مما يمثل تحولًا كبيرًا في مستقبل صناعة blockchain.
التنفيذ المتوازي على أساس التجزئة
لقد ناقشنا حتى الآن كيف تقوم سلاسل الكتل المختلفة بكسر الترتيب التسلسلي وتحقيق التوازي من خلال مفاهيم مثل الحسابات والكائنات و UTXOs والنماذج المتفائلة. ومع ذلك ، فإن الجيل التالي من البلوكشين الذي نحن على وشك دراسته يتخذ نهجًا فريدًا للتوازي. تشبه هذه الأنظمة الأساسية نموذج التجزئة ، بدلاً من امتلاك blockchain واحد قادر على معالجة المعاملات بشكل متوازٍ. ينقسم blockchain إلى أجزاء متعددة ، كل منها مسؤول عن معالجة معاملاته الخاصة.
شارديوم: طريقة تجزئة EVM
تقدم Shardeum نهجًا رائعًا لقابلية تطوير blockchain من خلال التجزئة الديناميكية ، مما يتيح قابلية التوسع الخطي. الأجزاء هي أقسام فرعية من الشبكة ، وكل جزء يتعامل مع جزء من معاملات الشبكة ، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الموارد والإنتاجية. ضع في اعتبارك مستخدمًا يجري معاملة على تطبيق لامركزي (dapp) مستضاف على Shardeum ، والذي تم تعيينه لجزء معين بناءً على البيانات المرتبطة به. تقوم Shard بمعالجة المعاملات بشكل متزامن مع الأجزاء الأخرى الخاضعة لولايتها القضائية ، مثل blockchain المصغر. يستفيد المستخدمون من المعالجة الأسرع وتحسين تجربة المستخدم.
الميزة الرئيسية لـ Shardeum هي توافقها مع جهاز Ethereum Virtual Machine (EVM). يمكن للمطورين بسهولة ترحيل dapps المستندة إلى Ethereum إلى Shardeum ، والجمع بين التجزئة الديناميكية والمعالجة المتوازية من Shardeum مع النظام البيئي الشامل Ethereum.
تضمن التجزئة الديناميكية قدرة الشبكة على التكيف مع الطلبات المتقلبة ، وتعزز قابلية التوسع والكفاءة العالية للنظام. تقوم Shardeum بأتمتة المعاملات عبر الأجزاء ، مما يسمح بالتنفيذ السلس للتطبيقات المعقدة التي تتطلب مدخلات من عدة مستخدمين ، مما يعزز قابلية التوسع.
ما يجعل Shardeum فريدة من نوعها هو قدرتها على التوسع الخطي. تتدرج الشبكة خطيًا عند إضافة العقد ، مما يعني زيادة معدل نقل المعاملات بشكل متناسب مع عدد العقد. هذا التحجيم الخطي ، جنبًا إلى جنب مع مرونة العقدة وإمكانيات التحجيم التلقائي ، يمكّن Shardeum من التعامل الأمثل مع أحمال العمل المتغيرة ونمو الشبكة. توفر Shardeum حلاً عمليًا لاحتياجات المعاملات في العالم الحقيقي من خلال تعزيز قابلية توسيع التطبيقات المعقدة وتوفير حل عملي لاحتياجات المعاملات في العالم الحقيقي.
Linera: بروتوكول ثوري متعدد السلاسل
يبرز حل Linera المبتكر لقابلية تطوير blockchain من خلال بروتوكولها الديناميكي متعدد السلاسل ، والذي يتضمن سلاسل مستخدمين وسلاسل عامة وسلاسل سريعة الزوال.
يوضح الرسم البياني أعلاه ثلاثة أنواع مختلفة من السلاسل في نظام Linera: سلاسل المستخدمين ، والسلاسل العامة ، والسلاسل المؤقتة. كل نوع من أنواع السلسلة له دور فريد يساهم في الوظيفة العامة للبروتوكول وقابلية التوسع فيه.
على عكس Shardeum ، حيث كانت Linera رائدة في مفهوم السلاسل التي يتحكم فيها المستخدم ، تقسم Shardeum شبكتها إلى العديد من سلاسل القطع ، كل منها مسؤول عن مجموعة فرعية من المعاملات. يمنح هذا الأسلوب الدقيق المستخدمين مزيدًا من التحكم والاستقلالية أثناء تحسين تخصيص الموارد عبر الشبكة.
تشكل سلاسل Userchains ، التي يملكها المستخدمون وحدهم ، العمود الفقري لبنية Linera. تعالج هذه السلاسل المعاملات لمستخدمين محددين بشكل مستقل ، مما يسمح بالتنفيذ المتوازي وزيادة الإنتاجية بشكل ملحوظ مع تقليل زمن الوصول.
تعتبر السلسلة العامة جزءًا مهمًا آخر من تصميم Linera. هذه السلاسل هي موطن للتطبيقات اللامركزية مثل Automated Market Makers (AMM). السلسلة العامة مفتوحة لجميع المشاركين في الشبكة ، مما يوفر منصة مشتركة للتطبيقات التي تتطلب تفاعلات مفتوحة وغير مقيدة.
تقدم Linera أيضًا مفهوم السلاسل المؤقتة ، المصممة خصيصًا للتعامل مع العمليات المعقدة مثل المقايضات الذرية. توفر هذه الميزة ميزة كبيرة على البروتوكولات التي تحتاج إلى تسجيل المعاملات على السلسلة الرئيسية ، والتي يمكن أن تخلق عنق الزجاجة. في Linera ، يتم إنشاء سلسلة مؤقتة أثناء التبادل الذري ، والتي تتم معالجتها بشكل مستقل وبالتوازي مع المعاملات الأخرى. بمجرد انتهاء المقايضة ، تختفي السلسلة المؤقتة وتنعكس الحالة المحدثة في سلسلة المستخدم المرتبطة.
يدعم هيكل البروتوكول التحجيم الأفقي ، وهو خاصية أساسية للحفاظ على أداء النظام تحت الأحمال المتغيرة. مع زيادة حركة المرور ، يمكن للمدققين إضافة المزيد من ماكينات العمال لإدارة النشاط المتزايد والحفاظ على الإنتاجية العالية في ظل الحمل العالي.
على عكس البروتوكولات الأخرى مثل Cosmos ، حيث يتم تشغيل كل blockchain أو "منطقة" بواسطة مجموعة مختلفة من المدققين ، توحد Linera جميع السلاسل في مجموعة واحدة من المدققين. يعزز هذا النهج الموحد كفاءة وأمن بروتوكول Linera ، ويبسط التفاعلات عبر السلاسل من خلال إزالة تعقيد التحقق من الصحة باستخدام مجموعات تحقق منفصلة ، مما قد يؤدي إلى زيادة زمن الانتقال أو التناقضات. نتيجة لذلك ، تتم معالجة المعاملات بشكل أكثر كفاءة في جميع أنحاء النظام البيئي ، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر النزاعات.
QuaiNetwork: تعزيز التوازي وقابلية التشغيل البيني بإثبات العمل
نحتت QuaiNetwork مسارها الخاص في صناعة blockchain من خلال نهجها الفريد في قابلية التوسع. من خلال تنفيذ بنية متعددة السلاسل ديناميكية وقابلة للتشغيل البيني ، توفر Quai حلاً فريدًا يعتمد على إثبات العمل لمشكلة قابلية التوسع ، مما يتيح موازاة المعاملات من خلال تنفيذ الأجزاء بشكل لا نهائي. يميز هذا النهج Quai عن بروتوكولات مثل Linera ، التي تستخدم سلاسل يتحكم فيها المستخدم ، بينما تشترك في بعض أوجه التشابه مع التجزئة الديناميكية في Shardeum.
يشبه إصدار التجزئة الذي يستخدمه Quai الطرق التقليدية المستخدمة لتحسين أداء قاعدة البيانات في الأنظمة المركزية. ومع ذلك ، يختلف Quai عن مخططات التجزئة النموذجية من حيث أنه يتميز بهيكل متعدد السلاسل ديناميكي وقابل للتكيف ومتشابك بعمق. هذا مشابه إلى حد ما للتجزئة الديناميكية لشارديوم ، حيث تنقسم الشبكة إلى سلاسل من القطع التي تعالج المعاملات بشكل مستقل. ومع ذلك ، يقوم Quai بتنسيق هذه القطع المختلفة باستخدام تسلسل هرمي للتعدين مدمج ، مما يؤدي إلى إنشاء اتصال بيني فريد يسمح بإجراء العمليات بالتوازي عبر الشبكة. على عكس جميع تطبيقات التجزئة الحالية ، والتي تقدم بعض آليات الثقة الجديدة لتسهيل التشغيل البيني (المعاملات عبر الأجزاء) ، تستخدم شبكة Quai التعدين المدمج لربط الأجزاء ، مما يضمن أن الآلية الوحيدة هي التعدين. يعمل نهج QuaiNetwork الفريد لإمكانية التشغيل البيني من خلال التعدين المدمج على زيادة الإنتاجية بشكل كبير ويوفر القدرة على استيعاب أعداد كبيرة من المعاملات المتزامنة دون التضحية باللامركزية أو الأداء.
