معرفی یک الگوریتم اجماع شاردینگ مؤثر برای سیستم‌های بلاکچین

چکیده

شاردینگ (Sharding) به عنوان یک روش محبوب برای غلبه بر مشکل سه‌گانه بلاکچین‌ها در دستیابی هم‌زمان به غیرمتمرکزسازی، امنیت و مقیاس‌پذیری شناخته می‌شود. با این حال، طرح‌های شاردینگ موجود همچنان با چالش‌هایی نظیر توزیع نامتوازن توان محاسباتی شاردها و مشکلات امنیتی در تراکنش‌های بین شاردی مواجه‌اند. در این مقاله، از الگوریتم تحمل خطای بیزانسی عملی (PBFT) به عنوان الگوریتم اجماع درون‌شاردی استفاده شده و یک مکانیسم جدید اجماع شاردینگ معرفی شده است. در ابتدا، الگوریتم هش سازگار پرشی (Jump Consistent Hash) و الگوریتم امضای Anchorhash با هم ترکیب شده‌اند تا نقشه‌برداری تخصیص نودها را به حداقل برساند. سپس، فرآیند تراکنش‌های بین شارد بهبود یافته و فعالیت نودهای شرکت‌کننده در تراکنش‌های درون شارد برای پیکربندی مجدد شاردها در نظر گرفته شده است تا امنیت سیستم بلاکچین تضمین شود. در نهایت، از طریق تحلیل نظری و آزمایش‌های مرتبط، کارایی و اثربخشی این الگوریتم در بهبود امنیت سیستم و عملکرد شاردها به اثبات رسیده است.

پیشنهاد ویژه: آموزش برنامه نویسی بلاکچین

مقدمه

بلاکچین، یک مدل اقتصادی جدید و نوآورانه است که به‌واسطه‌ی مجموعه‌ای از فناوری‌ها و پروتکل‌های منحصربه‌فرد، جایگاه خاصی در حوزه اقتصاد دیجیتال یافته است. این فناوری در سال 2009 با معرفی بیت‌کوین به وجود آمد و در دهه اخیر به یکی از داغ‌ترین موضوعات اقتصادی جهان تبدیل شده است. امروزه، کاربردهای متنوعی از بلاکچین در حوزه‌هایی همچون اینترنت اشیاء (IoT)، رایانش ابری، شهرهای هوشمند و زنجیره تأمین دیده می‌شود.

با وجود پیشرفت‌های این فناوری، چالش‌های اساسی مانند مشکل سه‌گانه مقیاس‌پذیری، امنیت و غیرمتمرکزسازی همچنان به عنوان موانع اصلی بر سر راه توسعه بیشتر آن وجود دارند. در واقع، دستیابی به غیرمتمرکزسازی و امنیت در یک سیستم بلاکچینی، به طور سنتی منجر به کاهش مقیاس‌پذیری می‌شود و بالعکس. این مشکل سه‌گانه باعث شده است که سیستم‌های بلاکچین سنتی به اندازه کافی قابل انعطاف و مؤثر نباشند.

راه‌حل‌های موجود برای بهبود مقیاس‌پذیری

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، راه‌حل‌های متعددی مطرح شده است که به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: راه‌حل‌های خارج از زنجیره (off-chain) و داخل زنجیره (on-chain). راه‌حل‌های خارج از زنجیره برای کاهش هزینه‌های محاسباتی از تکنیک‌هایی استفاده می‌کنند که نیازی به ثبت تمام داده‌ها بر روی زنجیره ندارند و در عین حال غیرمتمرکزسازی و امنیت شبکه را حفظ می‌کنند. این نوع راه‌حل‌ها در برخی از سناریوها مناسب هستند، اما محدودیت‌هایی دارند و در بسیاری از کاربردهای عملی، نیاز به ضبط و ذخیره‌سازی کامل داده‌ها روی زنجیره است.

