دليل مبسط حول طبقات تقنية البلوكشين

ما هي قابلية التوسع في شبكات البلوكشين؟

تشير عبارة "التحجيم" في تقنية البلوكشين إلى زيادة في معدل إنتاجية النظام، والذي يتم قياسه بالمعاملات في الثانية. مع الاعتماد الواسع النطاق للعملات المشفرة في الحياة اليومية، أصبحت طبقات البلوكشين مطلوبة الآن لتحسين أمان الشبكة وحفظ السجلات والوظائف الأخرى. ويشار إلى عدد المعاملات التي يعالجها النظام في الثانية باسم "الإنتاجية". في حين أن شبكة الدفع الإلكتروني VisaNet التابعة لشركة Visa يمكنها معالجة أكثر من 20000 معاملة في الثانية، فإن شبكة البيتكوين لا تستطيع التعامل مع أكثر من سبع معاملات في الثانية وطبعا الحديث هنا عن الشبكة الرئيسية.

البلوكشين هي الطبقة الأولى في النظام البيئي اللامركزي. أما الطبقة الثانية عبارة عن تكامل لجهة خارجية تستخدم جنبا إلى جنب مع الطبقة الأولى لتعزيز عدد العقد، ونتيجة لذلك، إنتاجية النظام. ويتم حاليا تنفيذ العديد من تقنيات البلوكشين من الطبقة الثانية. وتُستخدم العقود الذكية في هذه الحلول لأتمتة المعاملات. ويحاول مطورو البلوكشين توسيع نطاق إدارة البلوكشين حيث أصبحت عملة البيتكوين قوة أكثر أهمية في العالم التجاري.

حيث إنهم يأملون في تقليل أوقات المعالجة وزيادة المعاملات في الثانية الواحدة TPS من خلال تطوير طبقات البلوكشين وتحسين قابلية التوسع في الطبقة الثانية.

معضلة البلوكشين الثلاثية:

تشير معضلة البلوكشين الثلاثية إلى الفكرة الشائعة القائلة بأنه، فيما يتعلق باللامركزية والأمن وقابلية التوسع، يمكن للشبكات اللامركزية أن توفر فقط اثنتين من الفوائد الثلاث في أي وقت. وقد ابتكر علماء الكمبيوتر نظرية الاتساق والتوافر وتحمل القسمة (CAP) في الثمانينات للتعبير عن أهم هذه الصعوبات. وتنص نظرية CAP على أن تخزين البيانات اللامركزي، مثل البلوكشين، يمكن أن يلبي فقط اثنين من الضمانات الثلاثة المذكورة أعلاه في وقت واحد.

لقد تطورت هذه النظرية إلى معضلة البلوكشين الثلاثية في سياق الشبكات الموزعة الحالية. فالفكرة السائدة على نطاق واسع هي أن البنية التحتية العامة للبلوكشين يجب أن تضحي بالأمن أو اللامركزية أو قابلية التوسع. ونتيجة لذلك، فإن الكأس المقدسة لتكنولوجيا البلوكشين هي إنشاء شبكة ذات أمان لا يمكن اختراقه عبر شبكة لا مركزية على نطاق واسع مع التعامل أيضا مع إنتاجية المعاملات على نطاق الإنترنت.

قبل الخوض في ديناميكيات المعضلة الثلاثية، دعونا نحدد قابلية التوسع والأمن واللامركزية بعبارات عامة: تشير قابلية التوسع في البلوكشين إلى قدرتها على التعامل مع حجم أكبر من المعاملات. ويشير الأمان إلى القدرة على تأمين البيانات الموجودة على البلوكشين من أنواع مختلفة من الاعتداءات والدفاع عن شبكة البلوكشين ضد الإنفاق المزدوج.

اللامركزية هي تشغيل الشبكة بشكل يضمن عدم التحكم في الشبكة من قبل عدد أقل من الكيانات.

التفاعل بين قابلية التوسع والأمن واللامركزية:

لتسوية المعاملة، يجب أن توافق الشبكة أولا على صحتها. قد تستغرق المصادقة بعض الوقت إذا كان النظام يضم عدد كبير من الأعضاء. ونتيجة لذلك، يمكننا أن نبين أن قابلية التوسع تتناسب عكسيا مع اللامركزية عندما تكون معايير الأمان متطابقة. الآن، بافتراض أن اثنين من بلوكشين إثبات العمل لهما نفس الدرجة من اللامركزية ويعتبران الأمان هو معدل تجزئة البلوكشين.