لكي تكون قادرًا على تنسيق عدد غير محدود من أجزاء التنفيذ ، تقدم شبكة Quai آلية إجماع جديدة تسمى PoEM. يعتمد PoEM على إجماع إثبات العمل (PoW) ، ولكن على عكس آليات الإجماع الأخرى ، فهو أول من يلغي التشعب القائم على الإجماع. عند تشغيل PoEM ، ستتمتع جميع العقد دائمًا بنفس التفضيل للكتلة التالية في التسلسل على الفور ، مع إعطاء نفس مجموعة المعلومات. يسمح PoEM لجميع العقد بمقارنة أي كتلة مقترحة على الفور وبشكل عادل ، وإزالة كل عدم اليقين من الإجماع. من خلال ضمان أن يكون الإجماع دائمًا فوريًا ، يوفر PoEM الشرط الأساسي الضروري للتجزئة اللانهائية. إذا استغرق الأمر أي وقت للتوصل إلى إجماع ، فهناك حد شديد لعدد القطع المنفذة التي يمكن تنسيقها. كأول طريقة "وقت الصفر" للتوصل إلى إجماع ، فإن PoEM هي الخوارزمية الأولى والوحيدة التي توافق الآراء المناسبة لتنسيق مجموعات السلاسل المتزايدة بشكل لا نهائي.
من السمات البارزة للهندسة المعمارية في Quai إدخال خيوط التنفيذ المتوازية (PETs) ، والتي تسمى "المناطق" في Quai. كل "منطقة" أو مؤشر ترابط متوازي من التنفيذ يعالج المعاملات بشكل مستقل وغير متزامن. تدعم قدرة كل مؤشر ترابط تنفيذ Quai على معالجة المعاملات بشكل مستقل قدرات المعالجة المتوازية للشبكة ، والتي تعد أحد المفاهيم الأساسية وراء قابلية التوسع في Quai.
عدد السلاسل في QuaiNetwork ديناميكي وقابل للتكيف ، تمامًا مثل التجزئة الديناميكية في Shardeum. ومع ذلك ، فإن استخدام QuaiNetwork لآلية إجماع PoEM فريد من نوعه من حيث أنه يسمح بإجراء نمط التجزئة الديناميكي هذا بلا حدود دون تدهور الأداء. تضيف QuaiNetwork شظايا التنفيذ عبر التجزئة الديناميكية بمقايضة واضحة: مع إضافة المزيد من أجزاء التنفيذ إلى الشبكة ، سيزداد الوقت الذي تستغرقه المعاملات عبر السلسلة للإشارة إليها بواسطة الأجزاء المستهدفة. هذه العلاقة خطية فرعية - على سبيل المثال ، سيؤدي تحجيم Quai من 9 أجزاء إلى 16 جزء إلى زيادة متوسط الوقت اللازم لمعاملة عبر سلسلة للوصول إلى وجهتها من 3300 ثانية إلى 4400 ثانية. يؤدي التحجيم إلى 25 قطعة إلى زيادة متوسط الوقت إلى حوالي 5500 ثانية. من الناحية النظرية ، إذا توسع Quai إلى 100 جزء ، فإن متوسط الوقت اللازم للتسوية عبر السلاسل العالمية يكون حوالي 11000 ثانية. تراقب خوارزمية QuaiNetwork للتقسيم الديناميكي حد الغاز في الشبكة ومعدل كتلة العم لفهم متى تكون هناك حاجة إلى إنتاجية إضافية ، وتنسج تلقائيًا أجزاء تنفيذ إضافية في توافق لاستيعاب متطلبات الإنتاجية المتزايدة.
بالإضافة إلى ذلك ، يدعم الهيكل المنسوج من Quai العقود الذكية القابلة للتكوين متعددة السلاسل ويسمح بالتفاعل الفعال عبر السلسلة. يحتوي كل مؤشر ترابط تنفيذي لـ Quai على EVM ، ويتم تقديم أكواد تشغيل جديدة للتواصل مع EVM الموجود على الجزء البديل. تتيح هذه الإمكانية للمطورين نشر العقود عبر سلاسل Quai المتعددة أو جميعها ، مما يضمن قابلية تشغيل التطبيقات اللامركزية (dapps) عبر الشبكة.
يمثل تطبيق QuaiNetwork المبتكر للتجزئة ، إلى جانب قابلية التشغيل البيني المدمجة والتنفيذ المتوازي ، تقدمًا كبيرًا في قابلية تطوير blockchain في إطار آلية إجماع قائمة على العمل. تجعل المعالجة القوية للمعاملات عبر السلاسل وقدرات العقود الذكية المتقدمة Quai مساهمًا جديرًا بالملاحظة في المجال المتنامي لبروتوكولات blockchain القابلة للتطوير.
التنفيذ المتوازي القائم على الحساب
النموذج الناشئ في التنفيذ المتوازي للبلوكشين هو النموذج القائم على الحساب. صاغ هذا المصطلح فريق البحث لدينا في AmberGroup لوصف طريقة معالجة مهام الحوسبة بشكل متزامن في بيئة مشتركة. على عكس نماذج الوصول إلى الحالة والنماذج المتفائلة ، لا تعتمد النماذج القائمة على الحساب بشكل صارم على الحسابات المتسلسلة المستندة إلى الذاكرة. بدلاً من ذلك ، تعمل على مبدأ آلة افتراضية متوازية للغاية. يعزز هذا التصميم التنفيذ المتوازي القوي والفعال. تستكشف الأقسام التالية مبادئ التنفيذ المتوازي القائم على الحساب ، وتطبيقاته المحتملة ، والتحديات الفريدة التي يطرحها على مجال تكنولوجيا blockchain الأوسع.
Kindelia: قوة التنفيذ المتوازي القائم على الحساب
برز Kindelia كحل واعد في نماذج التنفيذ المتوازي القائمة على الحساب في سلاسل الكتل. تم تطويره بواسطة شركة HigherOrder Corporation ، وهو يعتمد على وقت تشغيل فريد يسمى الجهاز الظاهري ذي الترتيب الأعلى (HVM) ، والذي يتيح الحوسبة المتوازية الفعالة.
يعتمد ابتكار Kindelia على نموذج جديد للحوسبة يسمى "شبكة التفاعل" ، وهو مفهوم يختلف عن نموذج آلة Turing التي تدعم معظم أجهزة الكمبيوتر الحديثة. تعتمد شبكات التفاعل على رسم بياني لعقد التفاعل ، حيث تمتلك كل عقدة مجموعة معاد كتابتها من القواعد التي تملي كيفية تفاعلها مع العقد الأخرى في الشبكة. يتم إجراء الحساب عن طريق تقليل الشبكة المتفاعلة وإزالة العقد بشكل منهجي من الشبكة وفقًا لقواعد إعادة الكتابة الخاصة بها حتى الوصول إلى الحالة النهائية. يسمح هذا النموذج بإجراء الحساب بالتوازي دون الحاجة إلى ساعة مركزية لإملاء العملية ، حيث تتفاعل العقد محليًا دون أي تنسيق عالمي.
*
يوضح لنا رسم فيكتور تايلين (الرئيس التنفيذي لشركة HigherOrderCompany) كيفية تقليل شبكة التفاعل. *
مزايا هذا النموذج متعددة. نظرًا لتوازيه المتأصل ، فإنه يسهل عمليات حسابية أسرع وأكثر كفاءة ، متفوقًا بشكل كبير على نماذج الحوسبة التسلسلية التقليدية. علاوة على ذلك ، فإنه يفتح مجالًا للتطبيق في مختلف مجالات علوم الكمبيوتر. تبرز Kindelia كأول آلة افتراضية متوازية حقًا في سياق blockchain ، وتحقق العديد من الأهداف التي يطمح إليها altL1. ومع ذلك ، نظرًا لاعتمادهم على معماريات Turing القائمة على الآلة ، فقد لا يحقق هؤلاء المنافسون نفس المستوى من الموازاة أبدًا.