در این راستا، روش شاردینگ در بلاکچین به عنوان یک راه‌حل درون زنجیره‌ای برای مقیاس‌پذیری سیستم‌های بلاکچین طراحی شده است. هدف از این روش، ایجاد سیستم‌های بلاکچین شاردینگ است که به طور هم‌زمان قابلیت مقیاس‌پذیری، امنیت و غیرمتمرکزسازی را ارائه می‌دهند.

شاردینگ در بلاکچین: ساختار و عملکرد

بلاکچین شاردینگ به معنای تقسیم یک شبکه بلاکچینی به شاردها (بخش‌های کوچک‌تر) است، که هر شارد به طور مستقل بخشی از وظایف ذخیره‌سازی، ارتباطات و پردازش تراکنش‌ها را انجام می‌دهد. این تقسیم‌بندی به سه نوع کلی تقسیم می‌شود:

1. شاردینگ ارتباطی: شاردینگ ارتباطی شامل تقسیم شبکه به شاردهای مختلف است که هر شارد توسط یک کمیته مربوطه مدیریت می‌شود و تنها نیاز به انجام ارتباطات داخلی دارد. هر نود یا مشتری در هر شارد می‌تواند از طریق ارتباط با کمیته، وضعیت فعلی بلاکچین را دریافت کند.
2. شاردینگ محاسباتی: در این مدل، هر کمیته تنها مسئول پردازش تراکنش‌های مربوط به خود است. تراکنش‌ها بر اساس شناسه تراکنش به شاردهای مختلف اختصاص داده می‌شوند و پردازش تراکنش‌ها به صورت موازی توسط کمیته‌های مختلف انجام می‌شود. با افزایش تعداد نودها در شبکه، کمیته‌های بیشتری اضافه می‌شوند تا تراکنش‌ها به طور همزمان توسط کمیته‌های مختلف پردازش شوند.
3. شاردینگ ذخیره‌سازی: در این نوع شاردینگ، کمیته‌های مختلف تراکنش‌های پردازش شده را در شاردهای مختلف ذخیره می‌کنند. هر کمیته شاردینگ تنها مسئول پردازش تراکنش‌های خود و ثبت آن‌ها در بلاکچین اختصاصی خود است تا بار ذخیره‌سازی نودها کاهش یابد. در مقایسه با دو نوع شاردینگ قبلی، شاردینگ ذخیره‌سازی دارای چالش‌های پیاده‌سازی پیچیده‌تری است و نیازمند اطمینان از توزیع مناسب و ایمنی داده‌ها بین شاردها می‌باشد.

الگوریتم‌های اجماع در شاردینگ

روش‌های مختلفی برای پیاده‌سازی الگوریتم‌های اجماع شاردینگ وجود دارد که هر یک با توجه به ویژگی‌ها و نیازهای خاص سیستم، نقاط قوت و ضعف خود را دارند. از میان این الگوریتم‌ها، می‌توان به ELASTICO، Omniledger، Chainspace و Rapidchain اشاره کرد.

• الگوریتم ELASTICO: یکی از نخستین الگوریتم‌های اجماع شاردینگ است که به عنوان مکانیزمی برای شاردینگ در شبکه‌های هم‌زمان طراحی شده و شامل پنج بخش اصلی است: تأسیس هویت نود، اجماع کمیته داخلی، تأیید شاردینگ، پخش بلاک‌ها و تولید اعداد تصادفی.
• الگوریتم Omniledger: این الگوریتم با اضافه کردن بازسازی کمیته به ELASTICO، مشکلات عملکرد پایین و قفل‌شدن تراکنش‌ها در ELASTICO را بهبود بخشیده است.
• الگوریتم Chainspace: این الگوریتم که مبتنی بر شاردینگ است، شاردینگ محاسباتی و شاردینگ ارتباطی تراکنش‌ها و قراردادهای هوشمند را فراهم می‌آورد و به ویژه در پردازش تراکنش‌های مرتبط با قراردادهای هوشمند به کار می‌رود.
• الگوریتم Rapidchain: این الگوریتم با جایگزینی پروتکل‌های ارتباطی، کارایی و سرعت پردازش تراکنش‌های بین شاردی را بهینه‌سازی کرده و در نتیجه شاردینگ محاسباتی، شاردینگ ارتباطی و شاردینگ وضعیت را فراهم می‌کند.

