مقیاس پذیری بلاک چین چیست و چه راه حل هایی دارد؟
از ابتدای راه اندازی و معرفی فناوری بلاک چین تا به امروز این تکنولوژی پیشرفت چشمگیری داشته است. اگرچه در ابتدا بلاک چین فقط به بخش مالی محدود می شد، اما در حال حاضر پلتفرم های معاملاتی غیر متمرکز و تغییر ناپذیر باعث محبوبیت ان برای خدمات غیر مالی نیز شده است. با این حال افزایش روز افزون استفاده از بلاک چین ها مانند بیت کوین، اتریوم و غیره باعث ایجاد چالش هایی در زمینه مقیاس پذیری شده است. در این مقاله ما برخی از چالش های مقیاس پذیری بلاک چین و راه حل های پیشنهادی را بررسی می کنیم.
مقیاس پذیری بلاک چین چیست؟
برای درک مشکل مقیاس پذیری بلاک چین، بازگشت به روزهای اولیه بیت کوین مفید است. بیت کوین دارای یک بلاک چین ساده با استفاده مستقیم است و آن ارسال و دریافت پول دیجیتال می باشد.
از همان ابتدا مشکل مقیاس پذیری در شبکه بیت کوین توجه کاربران را جلب کرد و برای آنها چنین سوالی پیش آمد که آیا این شبکه غیر متمرکز می تواند تعداد زیادی کاربر را اداره کند؟
اصلی ترین چالش مقیاس پذیری که امروزه شبکه های بلاک چین با آن رو به رو هستند، ظرفیت انجام تراکنش ها می باشد.
در سیستم های پرداخت سنتی مانند ویزا کارت هزاران تراکنش در هر ثانیه انجام می شود اما در بازار ارزهای دیجیتال مانند بیت کوین در هر ثانیه 7 تراکنش و اتریوم 20 تراکنش پردازش می شود.
این یک مشکل اساسی در شبکه های کامپیوتری و فناوری بلاک چین محسوب می شود و در بازار ارزهای دیجیتال برای رسیدگی به معاملات و تراکنش ها چنین شبکه ای باید پهنای باند زیادی داشته باشد. علاوه بر این هر تراکنش باید با بررسی دقیق سایر تراکنش ها تایید شود و سپس در یک دفتر مرکزی ذخیره شود این امر به مقدار مشخصی فضای ذخیره سازی نیاز دارد.
مانع اصلی مقیاس بندی این شبکه ها به دلیل غیر متمرکز بودن آنها است. بنابراین زمانی که مقیاس پذیری ارزهای رمزپایه غیر متمرکز مانند بیت کوین و اتریوم را در نظر می گیریم باید به دو مورد توجه داشته باشیم:
- مدت زمان لازم برای انجام یک تراکنش در یک بلوک.
- مدت زمان لازم برای تایید تراکنش.
امروزه این جنبه ها تمرکز راه حل های مقیاس پذیری هستند و با توسعه نوآوری های اساسی امید است که به راه حل قطعی برسیم.
چالش مقیاس پذیری فعلی بیت کوین به تعداد تراکنش هایی که در هر بلوک میتواند شامل شود و زمان بین هر بلوک در حال استخراج (10 دقیقه) محدود می شود. این مقیاس پذیری، زنجیره آن را محدود می کند مگر اینکه اندازه بلوک را افزایش یابد. بنابراین طرفداران بیت کوین بر راه حل های لایه 2 بلاک چین متمرکز شده اند که مهمترین آن شبکه لایتنینگ (Lightning) است.
از طرفی اتریوم نیز با مشکل مقیاس پذیری هر چند متفاوت محدود شده است. از آنجا که اتریوم دارای یک محیط غیر متمرکز است در معاملات خود از “Gas” استفاده می کند تا از مواردی مانند هک شدن بلاک چین و محاسبات نامحدود جلوگیری کند. در اصل، “Gas” در هر تراکنش مصرف می شود و از آنجا که محدودیتی برای آن در هر بلوک وجود دارد، تعداد تراکنش هایی که در هر بلوک انجام می شود محدود است.
در حال حاضر بیت کوین و اتریوم برای تایید تراکنش ها از یک الگوریتم اجماع مانند “اثبات کار” (POW) استفاده می کنند. در سیستم اثبات کار نودها (Node) باید قبل از افزودن بلاک به زنجیره میزان زیادی انرژی محاسباتی (الکتریسیته) صرف کنند که این فرآیند زمانبر است. بنابراین زنجیره های اثبات کار هیچگاه قادر به رقابت در سرعت تراکنش ها نیستند.