يتطلب تصميم Kindelia خطوات حسابية أقل لأداء الوظائف ، وتعظيم الاستفادة من نوى المعالجة ، وضمان تنفيذ العمليات بالترتيب الصحيح - كل ذلك بأقل جهد إضافي من المطورين. عملية التنفيذ المبسطة هذه ، إلى جانب مستوى أعلى من الأمان ، تجعل من Kindelia مثالًا متطورًا للتنفيذ المتوازي القائم على الحساب في تقنية blockchain.
على الرغم من أن الأساس النظري لـ Kindelia و HVM متقدم إلى حد ما ، إلا أن الأهمية العملية سهلة الفهم: لتحسين سرعة وكفاءة وأمان حوسبة blockchain. مع Kindelia ، نشهد قفزة ثورية إلى الأمام في تقنية blockchain ، مما يمثل علامة فارقة مهمة في التطوير المستمر لهذا المجال التحويلي.
مخاوف بشأن التنفيذ المتوازي
بينما نستكشف إمكانات سلاسل الكتل المتوازية ، من المهم أن ندرك أنه في حين أنها توفر قابلية التوسع الكبيرة ومزايا السرعة ، فإنها تقدم أيضًا تحديات فريدة وعيوبًا محتملة. المسألتان الرئيسيتان اللتان يتم ذكرهما غالبًا هما احتمال زيادة المركزية وارتفاع معدلات تعارض المعاملات.
توزع البلوكشين المتوازية معالجة المعاملات بين العديد من العقد ، وبالتالي زيادة إنتاجية معالجة المعاملات. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي هذا التوزيع أيضًا إلى تركيز القوة داخل عدد قليل من العقد ، وبالتالي تحقيق درجة معينة من المركزية. يمكن أن تقوض هذه المركزية مصداقية وأمن blockchain ، مما يجعلها أكثر عرضة للهجوم. بالإضافة إلى ذلك ، تزيد البلوكشين المتوازية من مخاطر تعطل الشبكة. على سبيل المثال ، شهدت شبكة Solana انقطاعًا في سبتمبر 2021 بسبب طلبات المعاملات الزائدة. يسلط الحادث الضوء على المخاطر المحتملة المرتبطة بتوسيع نطاق شبكات blockchain ويؤكد الحاجة إلى حلول يمكنها التعامل مع أحجام المعاملات الكبيرة دون المساس بالاستقرار.
معدل تعارض المعاملات هو قضية مهمة أخرى. تشير هذه النسبة إلى النسبة المئوية للمعاملات التي لا يمكن تنفيذها في وقت واحد بسبب التعارضات. يمكن أن يؤدي معدل التعارض المرتفع إلى عدد كبير من عمليات إعادة صياغة المعاملات في سلاسل البلوكشين المتوازية. وفقًا لتقرير Flashbots ، بلغ معدل تعارض معاملات Ethereum في عام 2017 حوالي 35 ٪. مع سيطرة التطبيقات الرئيسية مثل OpenSea و Uniswap على شبكة Ethereum ، من المحتمل أن يكون معدل التعارض أعلى.
في حالة التنفيذ المتفائل ، يمكن أن يؤدي حجم إعادة المعاملة إلى تعطيل خط الأنابيب بشدة إذا تجاوز معدل التعارض 30٪. تؤدي كل عملية إعادة إلى إبطاء معالجة المعاملات وتقليل فوائد الموازاة. لذلك ، تعد إدارة معدل تعارض المعاملات أمرًا بالغ الأهمية لضمان كفاءة سلاسل الكتل الموازية.
ختاماً
تجري تغييرات كبيرة في مجال blockchain حيث تحاول معالجة مشكلات قابلية التوسع والكفاءة المتأصلة في تصميمها. لقد اكتشفنا طرقًا مختلفة لتحقيق التنفيذ المتوازي ، لكل منها مزاياها وتحدياتها الفريدة. يمثل نموذج الوصول المعتمد على الدولة الخطوة الأولى في التغلب على الطبيعة التسلسلية للبلوكشين. التنفيذ المتفائل ، في حين أنه واعد ، يقدم أيضًا مخاطر النزاعات ويتطلب استراتيجيات فعالة لحل النزاعات. تأخذنا التقاسم خطوة إلى الأمام من خلال تقسيم الشبكة إلى أجزاء أصغر يمكن إدارتها ، كل منها قادر على معالجة المعاملات بشكل مستقل. أخيرًا ، يستخدم التنفيذ المتوازي المستند إلى الحوسبة علوم الكمبيوتر المتطورة لزيادة أداء العقدة وأمان التطبيقات إلى أقصى حد. على الرغم من التحديات والمشكلات المحتملة ، تُظهر هذه النماذج إمكانية تحسين أداء تقنيات blockchain بشكل كبير. مع استمرار تطور هذه التقنيات ونضجها ، نحن على أعتاب حقبة جديدة من تقنية blockchain.
شاهد النسخة الأصلية
المحتوى هو للمرجعية فقط، وليس دعوة أو عرضًا. لا يتم تقديم أي مشورة استثمارية أو ضريبية أو قانونية. للمزيد من الإفصاحات حول المخاطر، يُرجى الاطلاع على إخلاء المسؤولية.
تفسير متعمق للتنفيذ المتوازي: الإمكانات والتحديات والمستقبل
** العنوان الأصلي: "**** Parallel Power Unlocked ****" **
** بقلم: ROBERT MCTAGUE ، محلل استثمار ، Amber Labs **
** بقلم: ايفون **
التحديات الحالية التي تواجه صناعة blockchain
حاليًا ، توفر blockchains السائدة مجموعة من التطبيقات ، بما في ذلك DeFi و NFT ووسائل التواصل الاجتماعي وحتى الألعاب. ومع ذلك ، فإن جودة وإمكانيات هذه التطبيقات محدودة بسبب قيود أساسية: صعوبة البلوكشين في معالجة معاملات متعددة في وقت واحد. يعد التنفيذ الموازي أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات اللامركزية لأنه يسمح لمنصات العقود الذكية بمعالجة معاملات متعددة في وقت واحد ، مما يزيد من الإنتاجية الإجمالية واستجابة الشبكة. لمعالجة هذه العقبة الحرجة ، ركزت التطورات الصناعية على مدى السنوات الخمس الماضية على تحسين أداء blockchain من خلال الموازاة.
في التقارير السابقة ، بحثنا في طرق مختلفة لتحسين قابلية التوسع ، وعرض التصميمات المعيارية ، والبنى المبتكرة مثل DAG ، ودراسات الحالة مثل Aptos و Sui. ومع ذلك ، فإن أحد الجوانب التي غالبًا ما يتم التغاضي عنها في فضاء blockchain هو كيفية تعامل الشبكة مع التنفيذ المتوازي وكيف تتم مقارنة هذه الأساليب.
يهدف تقرير البحث هذا إلى تسليط الضوء على بلوكشين الطبقة الأولى القادمة التي ستساعد في حل مشاكل البلوكشين الحالية وإنشاء إطار تصنيف للتنفيذ المتوازي في المستقبل. سنركز على كيفية تمكين هذه الحلول للتنفيذ المتوازي ومقارنة مناهجها للتغلب على قيود شبكات blockchain الحالية. من خلال دراسة الاستراتيجيات والتقنيات المختلفة التي تستخدمها سلاسل الكتل من الجيل التالي ، نأمل في تقديم رؤى قيمة حول مستقبل التنفيذ الموازي ودوره في دفع ابتكار blockchain.
EVM
تعتمد معظم منصات العقود الذكية اليوم على جهاز Ethereum Virtual Machine (EVM) ، لكنها تعاني من عيب كبير: لا يمكنها تنفيذ المعاملات بشكل متزامن. وقد دفع هذا القيد إلى تطوير موجة جديدة من حلول المستوى الأول تؤكد على التنفيذ المتوازي كوسيلة لزيادة قابلية التوسع والكفاءة.