ينخفض وقت التأكيد مع ارتفاع معدل التجزئة، وترتفع قابلية التوسع مع تحسن الأمان. ونتيجة لذلك، تتناسب قابلية التوسع والأمان مع اللامركزية المستمرة. ونتيجة لذلك، لا يمكن لتقنية البلوكشين تحسين الميزات الثلاث المطلوبة في وقت واحد، مما يضطرها إلى إجراء مقايضات.

الايثيريوم هو أحدث مثال على المعضلة الثلاثية في العمل. وقد شهدت منصة الايثيريوم طفرة في الاستخدام بسبب نمو تطبيقات التمويل اللامركزي (DeFi) الصيف الماضي. حيث يمكن أن ينمو الإيثيريوم إلى نقطة معينة فقط. نظرا للطلب المتزايد، ارتفعت رسوم المعاملات إلى درجة لا يستطيع فيها بعض الأشخاص التعامل مع الشبكة. تعتبر زيادة رسوم إيثريوم مثالا على المعضلة الثلاثية، حيث يمكننا أن نرى أن إيثريوم لم يتوسع دون التضحية بالأمان أو اللامركزية.

كان تركيز إيثريوم على اللامركزية والأمن، مع كون عدد المعاملات في الثانية محدود (قابلية التوسع). ولتشجيع القائمين بالتعدين على تحديد أولويات معاملاتهم، دفع المستخدمون رسوما أعلى. وبالمثل، فإن اللامركزية والأمن لهما الأسبقية على قابلية التوسع في البيتكوين. ليس سرا أن قابلية التوسع في شبكات البلوكشين مثل البيتكوين والايثيريوم محدودة حاليا. لذلك، يعمل مجتمع عالمي من الشركات الناشئة والشركات والتقنيين بشكل محموم على حلول الطبقة الأولى والطبقة الثانية لحل معضلة البلوكشين الثلاثية.

تم تصميم شبكات البلوكشين من الطبقة الأولى لتوفير السرعة والأمان والتوسع. وتشير الطبقة الثانية إلى التحسينات والمنتجات التكنولوجية التي يمكن استخدامها لتوسيع قابلية التوسع لشبكات البلوكشين الحالية. قد يكون الحصول على التوازن المثالي بين الطبقتين بمثابة تغيير في قواعد اللعبة فيما يتعلق باعتماد البلوكشين وتوسيع الشبكات اللامركزية. ويتعامل المطورون مع المشكلة من وجهات نظر مختلفة.

زيادة حجم الكتل:

زيادة حجم الكتلة كانت محاولة لتحسين قابلية التوسع في البيتكوين. ومع ذلك، لا يوجد دليل على أنها أصبحت أكثر شعبية. تسعى البيتكوين إلى معالجة المشكلة عن طريق إضافة طبقة إلى طبقة البلوكشين الحالية. ستقوم حلول الطبقة الثانية بتجميع العديد من المعاملات معًا والاستعلام عن طبقة البلوكشين الأساسية مرة واحدة فقط من حين لآخر، وفقا للفكرة الكامنة وراء حلول التوسع.

تتخذ الايثيريوم نهج هجين، حيث تعمل عملية التقسيم على توسيع نطاق طبقة البلوكشين الأساسية ويتوقع المجتمع عدة حلول من الطبقة الثانية لتعزيز الإنتاجية بشكل أكبر.

الهيكل الطبقي لبنية البلوكشين:

في حالة الشبكة الموزعة لبنية البلوكشين، يقوم كل مشارك في الشبكة بصيانة الإدخالات الجديدة وتفويضها وتحديثها. وتمثل مجموعة الكتل ذات المعاملات بترتيب معين هيكل تقنية البلوكشين. ويمكن حفظ هذه القوائم كملف ثابت (بتنسيق txt) أو كقاعدة بيانات بسيطة. يمكن أن تتخذ بنية البلوكشين أشكال عامة أو خاصة أو اتحادية. ويتم تصنيف البنية الطبقية للبلوكشين إلى ست طبقات. ويتم تخزين محتوى البلوكشين على خادم في مركز بيانات في مكان ما على الكرة الأرضية.