ویژگی های یک بلاک چین ایده آل و مقیاس پذیر
همانطور که در بخش بالا اشاره کردیم مقیاس پذیری در ارتباط با پروتکل بلاک چین به توانایی آن در پشتیبانی از تعداد تراکنش های بالا و رشد ان در اینده اشاره دارد. این بدان معناست که با افزایش کاربردها ها و سرعت بخشیدن به فناوری بلاکچین، عملکرد آن آسیب پذیر نخواهد بود.
در حالی که بسیاری از سیستم عامل های بلاک چین تمرکز زدایی و امنیت را ایجاد کرده اند، دسترسی به مقیاس پذیری همچنان چالش اصلی شبکه های غیر متمرکز میباشد.
بنابراین یک بلاک چین ایده ال دارای سه ویژگی سرعت، امنیت و غیر متمرکز بودن نیز است. همچنین نکته لازم به ذکر آن است که یک بلاک چین تنها میتواند دو مورد از این سه ویژگی را داشته باشد.
غیر متمرکز بودن بلاک چین : تمرکز زدایی ویژگی اصلی فناوری بلاک چین است و سایر پروژه ها را در یک اکوسیستم پیش می برد. با حذف موسسات بانکی از بازار های مالی، بستر های مالی غیر متمرکز مانند (DeFi) قادرند میزان سود و حکمرانی را به جای واسطه میان کاربران و جامعه وسیع تر توزیع کنند. به این معنی که هیچ نهادی نمیتواند داده هایی را که از طریق آنها معامله می شود را کنترل کنند.
با این حال دستیابی به تمرکز زدایی مطلوب باعث کاهش توان شبکه می شود.
امنیت بلاک چین : حرکت به سمت متمرکز شدن بلاک چین باعث کاهش امنیت در شبکه های اثبات کار می شود. هنگامی که اجماع بر روی یک شبکه باز با توزیع گره به دست می اید، احتمال حمله 51 درصدی افزایش می یابد زیرا هکر ها می توانند قدرت هش را به آسانی جمع آوری کنند و برای دریافت سود مالی تراکنش ها را دستکاری کنند.
به عنوان مثال در آگوست 2020 بلاک چین اتریوم کلاسیک با سه حمله 51 درصدی مواجه شد و این مشکل 4000 بلاک را درگیر کرد، در نتیجه میلیون ها دلار ارزش شبکه از دست رفت.
در این راستا امنیت بلاک چین یکی از جنبه های مهم شبکه است که نمیتوان آن را به خطر انداخت.
سرعت تراکنش : یک بلاک چین ایده آل باید بتواند هزاران تراکنش را در هر ثانیه انجام دهد و از سرعت بالایی برخوردار باشد یا به بیانی دیگر مقیاس پذیر باشد.
راه حل های مقیاس پذیری بلاک چین
راه حل های مختلف زیر ممکن است به طور مستقیم با بیت کوین، اتریوم و یا سایر سیستم عامل ها نیز مرتبط باشد. در هر صورت ما در این بخش بر فناوری آنها تمرکز می کنیم و اینکه چگونه می توان از این فناوری برای رفع نیاز معامله گران و طرفداران بازار ارزهای دیجیتال استفاده کرد.
افزایش اندازه بلاک
یکی از اولین راه حل های مقیاس پذیری بلاک چین افزایش اندازه هر بلاک بود تا بتواند تراکنش های بیشتری را انجام دهد. این بحث جوامع ارز رمزنگاری شده را تقسیم کرد و در نهایت منجر به هارد فورک بیت کوین و بیت کوین کش شد.
این راه حل در ظاهر ممکن است یک راه حل عملی به نظر برسد اما افزایش اندازه بلاک منجر به متمرکز شدن آن می شود و در مقایسه با راه حل های نوآورانه ای که امروز در حال اجرا هستند، به عنوان یک راه حل نسبتا اولیه تلقی می شود.
پروتکل Segwit
شرکت Blockstream با ارائه پروتکل “Segwit” در اواخر سال گذشته یک سافت فورک بر روی بلاک چین بیت کوین ایجاد کرد. این پروتکل به عنوان یک زنجیره جانبی موازی با بلاک چین بیت کوین عمل می کند. در بلاک چین اصلی بیت کوین تقریبا 65 درصد از داده های تراکنش شامل امضاهای دیجیتالی است. SegWit با حذف این داده ها از هر بلوک و انتقال آن به زنجیره جانبی به کاهش مشکل مقیاس پذیری کمک می کند.
به همین دلیل بلاک های بیت کوین می توانند تراکنش های بیشتری را با سرعت بالا انجام دهند. علاوه بر این SegWit مشکل انعطاف پذیری معامله را که برای اجرای شبکه Lightning مورد نیاز بود، حذف کرد.
کانال های وضعیت (State Channels)
راه حل های خارج از زنجیره معمولا به عنوان راه حل های لایه 2 نامیده می شوند و یک مفهوم جذاب برای کمک به مقیاس کارآمد شبکه های بلاک چین هستند.