تتكون blockchain للعقد الذكي من مكونين رئيسيين: آلية إجماع تساعد العقد على الاتفاق على ترتيب المعاملات وإدراجها ، وجهاز افتراضي يقوم بتشغيل كود التطبيق وتحديث حالة التطبيق وأرصدة الحسابات. قدمت Ethereum عقودًا ذكية قابلة للبرمجة من خلال EVM ، وهو نظام مشترك حيث تحتفظ كل عقدة بنسخة من جميع التطبيقات وحالتها. على الرغم من شعبيتها ، فإن البلوكشين التي تستخدم EVM محدودة من حيث سرعة المعالجة. على سبيل المثال ، يمكن لـ Ethereum معالجة حوالي 10 معاملات في الثانية (tps) ، بينما يمكن أن تصل سلسلة EVM الأسرع ، BinanceChain ، إلى أكثر من 200 tps فقط. يرجع عدم الكفاءة هذا إلى نموذج المعالجة المتسلسل لـ EVM ، أي تتم معالجة المعاملات واحدة تلو الأخرى.
Monad ، وهو L1 يركز على قابلية التوسع ، يقوم بهذا التحليل في منشور حديث ، "كمرجع: تتطلب لعبة ورق بسيطة مع 10000 مستخدم يتحرك كل 10 ثوانٍ 1000tps." انطلاقاً من الوضع الحالي ، من غير المحتمل أن تدعم EVM ذلك العديد من المعاملات في سلسلة واحدة.
لمواجهة هذا التحدي ، يستكشف المطورون الحلول التي تدعم التنفيذ المتوازي. يهدف هذا التقرير إلى إنشاء إطار عمل لتصنيف كيفية تحقيق هذه البلوكشين للتوازي ، مع التركيز على تحسين التنفيذ المتوازي. من خلال تنفيذ هذه الاستراتيجيات ، يمكن للنظم البيئية للعقود الذكية التغلب على قيود المعالجة المتسلسلة وتمهيد الطريق لاعتماد أوسع للتطبيقات اللامركزية.
ما هو التنفيذ المتوازي؟
في سلاسل الكتل ، يمكن فهم التنفيذ المتوازي من خلال تشبيه بسيط. تخيل متجر بقالة يحتاج إلى شحن العملاء مقابل مشترياتهم. إذا كان المتجر يحتوي على ممر تسجيل خروج واحد فقط ، فسوف يتحرك الخط ببطء ، مما يؤدي إلى إحباط العملاء وربما يدفعهم إلى التسوق في مكان آخر. استخدم المتجر العديد من مسارات الخروج وسجلات النقد لتسريع العملية. هذه معالجة متوازية في العمل ، مما يمكّن المتجر من تلبية احتياجات العديد من العملاء في نفس الوقت ، بدلاً من تلبية احتياجات عملاء واحد في وقت واحد.
بتطبيق هذا القياس على blockchain ، تمثل مسارات الخروج المتعددة مسارات أو ممرات مختلفة لمعالجة المعاملات. في التنفيذ المتوازي ، توجد هذه القنوات داخل نظام واحد ، مما يمكّنه من معالجة معاملات متعددة في وقت واحد. يسمح هذا الإعداد لنظام blockchain واحد بمعالجة حجم أكبر من المعاملات بشكل أكثر كفاءة ، وتحسين الأداء العام.
الآن بعد أن أدركنا أهمية التنفيذ الموازي لكفاءة blockchain وقابلية التوسع ، دعنا نتعمق قليلاً في آلياتها.
كيف يعمل التنفيذ المتوازي؟
يعني التنفيذ الموازي في blockchain معالجة المعاملات غير ذات الصلة في نفس الوقت. تعامل مع المعاملات غير ذات الصلة على أنها أحداث مستقلة. على سبيل المثال ، إذا تبادل شخصان الرموز المميزة في بورصات مختلفة ، فيمكن معالجة معاملاتهما في وقت واحد. ومع ذلك ، إذا كانوا يتداولون على نفس المنصة ، فقد تحتاج إلى تنفيذ المعاملات بترتيب معين.
يتمثل التحدي الرئيسي في تحقيق التنفيذ الموازي في تحديد المعاملات غير المترابطة وأيها مستقلة. يتضمن ذلك فهم كيفية تأثير كل معاملة على بيانات blockchain. مع العديد من التطبيقات المترابطة ، يمكن أن يكون تحديد المعاملات التي تعتمد على بعضها البعض أمرًا صعبًا.
تستخدم أنظمة blockchain المختلفة طرقًا مختلفة لتحديد المعاملات غير ذات الصلة ، عادةً عن طريق إدارة الوصول إلى بيانات blockchain. كل حساب أو عقد ذكي له نطاقه المحدد من البيانات التي يمكن تغييرها. لا تحاول المعاملات المستقلة تغيير نفس البيانات في نفس الكتلة ، بينما تفعل المعاملات ذات الصلة.
من المرجح أن تعتبر بعض المعاملات غير ذات صلة أكثر من غيرها. على سبيل المثال ، لا يؤثر النقل البسيط للرموز المميزة بين شخصين على الأشخاص الآخرين ، لذلك من الواضح أن هذه الأنواع من المعاملات تكون دائمًا مستقلة تقريبًا. ومع ذلك ، يمكن للمعاملات التي تتضمن نفس العقد أو الحساب الذكي تغيير بياناته ولا يمكن تنفيذها بشكل متوازٍ. مثال على ذلك هو معاملة الرمز المميز التي تتضمن منصات متعددة ، حيث يجب على جميع المنصات المشاركة الانتظار حتى تكتمل المعاملة الأولية قبل معالجة المعاملات الأخرى.
في الأقسام التالية ، سوف نتعمق في ثلاث طرق مختلفة لتحقيق التنفيذ المتوازي في أنظمة blockchain: الوصول إلى الحالة / التفاؤل ، والتجزئة ، والتنفيذ المتوازي القائم على الحساب. تجدر الإشارة إلى أنه تقليديًا ، تم اعتبار وصول الدولة والنماذج المتفائلة فقط من قبل الآخرين في صناعة blockchain كطرق تنفيذ متوازية حقًا ، لأنها تمكن blockchain واحد من معالجة المعاملات في وقت واحد. ومع ذلك ، مع ظهور بروتوكولات الاتصال عبر السلاسل المعقدة ، توسع مفهوم ما يشكل التنفيذ الموازي بشكل كبير. على سبيل المثال ، على الرغم من أن التجزئة لا يُنظر إليها تقليديًا على أنها وسيلة للتنفيذ المتوازي ، إلا أنها تسهل المعالجة المتوازية للمعاملات عبر أجزاء متعددة ، لذا فإن الأمر يستحق النظر. أخيرًا ، سوف نستكشف المفهوم الجديد نسبيًا للتنفيذ المتوازي القائم على الحساب. يمثل هذا النموذج المبتكر ، رغم أنه غير معروف على نطاق واسع ، نهجًا ثوريًا لمعالجة المعاملات الموازية في أنظمة blockchain ، والتي سنصفها بالتفصيل لاحقًا في هذه الورقة. بينما نستكشف هذه الأساليب ، سنكتشف كيف يقدم كل منها مزايا وتحديات فريدة لتقنية blockchain أكثر كفاءة وقابلية للتوسع.
التنفيذ الموازي: وصول الدولة والنموذج المتفائل
حاليًا ، تعتمد معظم سلاسل الكتل ذات التنفيذ المتوازي على طريقتين شائعتين: نهج الوصول إلى الدولة والنموذج المتفائل. نهج وصول الدولة هو نهج استراتيجي يحدد بشكل استباقي المعاملات التي يمكنها الوصول إلى أي جزء من حالة blockchain ، مما يسمح لـ blockchain بالإعلان بسهولة عن أي منها مستقل. من ناحية أخرى ، تعمل النماذج المتفائلة على افتراض أن جميع الصفقات مستقلة وتتحقق ببساطة من هذا الافتراض بأثر رجعي وإجراء التعديلات إذا لزم الأمر. تستغل العديد من سلاسل الكتل هذه الأساليب لتسهيل الموازاة ، مما يدل على كل من هذه الأساليب النظرية في العمل. عادة ما تكون هذه هي النماذج التي يشير إليها الناس عندما يناقشون سلاسل الكتل المتوازية. سيشرح هذا القسم هذين النهجين وتطبيقهما في مجال blockchain.
سولانا: رائد سلاسل البلوكشين المتوازية
أصبح Solana رائدًا في مجال blockchain ، حيث أصبح رائدًا في نهج فريد لإدارة المعاملات وتوسيع قابلية التوسع. إن ابتكاراتها الهائلة هي تحديد أجزاء حالة blockchain - السجل الشامل لجميع الحسابات أو الأصول - التي يمكن الوصول إليها من خلال إجراءات محددة.