مشکلات موجود در شاردینگ اجماع

الگوریتم‌های شاردینگ موجود با چالش‌های جدیدی روبرو هستند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به پردازش تراکنش‌های بین شاردی، مدیریت پویا تعداد نودهای شارد شده، شناسایی و تعمیر شاردهای مخرب و ایجاد مکانیزم‌های انگیزشی اشاره کرد.

1. پردازش تراکنش‌های بین شاردی: تراکنش‌هایی که نیازمند همکاری چندین شارد هستند، می‌توانند به مشکلاتی مانند حملات دو هزینه‌ای و قفل شدن تراکنش‌ها منجر شوند. پردازش موثر و ایمن این تراکنش‌ها چالشی بزرگ است.
2. مدیریت پویا تعداد نودهای شارد شده: برای مقابله با حملات احتمالی نودهای مخرب، ترکیب اعضای کمیته شاردها باید به صورت پویا تنظیم شود. همچنین، در شرایطی که ارتباط بین شاردها بسیار مکرر باشد، امکان ادغام شاردها برای افزایش سرعت پردازش وجود دارد.
3. شناسایی و تعمیر شاردهای مخرب: توزیع نامتوازن قدرت محاسباتی و حضور نودهای مخرب می‌تواند منجر به شکل‌گیری شاردهای آسیب‌پذیر شود که کارایی و امنیت سیستم را تهدید می‌کنند.
4. ایجاد مکانیزم‌های انگیزشی: تفاوت‌های بین بلاکچین‌های شاردی و عادی نیازمند طراحی دقیق مکانیزم‌های پاداش و مجازات است تا نودهای مختلف بر اساس مشارکت و عملکرد خود در شبکه پاداش داده شوند یا جریمه شوند.

الگوریتم پیشنهادی: مکانیسم اجماع شاردینگ

در این مقاله، یک مکانیسم اجماع شاردینگ جدید معرفی می‌شود که شامل پنج بخش کلیدی است و با هدف بهبود امنیت، کارایی و کاهش مشکلات مرتبط با شاردینگ توسعه یافته است. این الگوریتم، اجماع درون‌شاردی و بین‌شاردی را تضمین کرده و از مکانیزم‌های امنیتی مختلف برای کاهش خطرات و بهینه‌سازی تخصیص نودها استفاده می‌کند. در ادامه، بخش‌های اصلی این الگوریتم توضیح داده می‌شوند.

1. تخصیص نودها

تخصیص نودها، از مرحله ابتدایی شاردینگ شروع شده و سپس هنگام تغییر تعداد شاردها، بازتوزیع نودها صورت می‌گیرد. برای این منظور، از الگوریتم ترکیبی Jump Consistent Hash و Anchorhash استفاده می‌شود که امکان توزیع یکنواخت نودها را فراهم می‌کند. این ترکیب از توزیع نامتعادل نودها جلوگیری کرده و با حداقل‌سازی نیاز به بازنقشه‌برداری، از تمرکز قدرت محاسباتی در یک شارد خاص جلوگیری می‌کند.

2. اجماع درون‌شارد

برای تضمین امنیت و توافق در هر شارد، از الگوریتم PBFT (الگوریتم تحمل خطای بیزانسی عملی) به عنوان پروتکل اجماع درون‌شاردی استفاده شده است. این الگوریتم، نودهای مخرب را تحمل کرده و حتی در شرایطی که بخشی از نودها به طور مخرب رفتار کنند، می‌تواند به توافق درون‌شاردی دست یابد.

