كيف يمكن تجاوز عنق الزجاجة في أداء البلوكتشين من خلال آلية المشاركة

نظرة سريعة على النقاط الرئيسية

• تقسيم الشبكة إلى وحدات تشغيل مستقلة متعددة، مما يخفف بشكل أساسي من مشكلة الازدحام في الشبكة
• من خلال آلية المعالجة المتوازية، يمكن أن يؤدي التجزئة إلى تحسين كبير في سرعة تأكيد المعاملات وسعة النظام.
• لا تزال مخاطر الأمان لمعاملات عبر الشرائح ومشكلة اتساق البيانات من التحديات في الصناعة

مثلث المعاناة في البلوكشين والاتجاهات الممكنة للتغلب عليه

تواجه تقنية blockchain الحالية وضعًا محرجًا: إما أنها تتمتع بدرجة عالية من اللامركزية ولكن بسرعة بطيئة، أو سرعة عالية ولكن على حساب الأمان. وهذا ما يعرفه الجميع في الصناعة بـ “مأزق الثلاثي” - من الصعب تلبية جميع المتطلبات في نفس الوقت بين اللامركزية والأمان وقابلية التوسع.

تعرضت معظم سلاسل الكتل من الطبقة الأولى للخسارة في هذا الأمر. يجب على كل عقدة تحقق تسجيل ومعالجة جميع المعاملات، مما يجعل نمط “المزامنة الكاملة” يسبب اختناقًا في أداء الشبكة. وقد ظهرت تقنية التجزئة لتوفير فكرة قابلة للتطبيق لحل هذه المشكلة.

الطبيعة التقنية للتجزئة: تطبيق فكرة تقسيم قواعد البيانات في البلوكشين

مفهوم التجزئة لم ينشأ من فراغ، بل هو مستمد من تقنية التجزئة في إدارة قواعد البيانات التقليدية. في مجال قواعد البيانات، تشير التجزئة إلى تقسيم مجموعة بيانات كبيرة إلى عدة مجموعات فرعية صغيرة وقابلة للإدارة.

عند إدخال هذه الفكرة في البلوكشين، أصبحت التقسيمات ابتكارًا معماريًا: تقسيم الشبكة الكاملة للبلوكشين إلى عدة سلاسل فرعية مستقلة نسبيًا (تقسيمات)، حيث يمكن لكل تقسيم التحقق من المعاملات والعقود الذكية ضمن نطاقه ومعالجتها بشكل مستقل. يساهم هذا التصميم في الحفاظ على الخصائص اللامركزية للشبكة، مع تحسين كبير في قدرة معالجة المعاملات.

كيف يغير التقسيم منطق معالجة البيانات

لفهم آلية عمل الشظايا، يجب أولاً توضيح الفروق الجوهرية بين معالجة البيانات في blockchain التقليدي و blockchain الشظايا.

المعالجة التتابعية مقابل المعالجة المتوازية

في الهيكل التقليدي، يجب على كل عقدة تحقق معالجة كل معاملة في الشبكة بالتتابع. تخيل طريق سريع يحتوي على حارة واحدة فقط، مهما كان عدد السيارات، يجب أن تصطف في خط واحد. على الرغم من أن هذا “نمط المعالجة الخطية” آمن وموثوق، إلا أن القدرة على المعالجة محدودة بشدة.

تكنولوجيا الشظايا كسرت هذه القيود. إنها تسمح لعدة شظايا بمعالجة مجموعات المعاملات الخاصة بها بشكل مستقل في نفس الوقت، تمامًا كما يتم إضافة ممرات متعددة متوازية على الطريق السريع. تعتبر هذه القدرة على المعالجة المتوازية القيمة الأساسية لتكنولوجيا الشظايا.

من “التخزين الشامل” إلى “التخزين عند الطلب”

تطلب التصميم الأصلي من كل عقدة حفظ نسخة كاملة من سلسلة الكتل. مع تزايد حجم البيانات، ارتفعت متطلبات الأجهزة لعقد المشاركة، مما أدى في النهاية إلى زيادة مركزية الشبكة - حيث يمكن فقط للمنظمات ذات رأس المال الكافي تحمل التكاليف.

لقد غيرت الشظايا هذه الصورة. يحتاج كل عقد إلى الحفاظ على البيانات الخاصة بالشظية التي يقع فيها فقط، دون الحاجة إلى تخزين التاريخ الكامل للشبكة. هذا يعني أن المستخدمين العاديين يمكنهم أن يصبحوا مصدقين باستخدام أجهزة عادية، مما يحقق اللامركزية الحقيقية.

طريقتان رئيسيتان لتنفيذ التشظي

عند توسيع قاعدة البيانات، عادة ما يعتمد القطاع على نوعين من التقسيم - التقسيم الأفقي والتقسيم العمودي.