فكر في الأمر على أنه نظام حفظ ملفات عملاق. تقدم كل معاملة طلبًا للوصول إلى ملف معين. يمكن معالجة المعاملات بشكل مستقل إذا كان طلب الملف فريدًا. ولكن إذا طلبوا نفس الملفات ، فإن هذه المعاملات تتشابك وتتطلب التنسيق. الحيلة الحقيقية هي تحديد أي معاملة تطلب أي ملف.
كأول blockchain متوازي ، يقدم Solana حلاً. يجب أن تعلن كل معاملة مسبقًا عن الملف الذي تنوي الوصول إليه. تم تضمين هذا المطلب في نموذج تنفيذ "SeaLevel" الخاص بسولانا ، حيث تعمل جميع الوظائف ضمن إطار عمل قائم على الحساب. لا يمكن الوصول إلى كل حساب إلا من خلال المعاملات المرتبطة به ، مما يمنع التعارضات المحتملة.
بشكل حاسم ، يستخدم Solana أيضًا إجراءات عديمي الجنسية الواردة في هذه الحسابات. البرامج عديمة الحالة هي أجزاء من التعليمات البرمجية التي لا تتذكر أي بيانات بين عمليات التنفيذ - فهي تبدأ من نقطة الصفر في كل مرة يتم تشغيلها. عند إجراء استدعاء وظيفي ، يتم تنشيط هذه البرامج لأداء مهامها دون الاعتماد على أي بيانات سابقة. يساعد هذا المفهوم في الحفاظ على استقلالية المعاملات ويساهم في نهج Solana المبتكر لتحسين قابلية تطوير blockchain.
سوي: مفهوم الكائنات
ظهرت Sui مؤخرًا وتسببت في إحداث ضجة كبيرة في فضاء blockchain. ولكن ما الذي يجلبه Sui بالضبط إلى الطاولة؟ للتعمق في الفروق الدقيقة في بنية Sui ، أنتج فريقنا ورقة شاملة تقارنها بـ Aptos ، وهو blockchain آخر سنستكشفه أكثر. ومع ذلك ، في هذه المرحلة ، فإن شاغلنا الرئيسي هو فهم نهج Sui الفريد لتنفيذ المعاملات الموازية.
استراتيجية Sui للموازنة مشابهة لاستراتيجية Solana ، لكن مع تطور فريد: استبدال الحسابات بهيكل يسمى "الكائنات". لا تشير معاملات Sui إلى الحسابات ، وبدلاً من ذلك ، فإنها تغير خصائص الكائنات ، والتي يمكن أن تكون أصولًا أو عقودًا ذكية. إذا تم تصنيف المعاملة على أنها مستقلة (أي إذا لم تتفاعل أي معاملات أخرى مع الكائن المستهدف) ، فسوف تتجاوز آلية الإجماع تمامًا - وهي ميزة تُعرف باسم البث الإجماعي البيزنطي.
للتوضيح ، لنفترض أن أليس تمتلك NFT فريدًا ، والذي يتم تمثيله ككائن في سياق Sui و "Alice" مُدرجة على أنها "مالكها". إذا قامت Alice بتحويل NFT هذا إلى Bob ، فسيتم التعامل مع المعاملة على أنها معاملة كائن منفصلة ، متجاوزة عملية الإجماع. ومع ذلك ، إذا قررت أليس إجراء عملية أكثر تعقيدًا ، مثل شراء NFT من خلال السوق ، فإن الديناميكيات تتغير. نظرًا لأنه يمكن معالجة العناصر من خلال معاملات أخرى ، فقد يتم تعيين المعاملة كمعاملة تابعة وقد تحتاج إلى التسلسل قبل التنفيذ.
الوقود: استخدم UTXO لتحسين التنفيذ
تعتبر شركة Fuel رائدة في مجال blockchain ، وتستفيد استفادة كاملة من نموذج UTXO (مخرجات المعاملات غير المنفقة). إذا كنت تفكر في نموذج UTXO على أنه معاملة نقدية فعلية ، فهذا يشبه شراء شيء مقابل 7 دولارات مع فاتورة بقيمة 10 دولارات والحصول على 3 دولارات في التغيير. باستخدام نموذج UTXO ، يمكن للوقود معالجة المعاملات بكفاءة بالتوازي. وذلك لأن نموذج UTXO يتيح سهولة التعرف على المعاملات المستقلة - تلك التي لا تتداخل في العناصر أو "الفواتير" التي تتفاعل معها. يعني هذا الاستقلال أنه يمكن معالجة هذه المعاملات بشكل متزامن دون تعارض ، مما يؤدي إلى زيادة إنتاجية المعاملات بشكل ملحوظ.
تتبنى Bitcoin أيضًا نموذج UTXO ، والذي يستخدمه Fuel لإنشاء قوائم وصول صارمة. تعمل هذه القوائم كمنظمين ، حيث تتحكم في أي أجزاء من حالة blockchain يمكن الوصول إليها. تعتمد الاستراتيجية على فكرة ترتيب المعاملات المتعارف عليه ، والطريقة التي ترتب بها المعاملات داخل الكتلة ، وتبسط عملية تحديد التبعيات بين المعاملات.
جلب الوقود هذا المفهوم إلى الحياة من خلال تطوير آلة افتراضية جديدة ، FuelVM ، ولغة برمجة مبتكرة ، Sway. تم تصميم FuelVM كبديل بسيط ولكنه متوافق تمامًا مع جهاز Ethereum Virtual Machine (EVM) ، والذي يسمح للمطورين بالاندماج بشكل مباشر في نظام الوقود البيئي.
بالإضافة إلى ذلك ، يؤكد فيول على هيكل بلوكشين معياري. يسمح هذا النهج المعياري بتسوية المعاملات المنفذة داخل Fuel على شبكة Ethereum mainnet. نتيجة لذلك ، لدى Fuel القدرة على التعامل مع عدد كبير من المعاملات ، والتي يتم توحيدها وتسويتها على Ethereum. تتيح هذه الخطوة الاستراتيجية للوقود إدارة أحمال المعاملات الثقيلة بكفاءة.
Aptos: نفذ بطريقة متفائلة
في استكشافنا لموازنة blockchain ، وصفنا أولاً كيف تنشئ blockchain التبعيات عند بدء المعاملة. نسمي هذا نهج وصول الدولة ، حيث يحدد العقد الذكي أو المطور المعاملات التي يمكنها الوصول إلى أي جزء من الدولة. ننتقل الآن إلى تقنية أخرى تسمى التنفيذ المتفائل. التنفيذ المتفائل هو إستراتيجية تتم فيها معالجة كل معاملة كما لو كانت غير مرتبطة بأي معاملة أخرى ، مما يسمح بمعالجة جميع المعاملات في وقت واحد. ومع ذلك ، إذا اتضح أن بعض المعاملات مرتبطة ، فسيتم إيقافها ، ومسح نتائجها ، وإعادة تشغيلها. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تسريع الأمور عندما تكون المعاملات مستقلة في الغالب ، ولكن عندما يتم توصيل العديد منها ، يجب إيقاف المعالجة وإعادة تعيينها بشكل متكرر ، مما قد يؤدي إلى إبطاء المعاملات.
تستخدم Aptos طريقة تسمى Block Software Transactional Memory (Block-STM) لتطبيق التنفيذ المتفائل. تم إنشاء Aptos فوق لغة Diem's Move و MoveVM ، التي تكتشف تلقائيًا روابط المعاملات. لا تتطلب المعاملات تحديد أي جزء من حالة blockchain (مثل موقع الذاكرة) تتلامس معه.
المصدر: الورقة البيضاء Block-STM *
(يوضح الرسم التخطيطي أنه في حالة اتصال بعض المعاملات ، سيتم تعليق عملية التحقق ، وسيتم حذف النتائج ، ثم تشغيلها مرة أخرى.) *
في block-stm ، يتم تعيين المعاملات أولاً بترتيب معين داخل كتلة ، ثم يتم تقسيمها بين خيوط معالجة مختلفة للتنفيذ المتزامن. أثناء معالجة هذه المعاملات ، يتتبع النظام موقع الذاكرة الذي تتغير فيه كل معاملة. بعد كل جولة من المعالجة ، يتحقق النظام من جميع نتائج المعاملات. إذا وجدت أن إحدى المعاملات قد لمست موقع ذاكرة تم تغييره بواسطة معاملة سابقة ، فإنه يمسح نتائجها ويعيد تشغيلها مرة أخرى. تستمر هذه العملية حتى تتم معالجة كل معاملة في الكتلة.