3. پردازش تراکنش‌های بین‌شاردی

تراکنش‌های بین‌شاردی یکی از چالش‌های مهم در سیستم‌های شاردینگ محسوب می‌شوند. برای حل این مشکل، از یک روش بهبود یافته دو مرحله‌ای (Two-Phase Commit یا 2PC) استفاده شده است. این روش از چهار مرحله تشکیل می‌شود: پردازش اولیه تراکنش، تایید تراکنش، بررسی نهایی و ارسال تراکنش. هر یک از این مراحل به گونه‌ای طراحی شده که بتواند امنیت و کارایی سیستم را تضمین کرده و از حملات بیزانسی یا رفتارهای مخرب نودها جلوگیری کند. این روش در مقایسه با روش‌های سنتی، پیچیدگی ارتباطی کمتری دارد و امکان مقابله موثر با نودهای مخرب را فراهم می‌کند.

4. بازپیکربندی شارد

برای جلوگیری از نفوذ نودهای مخرب و ایجاد امنیت پایدار، سیستم به طور دوره‌ای شاردها را بازپیکربندی می‌کند. در این بازپیکربندی، نودها بر اساس میزان فعالیتشان در پردازش تراکنش‌ها به دو گروه نودهای فعال و غیرفعال تقسیم می‌شوند. نودهای فعال به دلیل مشارکت بالا و عملکرد موثرشان در شاردهای خود باقی می‌مانند، در حالی که نودهای غیرفعال به‌طور تصادفی به شاردهای دیگر تخصیص داده می‌شوند. این رویکرد امنیت را افزایش داده و از احتمال حملات به واسطه نودهای غیرفعال جلوگیری می‌کند.

5. مکانیزم‌های انگیزشی

در یک سیستم شاردینگ بلاکچین، انگیزه‌دهی به نودها اهمیت بسیاری دارد. به‌طور کلی، نودهایی که در پردازش تراکنش‌ها نقش بیشتری دارند، باید پاداش بیشتری دریافت کنند و در مقابل، نودهایی که رفتار مخرب دارند باید جریمه شوند. مکانیزم انگیزشی پیشنهادی دو بخش اصلی دارد:

• مکانیزم انگیزشی بین شاردها: هر شارد بر اساس کارایی پردازش تراکنش‌های خود، پاداش می‌گیرد. این پاداش به نسبت کل تراکنش‌های پردازش شده تقسیم می‌شود و نودهایی که در پردازش تراکنش‌های بین شاردی نیز مشارکت داشته‌اند، سهم بیشتری از پاداش دریافت می‌کنند.
• مکانیزم انگیزشی درون‌شارد: در این بخش، پاداش‌ها بر اساس هویت و نقش نودها در فرآیند اجماع درون‌شاردی توزیع می‌شود. نودهای کلیدی و فعال در فرآیند پردازش تراکنش‌ها پاداش بیشتری دریافت می‌کنند و نودهای مخرب که رفتارهای نامطلوب دارند جریمه شده و دسترسی‌شان به تراکنش‌های درون‌شاردی محدود می‌شود.

تحلیل امنیت و کارایی الگوریتم

1. امنیت در برابر حملات بیزانسی

برای اطمینان از امنیت، الگوریتم پیشنهادی به نحوی طراحی شده است که بتواند در برابر حملات بیزانسی مقاوم باشد. سه نوع حمله بیزانسی در این الگوریتم بررسی شده‌اند:

• حمله ۱٪: حمله ۱٪ زمانی رخ می‌دهد که نودهای مخرب بتوانند کنترل یکی از شاردها را به دست گیرند. با استفاده از ترکیب الگوریتم‌های Anchorhash و Jump Consistent Hash، تخصیص نودها به گونه‌ای انجام می‌شود که این نوع حمله به حداقل برسد. با توزیع تصادفی نودها در شاردها، احتمال اینکه نودهای مخرب بتوانند به‌راحتی یک شارد را کنترل کنند، کاهش می‌یابد.
• حمله فساد: برای مقابله با حملات فساد، نودهای غیرفعال به صورت دوره‌ای به شاردهای مختلف تخصیص داده می‌شوند تا احتمال کنترل یک شارد توسط نودهای مخرب کاهش یابد. نودهای جدید نیز به صورت تصادفی و تحت نظارت نودهای فعال به شاردها اختصاص داده می‌شوند.
• حمله نود بیزانسی: در این نوع حمله، نودهای بیزانسی با رفتارهای مخرب فرآیند اجماع را مختل می‌کنند. برای مقابله با این حمله، از الگوریتم PBFT در اجماع درون‌شاردی استفاده شده است. همچنین، یک مرحله بازبینی به فرآیند دو مرحله‌ای اجماع اضافه شده است تا رفتارهای نودهای مخرب شناسایی و مدیریت شود.

2. تحلیل کارایی شاردها

در این مقاله، کارایی شاردها بر اساس توزیع‌های آماری تحلیل شده است. نتایج نشان می‌دهد که افزایش تعداد شاردها در شرایط خاص می‌تواند کارایی سیستم را بهبود دهد. به عنوان مثال، هنگامی که نسبت نودهای بیزانسی کمتر از ۲۰٪ باشد، کارایی سیستم به صورت کلی تضمین شده است. در شرایطی که این نسبت از ۲۰٪ فراتر رود، کارایی سیستم به طور محسوسی کاهش می‌یابد. این نتایج می‌تواند در تعیین تعداد بهینه شاردها و تنظیمات سیستم به منظور اطمینان از کارایی بهینه مورد استفاده قرار گیرد.

مقایسه با الگوریتم‌های سنتی و تحلیل عملکرد

در این بخش، عملکرد الگوریتم پیشنهادی با الگوریتم‌های سنتی نظیر ELASTICO مقایسه شده است. الگوریتم پیشنهادی در موارد زیر مزایای قابل توجهی دارد:

• کاهش تعداد نودهای بیزانسی مجاز: الگوریتم پیشنهادی می‌تواند تعداد نودهای بیزانسی مجاز در سیستم را کاهش دهد و در نتیجه امنیت بیشتری فراهم کند. همچنین، این ویژگی باعث کاهش مصرف منابع ناشی از شکست در فرآیند اجماع می‌شود.
• توانایی مقابله با نودهای رهبر مخرب: الگوریتم پیشنهادی می‌تواند موقعیت‌هایی که نود رهبر در یک شارد رفتار مخربی دارد را مدیریت کند. این ویژگی به‌ویژه در مقابله با حملات بیزانسی مؤثر است و امکان حفظ انحصار و امنیت در سیستم را فراهم می‌کند.
• افزایش امنیت با استفاده از امضا و فعالیت نودها: این الگوریتم با استفاده از معیارهای فعالیت و امضا، امنیت سیستم را افزایش داده و زمینه را برای کاربردهای گسترده‌تر الگوریتم‌های اجماع در زمینه‌های دیگر از جمله حفظ حریم خصوصی فراهم می‌آورد.

نتیجه‌گیری

در این مقاله، یک الگوریتم اجماع شاردینگ جدید برای سیستم‌های بلاکچین پیشنهاد شده است. این الگوریتم با استفاده از ترکیب الگوریتم‌های Anchorhash و Jump Consistent Hash، بازپیکربندی دوره‌ای شاردها و مکانیزم‌های انگیزشی، توانسته است مشکلات موجود در شاردینگ بلاکچین‌ها را کاهش دهد. از جمله ویژگی‌های برتر این الگوریتم می‌توان به مقاومت در برابر حملات بیزانسی، بهبود کارایی شاردها و کاهش احتمال حملات فساد اشاره کرد. الگوریتم پیشنهادی علاوه بر افزایش امنیت، کارایی و سرعت پردازش تراکنش‌ها، امکان پیکربندی مجدد شاردها را به گونه‌ای فراهم می‌کند که امنیت و مقیاس‌پذیری سیستم در بلندمدت حفظ شود.