تقسيم أفقي: تقسيم البيانات حسب الصفوف

التقسيم الأفقي يشير إلى تقسيم البيانات بناءً على صفوف البيانات، حيث يحتوي كل شريحة على مجموعة فرعية متماسكة من البيانات. في تطبيقات البلوكشين، يُعادل ذلك تجميع المعاملات بناءً على عنوان الحساب أو معرفات أخرى، حيث تدير الشرائح المختلفة مجموعاتها الخاصة من المعاملات.

نظرًا لأن كل صف بيانات مستقل، فإن هذه الطريقة في التقسيم لن تضر بسلامة البيانات. على سبيل المثال، شبكة مثل Zilliqa تحقق قدرة معالجة آلاف المعاملات في الثانية من خلال التقسيم الأفقي.

التقسيم العمودي: توزيع البيانات حسب الأعمدة

التقسيم العمودي يعتمد على خصائص البيانات المختلفة (الأعمدة) للتقسيم. على سبيل المثال، تحتوي جدول الحسابات على عدة حقول مثل الاسم، الرصيد، تاريخ المعاملات، إلخ، وسيؤدي التقسيم العمودي إلى توزيع هذه الحقول عبر وحدات تخزين مختلفة.

في بيئة blockchain ، فإن التطبيقات ذات التقسيم العمودي محدودة نسبيًا ، لأن التحقق من المعاملة يتطلب عادةً الحصول على المعلومات الكاملة ذات الصلة بها ، في حين أن التقسيم العمودي يزيد من تعقيد الحصول على البيانات.

لماذا تميل البلوكشين إلى التقسيم الأفقي

تتمثل مزايا التقسيم الأفقي في blockchain في ثلاثة جوانب مقارنة بالتقسيم العمودي:

1. مزايا التوسع

يسمح التقسيم الأفقي لكل شريحة بالعمل بشكل مستقل والتوسع. تحتاج المعاملات الجديدة فقط إلى تخصيصها إلى الشريحة المناسبة، دون الحاجة إلى المشاركة في الشبكة بأكملها. في هذا النموذج، يمكن أن تنمو سعة النظام نظريًا بشكل خطي.

2. الحفاظ على اللامركزية

التقسيم الأفقي يقلل بشكل كبير من متطلبات الحساب والتخزين لكل عقدة. إن جهاز كمبيوتر عادي يكفي لتشغيل عقدة مقسمة، مما يسمح لأي شخص بالمشاركة في الشبكة، مما يحقق حقًا الديمقراطية. أما التقسيم العمودي، على العكس، فإن كل عقدة تحتاج إلى معرفة جميع أبعاد البيانات، مما يزيد من عتبة المشاركة.

3. ضمان سلامة البيانات

في التقسيم الأفقي، يتم حفظ السجلات الكاملة للمعاملات ضمن كل شريحة، ويمكن للعقد التحقق بشكل مستقل من صحة البيانات. بينما يؤدي أسلوب التخزين الموزع في التقسيم الرأسي إلى تفتيت البيانات، مما يزيد من صعوبة الحفاظ على اتساق البيانات.

المزايا الثلاث الناتجة عن التقسيم

قفزة نوعية في سرعة التداول

في الشبكات المقطعة، يمكن تنفيذ آلاف المعاملات في وقت واحد في قطع مختلفة. لقد أظهرت مشاريع القطع مثل Zilliqa هذه الإمكانية - حيث يمكن للشبكة تأكيد آلاف المعاملات في غضون ثوانٍ. بالمقارنة، فإن الفرق في السرعة مع الشبكات التقليدية ذات المعالجة ذات الخيط الواحد يكون بمقدار كبير.

انخفاض ملحوظ في تكاليف التشغيل

تتطلب النماذج التقليدية من كل عقدة تخزين البيانات الكاملة وتنفيذ جميع الحسابات. مع نمو تاريخ blockchain، يعني ذلك زيادة مستمرة في الاستثمارات في الأجهزة. تغير التقسيم هذه المعادلة: تعالج العقدة فقط بيانات الجزء الخاص بها، مما يقلل بشكل ملحوظ من متطلبات وحدة المعالجة المركزية والذاكرة والتخزين. والنتيجة هي أن المزيد من الأشخاص يمكنهم المشاركة في صيانة الشبكة بتكلفة منخفضة، وهو أمر بالغ الأهمية للصحة طويلة الأمد للـ blockchain.

تحسين الكفاءة العامة للشبكة

في blockchain التقليدي، كلما زاد عدد العقد، زادت تكلفة مزامنة الشبكة. تكسر الشظايا هذه اللعنة. لأن العقد التي تنضم حديثًا يمكن أن تتصل بأي شظية بدلاً من الشبكة بأكملها، فإن قدرة النظام على المعالجة لن تنخفض بسبب التوسع، بل قد تعزز من خلال انضمام المزيد من المدققين.