يعتمد نجاح Block-STM إلى حد كبير على الروابط بين المعاملات. وفقًا لفريق Aptos ، فإن استخدام 32 مركزًا يوفر سرعة 8x عندما تكون المعاملات شديدة الارتباط ، وتسريع 16x عندما تكون المعاملات أقل ارتباطًا. ومع ذلك ، إذا كانت كل معاملة في كتلة متسلسلة ، فقد يؤدي block-stm إلى تباطؤ طفيف مقارنةً بالقيام بذلك واحدًا تلو الآخر.
موناد: قائد سلسلة EVM
كان Monad رائدًا في نهج جديد في blockchains المتوافقة مع EVM وكان أول blockchain يقدم بنية متوازية في الطبقة الأولى من EVM. مثل Aptos ، فإنه يأخذ مسار تنفيذ متفائل ، ويعمل على افتراض أن المعاملات ليست مترابطة ، وحل التبعيات عند ظهورها.
هذا النهج الجديد لا يخلو من التحديات. يعد إجراء تعديلات كبيرة على تقنية blockchain التزامًا معقدًا وطويل الأجل. ومع ذلك ، تظل Monads ملتزمة بالابتكار وأصبحت منارة لشبكات blockchain الأخرى التي تهدف إلى تعزيز بنيتها الخاصة.
خذ Polygon و BinanceSmartChain كأمثلة ، يحاول اثنان من سلاسل الكتل المعروفة الآن ترقية أنظمتهما ، باستخدام استراتيجيات مماثلة. لا يمكن المبالغة في أهمية عمل monads الرائد في التنفيذ المتفائل ، حيث أثر على المنصات الكبيرة لإعادة تقييم ومراجعة هياكلها الخاصة.
على سبيل المثال ، يتمتع Polygon بإنتاجية سريعة وملايين المعاملات اليومية. توفر واجهة برمجة التطبيقات الخاصة بالشبكات بالفعل بيانات كافية لتشغيل محرك متوازي ، ومن خلال استكشاف Block-STM الخاص بـ EVM ، تمكنوا من تجنب التغييرات في API. ومع ذلك ، بالنظر إلى حجم المعاملات الضخم في سلسلة PolygonPoS ، فإن افتراض عدم التبعيات بين أي كتل غير واقعي. لذلك ، تبنوا نهج الحد الأدنى من البيانات الوصفية ، حيث قاموا بتسجيل تبعيات المعاملات كبيانات وصفية في مجموعات ، مما يقلل من التكرار والمتطلبات الحسابية.
وبالمثل ، تستكشف BinanceSmartChain أيضًا فرص التنفيذ المتوازي ضمن سلسلة EVM الخاصة بها من خلال التنفيذ المتفائل ، مما يعكس تأثير نهج Monad المبتكر على الصناعة ككل.
أدت روح Monad المبتكرة والتزامها بدفع حدود تكنولوجيا blockchain إلى خلق اتجاه جديد في مجال EVM. نهجها المتمثل في اعتماد بنية موازية في الطبقة 1 من EVM لا يؤدي فقط إلى تحسين كفاءة نظامه الخاص ، ولكنه يؤثر أيضًا ويلهم لاعبين آخرين مهمين في هذا المجال ليحذوا حذوه ، مما يمثل تحولًا كبيرًا في مستقبل صناعة blockchain.
التنفيذ المتوازي على أساس التجزئة
لقد ناقشنا حتى الآن كيف تقوم سلاسل الكتل المختلفة بكسر الترتيب التسلسلي وتحقيق التوازي من خلال مفاهيم مثل الحسابات والكائنات و UTXOs والنماذج المتفائلة. ومع ذلك ، فإن الجيل التالي من البلوكشين الذي نحن على وشك دراسته يتخذ نهجًا فريدًا للتوازي. تشبه هذه الأنظمة الأساسية نموذج التجزئة ، بدلاً من امتلاك blockchain واحد قادر على معالجة المعاملات بشكل متوازٍ. ينقسم blockchain إلى أجزاء متعددة ، كل منها مسؤول عن معالجة معاملاته الخاصة.
شارديوم: طريقة تجزئة EVM
تقدم Shardeum نهجًا رائعًا لقابلية تطوير blockchain من خلال التجزئة الديناميكية ، مما يتيح قابلية التوسع الخطي. الأجزاء هي أقسام فرعية من الشبكة ، وكل جزء يتعامل مع جزء من معاملات الشبكة ، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الموارد والإنتاجية. ضع في اعتبارك مستخدمًا يجري معاملة على تطبيق لامركزي (dapp) مستضاف على Shardeum ، والذي تم تعيينه لجزء معين بناءً على البيانات المرتبطة به. تقوم Shard بمعالجة المعاملات بشكل متزامن مع الأجزاء الأخرى الخاضعة لولايتها القضائية ، مثل blockchain المصغر. يستفيد المستخدمون من المعالجة الأسرع وتحسين تجربة المستخدم.
الميزة الرئيسية لـ Shardeum هي توافقها مع جهاز Ethereum Virtual Machine (EVM). يمكن للمطورين بسهولة ترحيل dapps المستندة إلى Ethereum إلى Shardeum ، والجمع بين التجزئة الديناميكية والمعالجة المتوازية من Shardeum مع النظام البيئي الشامل Ethereum.
تضمن التجزئة الديناميكية قدرة الشبكة على التكيف مع الطلبات المتقلبة ، وتعزز قابلية التوسع والكفاءة العالية للنظام. تقوم Shardeum بأتمتة المعاملات عبر الأجزاء ، مما يسمح بالتنفيذ السلس للتطبيقات المعقدة التي تتطلب مدخلات من عدة مستخدمين ، مما يعزز قابلية التوسع.
ما يجعل Shardeum فريدة من نوعها هو قدرتها على التوسع الخطي. تتدرج الشبكة خطيًا عند إضافة العقد ، مما يعني زيادة معدل نقل المعاملات بشكل متناسب مع عدد العقد. هذا التحجيم الخطي ، جنبًا إلى جنب مع مرونة العقدة وإمكانيات التحجيم التلقائي ، يمكّن Shardeum من التعامل الأمثل مع أحمال العمل المتغيرة ونمو الشبكة. توفر Shardeum حلاً عمليًا لاحتياجات المعاملات في العالم الحقيقي من خلال تعزيز قابلية توسيع التطبيقات المعقدة وتوفير حل عملي لاحتياجات المعاملات في العالم الحقيقي.
Linera: بروتوكول ثوري متعدد السلاسل
يبرز حل Linera المبتكر لقابلية تطوير blockchain من خلال بروتوكولها الديناميكي متعدد السلاسل ، والذي يتضمن سلاسل مستخدمين وسلاسل عامة وسلاسل سريعة الزوال.
يوضح الرسم البياني أعلاه ثلاثة أنواع مختلفة من السلاسل في نظام Linera: سلاسل المستخدمين ، والسلاسل العامة ، والسلاسل المؤقتة. كل نوع من أنواع السلسلة له دور فريد يساهم في الوظيفة العامة للبروتوكول وقابلية التوسع فيه.
على عكس Shardeum ، حيث كانت Linera رائدة في مفهوم السلاسل التي يتحكم فيها المستخدم ، تقسم Shardeum شبكتها إلى العديد من سلاسل القطع ، كل منها مسؤول عن مجموعة فرعية من المعاملات. يمنح هذا الأسلوب الدقيق المستخدمين مزيدًا من التحكم والاستقلالية أثناء تحسين تخصيص الموارد عبر الشبكة.
تشكل سلاسل Userchains ، التي يملكها المستخدمون وحدهم ، العمود الفقري لبنية Linera. تعالج هذه السلاسل المعاملات لمستخدمين محددين بشكل مستقل ، مما يسمح بالتنفيذ المتوازي وزيادة الإنتاجية بشكل ملحوظ مع تقليل زمن الوصول.
تعتبر السلسلة العامة جزءًا مهمًا آخر من تصميم Linera. هذه السلاسل هي موطن للتطبيقات اللامركزية مثل Automated Market Makers (AMM). السلسلة العامة مفتوحة لجميع المشاركين في الشبكة ، مما يوفر منصة مشتركة للتطبيقات التي تتطلب تفاعلات مفتوحة وغير مقيدة.