کانال های وضعیت شکل دیگری از راه حل های خارج از زنجیره هستند که در آن ارتباط دوطرفه بین معامله گران بدون زنجیره و در کانال خصوصی انجام می شود.
شبکه لایتنینگ (LN) وظایف پیاده سازی تراکنش های بیت کوین در این زمینه را اجرا می کند و سیستمی برای پرداخت کاربران با هزینه پایین است که مستقیما در کانال اختصاصی انجام می شود و ممکن است گاهی در بلاک چین بیت کوین مستقر شود. این امر موجب می شود حجم تراکنش ها به میزان قابل توجهی کاهش پیدا کند.
همچنین پیاده سازی اتریوم بر این شبکه با عنوان Raiden شناخته می شود و در کنار آن راه حل مقیاس پذیری دیگری برای اتریوم با نام پلاسما وجود دارد.
پلاسما (Plasma)
پلاسما یک راه حل مقیاس پذیری است که برای اتریوم در حال توسعه می باشد و به عنوان یک لایه میانی بین بلاک چین اصلی اتریوم و لایه Raiden (اتریوم LN) قرار گرفته است. این اساسا مجموعه ای از قرارداد ها در زنجیره اصلی اتریوم است که بار تراکنش و پردازش زنجیره اصلی را از طریق “زنجیره های جانبی” کاهش می دهد.
اگر بلاک چین اصلی اتریوم را تنه یک درخت در نظر بگیریم زنجیره های جانبی مانند شاخه های آن عمل می کند. این شاخه ها می توانند توکن های خود را صادر کنند و به افزایش قدرت پردازش شبکه به صورت تصاعدی کمک کنند. از طرفی زنجیره اصلی اتریوم به عنوان یک دادگاه عالی در سیستم عمل می کند که همیشه وضعیت شبکه در نهایت در این سیستم تایید می شود. زنجیره اصلی اتریوم به عنوان آخرین لایه برای تایید تراکنش ها و امضاهای دیجیتالی عمل می کند.
سازوکار اثبات سهام
اتریوم در چند سال آینده مدل اجماع اثبات سهام (PoS) را راه اندازی می کند و در نهایت به طور کامل به شبکه PoS منتقل می شود. این اقدام دلایل مختلفی دارد که در در ادامه قصد داریم به انها اشاره کنیم.
- برای راه اندازی شاردینگ نیاز است PoS راه اندازی شود.
- نیاز ماینرها را برطرف می شود و مصرف برق کاهش می یابد.
- سرعت انجام معاملات و تایید تراکنش ها را افزایش می دهد.
پیاده سازی PoS اتریوم با نام Casper شناخته می شود که به تدریج با استفاده از Sharding در معماری شبکه از آن استفاده می شود.
شاردینگ (Sharding)
اتریوم در حال پیاده سازی یک روش تقسیم بندی پایگاه داده به صورت افقی است که به “Sharding” معروف می باشد. به بیان دیگر اتریوم در حال پیاده سازی State Sharding است که کار دشوار و پیچیده ای است. در سطح اولیه شاردینگ شبکه را به بخش های مختلفی تقسیم می کند که به آنها این امکان را می دهد تا معاملات را به طور موازی پردازش کنند و فضای زیادی را در شبکه ایجاد کند.
پس از آن که کاملا به صورت یکپارچه در شبکه راه اندازی شد، بلاک چین اصلی اتریوم در نهایت به 2 دسته تبدیل می شود. زنجیره اصلی و زنجیره ای که گروهی از زنجیره های جانبی در آن قرار دارد.
زنجیره اصلی وضعیت کل شبکه اتریوم در نظر دارد و دیگری وضعیت انجام معاملات را در نظر خواهد گرفت. در نتیجه تمام تراکنش های مختلف شارد یک بلاک را تشکیل خواهند داد.
راه اندازی کانال شاردینگ در وضعیت اتریوم به عنوان چالش برانگیزترین پروژه در نظر گرفته می شود. زیرا در صورتی که با موفقیت انجام شود، به مقیاس پذیری شبکه کمک زیادی می کند. این در حالی است که شبکه های دیگر مانند زیلیکا (Zilliqa) از اشکال مختلف شاردینگ استفاده می کنند.
سخن اخر
بی تردید عملکرد و مقیاس پذیری بلاک چین در آینده مورد توجه قرار خواهد گرفت زیرا این فناوری برای موارد مختلف استفاده می شود. ممکن است SegWit به عنوان اولین گام واقعی در جهت یافتن راه حلی برای مقیاس پذیری باشد، اما در این مرحله قبل از از بین رفتن حجم تراکنش ها اقدامات بیشتری باید انجام شود.