التحديات الواقعية التي تواجه تقنية التجزئة

على الرغم من المزايا الواضحة، فإن تقسيم الشبكة قد جلب أيضًا تحديات تقنية جديدة.

مخاطر هجوم الشريحة الواحدة

إن الموارد المطلوبة لمهاجمة شريحة واحدة أقل بكثير من مهاجمة الشبكة بأكملها. قد يكون المهاجم الذي يمتلك 1% من القدرة الحاسوبية للشبكة كافيًا للسيطرة على شريحة معينة، وبالتالي إحداث دمار داخل تلك الشريحة. تعتبر هذه “الهجمة على شريحة واحدة” تهديدًا يجب على تصميم الشريحة أخذه على محمل الجد.

تعقيد المعاملات عبر الشظايا

ماذا يحدث عندما تقع حسابان في شظايا مختلفة؟ تتعلق التحويلات عبر الشظايا ليس فقط بتنسيق بين شظيحتين، بل قد تثير أيضًا مخاطر “الإنفاق المزدوج” - إذا كان هناك عدم توافق في مزامنة الحالة بين الشظايا، قد يتمكن مهاجم من استخدام نفس الأموال مرتين. إن التعامل بشكل صحيح مع هذه الحالات الحدودية أمر بالغ الأهمية لنضج خطة الشظايا.

مشكلة توفر البيانات

افترض أن إحدى الشظايا لم تعد قابلة للوصول فجأة بسبب انقطاع الاتصال بأحد العقد. سيؤدي ذلك إلى عدم توفر بيانات تلك الشظية مؤقتًا، مما يؤثر على استقرار الشبكة بالكامل. في الشبكة اللامركزية، يعد ضمان إمكانية الوصول إلى البيانات حتى في حالة تعطل بعض العقد من القضايا الكبرى في تصميم النظام.

تعقيد توازن الحمل

إذا كانت توزيع البيانات غير متوازن - مثلما يحدث عندما يقع عقد ذكي شائع في شريحة معينة - فإن تلك الشريحة ستصبح عنق الزجاجة في الأداء. يتطلب الحفاظ على توازن الأحمال بين الشرائح تصميم خوارزميات دقيقة ورصد مستمر للتعديلات.

تأخير تزامن العقد

تختلف ظروف الشبكة بين العقد المختلفة بشكل كبير. ستؤدي العقد ذات النطاق الترددي المحدود إلى إبطاء تقدم التزامن في الشظايا بأكملها، مما يقلل من أداء الشبكة ككل. يظهر هذا “أثر دلو الخشب” بشكل أكثر وضوحًا في بيئة الشظايا.

تخطيط التجزئة في Ethereum 2.0

تعتبر الشظايا هدفًا مهمًا في خطة ترقية الإيثريوم. Ethereum 2.0 (المعروفة أيضًا باسم Eth2 أو Serenity) هي إعادة هيكلة معمارية على مستوى النظام تهدف إلى تعزيز سرعة معالجة المعاملات وكفاءة الطاقة وقابلية التوسع بشكل كبير.

تظهر خارطة الطريق الرسمية أن وظيفة التجزئة الكاملة ستطلق في المرحلة النهائية. قبل ذلك، قام مجتمع الإيثيريوم بعمل تحقق كبير في بيئة الاختبار، ساعيًا لضمان أمان النظام وخصائص اللامركزية دون المساس بها عند الإطلاق الرسمي.

لا يمكن الاستهانة بتعقيد هذه المهمة. يحتاج فريق التطوير إلى تقديم التجزئة مع الحفاظ على أمان التوافق، مع منع جميع أنواع نقاط الهجوم المعروفة والمحتملة. تشير التقدمات الحالية إلى أن الصناعة تثق بشكل كبير في جدوى الحل المتمثل في التجزئة.

آفاق المستقبل

تشير الشظايا إلى خطوة مهمة نحو نضوج blockchain. إنها توفر حلاً تقنيًا تنافسيًا لكسر “مثلث المعاناة”، على الرغم من وجود تحديات لا تزال بحاجة إلى التغلب عليها، إلا أن إمكانياتها ضخمة.

تقوم المزيد من المشاريع والبنية التحتية بدراسة الشظايا بجدية. إن اعتماد إيثيريوم الرسمي، بالإضافة إلى التحقق من الممارسات من الرواد مثل زيلكيا، يدل على أن الشظايا قد انتقلت من المناقشات النظرية إلى التطبيقات العملية.

الخطوة التالية الحاسمة هي الاستمرار في استثمارات البحث، وإجراء تدقيقات أمان صارمة، وإجراء اختبارات شاملة للشبكة. مع نضوج التكنولوجيا وتراكم الخبرات الهندسية، من المتوقع أن تصبح التقسيمات سمة قياسية في أنظمة blockchain من الجيل الجديد.