تقدم Linera أيضًا مفهوم السلاسل المؤقتة ، المصممة خصيصًا للتعامل مع العمليات المعقدة مثل المقايضات الذرية. توفر هذه الميزة ميزة كبيرة على البروتوكولات التي تحتاج إلى تسجيل المعاملات على السلسلة الرئيسية ، والتي يمكن أن تخلق عنق الزجاجة. في Linera ، يتم إنشاء سلسلة مؤقتة أثناء التبادل الذري ، والتي تتم معالجتها بشكل مستقل وبالتوازي مع المعاملات الأخرى. بمجرد انتهاء المقايضة ، تختفي السلسلة المؤقتة وتنعكس الحالة المحدثة في سلسلة المستخدم المرتبطة.
يدعم هيكل البروتوكول التحجيم الأفقي ، وهو خاصية أساسية للحفاظ على أداء النظام تحت الأحمال المتغيرة. مع زيادة حركة المرور ، يمكن للمدققين إضافة المزيد من ماكينات العمال لإدارة النشاط المتزايد والحفاظ على الإنتاجية العالية في ظل الحمل العالي.
على عكس البروتوكولات الأخرى مثل Cosmos ، حيث يتم تشغيل كل blockchain أو "منطقة" بواسطة مجموعة مختلفة من المدققين ، توحد Linera جميع السلاسل في مجموعة واحدة من المدققين. يعزز هذا النهج الموحد كفاءة وأمن بروتوكول Linera ، ويبسط التفاعلات عبر السلاسل من خلال إزالة تعقيد التحقق من الصحة باستخدام مجموعات تحقق منفصلة ، مما قد يؤدي إلى زيادة زمن الانتقال أو التناقضات. نتيجة لذلك ، تتم معالجة المعاملات بشكل أكثر كفاءة في جميع أنحاء النظام البيئي ، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر النزاعات.
QuaiNetwork: تعزيز التوازي وقابلية التشغيل البيني بإثبات العمل
نحتت QuaiNetwork مسارها الخاص في صناعة blockchain من خلال نهجها الفريد في قابلية التوسع. من خلال تنفيذ بنية متعددة السلاسل ديناميكية وقابلة للتشغيل البيني ، توفر Quai حلاً فريدًا يعتمد على إثبات العمل لمشكلة قابلية التوسع ، مما يتيح موازاة المعاملات من خلال تنفيذ الأجزاء بشكل لا نهائي. يميز هذا النهج Quai عن بروتوكولات مثل Linera ، التي تستخدم سلاسل يتحكم فيها المستخدم ، بينما تشترك في بعض أوجه التشابه مع التجزئة الديناميكية في Shardeum.
يشبه إصدار التجزئة الذي يستخدمه Quai الطرق التقليدية المستخدمة لتحسين أداء قاعدة البيانات في الأنظمة المركزية. ومع ذلك ، يختلف Quai عن مخططات التجزئة النموذجية من حيث أنه يتميز بهيكل متعدد السلاسل ديناميكي وقابل للتكيف ومتشابك بعمق. هذا مشابه إلى حد ما للتجزئة الديناميكية لشارديوم ، حيث تنقسم الشبكة إلى سلاسل من القطع التي تعالج المعاملات بشكل مستقل. ومع ذلك ، يقوم Quai بتنسيق هذه القطع المختلفة باستخدام تسلسل هرمي للتعدين مدمج ، مما يؤدي إلى إنشاء اتصال بيني فريد يسمح بإجراء العمليات بالتوازي عبر الشبكة. على عكس جميع تطبيقات التجزئة الحالية ، والتي تقدم بعض آليات الثقة الجديدة لتسهيل التشغيل البيني (المعاملات عبر الأجزاء) ، تستخدم شبكة Quai التعدين المدمج لربط الأجزاء ، مما يضمن أن الآلية الوحيدة هي التعدين. يعمل نهج QuaiNetwork الفريد لإمكانية التشغيل البيني من خلال التعدين المدمج على زيادة الإنتاجية بشكل كبير ويوفر القدرة على استيعاب أعداد كبيرة من المعاملات المتزامنة دون التضحية باللامركزية أو الأداء.
لكي تكون قادرًا على تنسيق عدد غير محدود من أجزاء التنفيذ ، تقدم شبكة Quai آلية إجماع جديدة تسمى PoEM. يعتمد PoEM على إجماع إثبات العمل (PoW) ، ولكن على عكس آليات الإجماع الأخرى ، فهو أول من يلغي التشعب القائم على الإجماع. عند تشغيل PoEM ، ستتمتع جميع العقد دائمًا بنفس التفضيل للكتلة التالية في التسلسل على الفور ، مع إعطاء نفس مجموعة المعلومات. يسمح PoEM لجميع العقد بمقارنة أي كتلة مقترحة على الفور وبشكل عادل ، وإزالة كل عدم اليقين من الإجماع. من خلال ضمان أن يكون الإجماع دائمًا فوريًا ، يوفر PoEM الشرط الأساسي الضروري للتجزئة اللانهائية. إذا استغرق الأمر أي وقت للتوصل إلى إجماع ، فهناك حد شديد لعدد القطع المنفذة التي يمكن تنسيقها. كأول طريقة "وقت الصفر" للتوصل إلى إجماع ، فإن PoEM هي الخوارزمية الأولى والوحيدة التي توافق الآراء المناسبة لتنسيق مجموعات السلاسل المتزايدة بشكل لا نهائي.
من السمات البارزة للهندسة المعمارية في Quai إدخال خيوط التنفيذ المتوازية (PETs) ، والتي تسمى "المناطق" في Quai. كل "منطقة" أو مؤشر ترابط متوازي من التنفيذ يعالج المعاملات بشكل مستقل وغير متزامن. تدعم قدرة كل مؤشر ترابط تنفيذ Quai على معالجة المعاملات بشكل مستقل قدرات المعالجة المتوازية للشبكة ، والتي تعد أحد المفاهيم الأساسية وراء قابلية التوسع في Quai.
عدد السلاسل في QuaiNetwork ديناميكي وقابل للتكيف ، تمامًا مثل التجزئة الديناميكية في Shardeum. ومع ذلك ، فإن استخدام QuaiNetwork لآلية إجماع PoEM فريد من نوعه من حيث أنه يسمح بإجراء نمط التجزئة الديناميكي هذا بلا حدود دون تدهور الأداء. تضيف QuaiNetwork شظايا التنفيذ عبر التجزئة الديناميكية بمقايضة واضحة: مع إضافة المزيد من أجزاء التنفيذ إلى الشبكة ، سيزداد الوقت الذي تستغرقه المعاملات عبر السلسلة للإشارة إليها بواسطة الأجزاء المستهدفة. هذه العلاقة خطية فرعية - على سبيل المثال ، سيؤدي تحجيم Quai من 9 أجزاء إلى 16 جزء إلى زيادة متوسط الوقت اللازم لمعاملة عبر سلسلة للوصول إلى وجهتها من 3300 ثانية إلى 4400 ثانية. يؤدي التحجيم إلى 25 قطعة إلى زيادة متوسط الوقت إلى حوالي 5500 ثانية. من الناحية النظرية ، إذا توسع Quai إلى 100 جزء ، فإن متوسط الوقت اللازم للتسوية عبر السلاسل العالمية يكون حوالي 11000 ثانية. تراقب خوارزمية QuaiNetwork للتقسيم الديناميكي حد الغاز في الشبكة ومعدل كتلة العم لفهم متى تكون هناك حاجة إلى إنتاجية إضافية ، وتنسج تلقائيًا أجزاء تنفيذ إضافية في توافق لاستيعاب متطلبات الإنتاجية المتزايدة.
بالإضافة إلى ذلك ، يدعم الهيكل المنسوج من Quai العقود الذكية القابلة للتكوين متعددة السلاسل ويسمح بالتفاعل الفعال عبر السلسلة. يحتوي كل مؤشر ترابط تنفيذي لـ Quai على EVM ، ويتم تقديم أكواد تشغيل جديدة للتواصل مع EVM الموجود على الجزء البديل. تتيح هذه الإمكانية للمطورين نشر العقود عبر سلاسل Quai المتعددة أو جميعها ، مما يضمن قابلية تشغيل التطبيقات اللامركزية (dapps) عبر الشبكة.
يمثل تطبيق QuaiNetwork المبتكر للتجزئة ، إلى جانب قابلية التشغيل البيني المدمجة والتنفيذ المتوازي ، تقدمًا كبيرًا في قابلية تطوير blockchain في إطار آلية إجماع قائمة على العمل. تجعل المعالجة القوية للمعاملات عبر السلاسل وقدرات العقود الذكية المتقدمة Quai مساهمًا جديرًا بالملاحظة في المجال المتنامي لبروتوكولات blockchain القابلة للتطوير.
التنفيذ المتوازي القائم على الحساب
النموذج الناشئ في التنفيذ المتوازي للبلوكشين هو النموذج القائم على الحساب. صاغ هذا المصطلح فريق البحث لدينا في AmberGroup لوصف طريقة معالجة مهام الحوسبة بشكل متزامن في بيئة مشتركة. على عكس نماذج الوصول إلى الحالة والنماذج المتفائلة ، لا تعتمد النماذج القائمة على الحساب بشكل صارم على الحسابات المتسلسلة المستندة إلى الذاكرة. بدلاً من ذلك ، تعمل على مبدأ آلة افتراضية متوازية للغاية. يعزز هذا التصميم التنفيذ المتوازي القوي والفعال. تستكشف الأقسام التالية مبادئ التنفيذ المتوازي القائم على الحساب ، وتطبيقاته المحتملة ، والتحديات الفريدة التي يطرحها على مجال تكنولوجيا blockchain الأوسع.
Kindelia: قوة التنفيذ المتوازي القائم على الحساب
برز Kindelia كحل واعد في نماذج التنفيذ المتوازي القائمة على الحساب في سلاسل الكتل. تم تطويره بواسطة شركة HigherOrder Corporation ، وهو يعتمد على وقت تشغيل فريد يسمى الجهاز الظاهري ذي الترتيب الأعلى (HVM) ، والذي يتيح الحوسبة المتوازية الفعالة.
يعتمد ابتكار Kindelia على نموذج جديد للحوسبة يسمى "شبكة التفاعل" ، وهو مفهوم يختلف عن نموذج آلة Turing التي تدعم معظم أجهزة الكمبيوتر الحديثة. تعتمد شبكات التفاعل على رسم بياني لعقد التفاعل ، حيث تمتلك كل عقدة مجموعة معاد كتابتها من القواعد التي تملي كيفية تفاعلها مع العقد الأخرى في الشبكة. يتم إجراء الحساب عن طريق تقليل الشبكة المتفاعلة وإزالة العقد بشكل منهجي من الشبكة وفقًا لقواعد إعادة الكتابة الخاصة بها حتى الوصول إلى الحالة النهائية. يسمح هذا النموذج بإجراء الحساب بالتوازي دون الحاجة إلى ساعة مركزية لإملاء العملية ، حيث تتفاعل العقد محليًا دون أي تنسيق عالمي.
يوضح لنا رسم فيكتور تايلين (الرئيس التنفيذي لشركة HigherOrderCompany) كيفية تقليل شبكة التفاعل. *
مزايا هذا النموذج متعددة. نظرًا لتوازيه المتأصل ، فإنه يسهل عمليات حسابية أسرع وأكثر كفاءة ، متفوقًا بشكل كبير على نماذج الحوسبة التسلسلية التقليدية. علاوة على ذلك ، فإنه يفتح مجالًا للتطبيق في مختلف مجالات علوم الكمبيوتر. تبرز Kindelia كأول آلة افتراضية متوازية حقًا في سياق blockchain ، وتحقق العديد من الأهداف التي يطمح إليها altL1. ومع ذلك ، نظرًا لاعتمادهم على معماريات Turing القائمة على الآلة ، فقد لا يحقق هؤلاء المنافسون نفس المستوى من الموازاة أبدًا.
يتطلب تصميم Kindelia خطوات حسابية أقل لأداء الوظائف ، وتعظيم الاستفادة من نوى المعالجة ، وضمان تنفيذ العمليات بالترتيب الصحيح - كل ذلك بأقل جهد إضافي من المطورين. عملية التنفيذ المبسطة هذه ، إلى جانب مستوى أعلى من الأمان ، تجعل من Kindelia مثالًا متطورًا للتنفيذ المتوازي القائم على الحساب في تقنية blockchain.
على الرغم من أن الأساس النظري لـ Kindelia و HVM متقدم إلى حد ما ، إلا أن الأهمية العملية سهلة الفهم: لتحسين سرعة وكفاءة وأمان حوسبة blockchain. مع Kindelia ، نشهد قفزة ثورية إلى الأمام في تقنية blockchain ، مما يمثل علامة فارقة مهمة في التطوير المستمر لهذا المجال التحويلي.
مخاوف بشأن التنفيذ المتوازي
بينما نستكشف إمكانات سلاسل الكتل المتوازية ، من المهم أن ندرك أنه في حين أنها توفر قابلية التوسع الكبيرة ومزايا السرعة ، فإنها تقدم أيضًا تحديات فريدة وعيوبًا محتملة. المسألتان الرئيسيتان اللتان يتم ذكرهما غالبًا هما احتمال زيادة المركزية وارتفاع معدلات تعارض المعاملات.
توزع البلوكشين المتوازية معالجة المعاملات بين العديد من العقد ، وبالتالي زيادة إنتاجية معالجة المعاملات. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي هذا التوزيع أيضًا إلى تركيز القوة داخل عدد قليل من العقد ، وبالتالي تحقيق درجة معينة من المركزية. يمكن أن تقوض هذه المركزية مصداقية وأمن blockchain ، مما يجعلها أكثر عرضة للهجوم. بالإضافة إلى ذلك ، تزيد البلوكشين المتوازية من مخاطر تعطل الشبكة. على سبيل المثال ، شهدت شبكة Solana انقطاعًا في سبتمبر 2021 بسبب طلبات المعاملات الزائدة. يسلط الحادث الضوء على المخاطر المحتملة المرتبطة بتوسيع نطاق شبكات blockchain ويؤكد الحاجة إلى حلول يمكنها التعامل مع أحجام المعاملات الكبيرة دون المساس بالاستقرار.
معدل تعارض المعاملات هو قضية مهمة أخرى. تشير هذه النسبة إلى النسبة المئوية للمعاملات التي لا يمكن تنفيذها في وقت واحد بسبب التعارضات. يمكن أن يؤدي معدل التعارض المرتفع إلى عدد كبير من عمليات إعادة صياغة المعاملات في سلاسل البلوكشين المتوازية. وفقًا لتقرير Flashbots ، بلغ معدل تعارض معاملات Ethereum في عام 2017 حوالي 35 ٪. مع سيطرة التطبيقات الرئيسية مثل OpenSea و Uniswap على شبكة Ethereum ، من المحتمل أن يكون معدل التعارض أعلى.
في حالة التنفيذ المتفائل ، يمكن أن يؤدي حجم إعادة المعاملة إلى تعطيل خط الأنابيب بشدة إذا تجاوز معدل التعارض 30٪. تؤدي كل عملية إعادة إلى إبطاء معالجة المعاملات وتقليل فوائد الموازاة. لذلك ، تعد إدارة معدل تعارض المعاملات أمرًا بالغ الأهمية لضمان كفاءة سلاسل الكتل الموازية.
ختاماً
تجري تغييرات كبيرة في مجال blockchain حيث تحاول معالجة مشكلات قابلية التوسع والكفاءة المتأصلة في تصميمها. لقد اكتشفنا طرقًا مختلفة لتحقيق التنفيذ المتوازي ، لكل منها مزاياها وتحدياتها الفريدة. يمثل نموذج الوصول المعتمد على الدولة الخطوة الأولى في التغلب على الطبيعة التسلسلية للبلوكشين. التنفيذ المتفائل ، في حين أنه واعد ، يقدم أيضًا مخاطر النزاعات ويتطلب استراتيجيات فعالة لحل النزاعات. تأخذنا التقاسم خطوة إلى الأمام من خلال تقسيم الشبكة إلى أجزاء أصغر يمكن إدارتها ، كل منها قادر على معالجة المعاملات بشكل مستقل. أخيرًا ، يستخدم التنفيذ المتوازي المستند إلى الحوسبة علوم الكمبيوتر المتطورة لزيادة أداء العقدة وأمان التطبيقات إلى أقصى حد. على الرغم من التحديات والمشكلات المحتملة ، تُظهر هذه النماذج إمكانية تحسين أداء تقنيات blockchain بشكل كبير. مع استمرار تطور هذه التقنيات ونضجها ، نحن على أعتاب حقبة جديدة من تقنية blockchain.