يطلب العملاء محتوى أو بيانات من خوادم التطبيقات أثناء تصفح الويب أو استخدام أي تطبيقات، وهو ما يُعرف باسم بنية خادم العميل. يمكن للعملاء الآن التواصل مع العملاء الأقران ومشاركة البيانات. وهي تختلف عن شبكة نظير إلى نظير (P2P) التي هي مجموعة كبيرة من أجهزة الكمبيوتر التي تتشارك البيانات فيما بين بعضها البعض.

البلوكشين هي شبكة من أجهزة الكمبيوتر تعمل بنظام نظير إلى نظير والتي تقوم بحساب المعاملات والتحقق من صحتها وتسجيلها بطريقة منظمة في دفتر أستاذ مشترك. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء قاعدة بيانات موزعة، لتخزين جميع البيانات والمعاملات والبيانات الأخرى ذات الصلة. وهنا العقدة هي جهاز كمبيوتر في شبكة P2P.

طبقة البيانات:

يتم التعبير عن بنية بيانات البلوكشين كقائمة مرتبطة من الكتل التي يتم فيها طلب المعاملات. تتكون بنية بيانات البلوكشين من عنصرين أساسيين: المؤشرات والقائمة المرتبطة.

• القائمة المرتبطة هي قائمة من الكتل المتسلسلة التي تحتوي على بيانات ومؤشرات إلى الكتلة السابقة.
• المؤشرات هي متغيرات تشير إلى موضع متغير آخر، والقائمة المرتبطة هي قائمة من الكتل المتسلسلة مع البيانات والمؤشرات إلى الكتلة السابقة.

شجرة Merkle عبارة عن شجرة ثنائية من التجزئة.

تحتوي كل كتلة على التجزئة الجذرية لشجرة Merkle على معلومات مثل تجزئة الكتلة السابقة والطابع الزمني والرقم ورقم إصدار الكتلة وهدف الصعوبة الحالي. وبالنسبة لأنظمة البلوكشين، توفر شجرة Merkle الأمان والنزاهة وعدم القدرة على الدحض. تم بناء نظام البلوكشين على أشجار Merkle والتشفير وخوارزميات الإجماع. ولأنها الأولى في السلسلة، فإن كتلة التكوين، أي الكتلة الأولى، لا تحتوي على المؤشر.

لحماية أمن وسلامة البيانات الموجودة في البلوكشين، يتم توقيع المعاملات رقميا. يتم استخدام المفتاح الخاص لتوقيع المعاملات، ويمكن لأي شخص لديه المفتاح العام التحقق من الموقع.

يكشف التوقيع الرقمي عن التلاعب بالمعلومات. ونظرا لأن البيانات المشفرة يتم توقيعها أيضا، فإن التوقيعات الرقمية تضمن الوحدة. ونتيجة لذلك، فإن أي تلاعب سيجعل التوقيع غير صالح. لا يمكن اكتشاف البيانات لأنها مشفرة. ولا يجوز العبث بها مرة أخرى. هوية المرسل أو المالك محمية أيضا بالتوقيع الرقمي. ونتيجة لذلك، يصبح التوقيع مرتبط قانونيا بمالكه ولا يمكن تجاهله.

طبقة الشبكة:

طبقة الشبكة، والتي يشار إليها عادة باسم طبقة P2P، هي المسؤولة عن الاتصال بين العقد. تتم معالجة الاكتشاف والمعاملات ونشر الكتلة بواسطة طبقة الشبكة. طبقة الانتشار هي اسم آخر لهذه الطبقة. تضمن طبقة P2P أن العقد يمكنها العثور على بعضها البعض والتفاعل والنشر والمزامنة للحفاظ على شبكة البلوكشين في حالة العمل بشكل شرعي. شبكة P2P هي شبكة كمبيوتر يتم فيها توزيع العقد ومشاركة عبء عمل الشبكة لتحقيق غرض مشترك. يتم تنفيذ معاملات البلوكشين بواسطة العقد.

طبقة الإجماع:

تعد طبقة الإجماع ضرورية لوجود منصات البلوكشين. وتعد طبقة الإجماع هي الطبقة الأكثر ضرورة وأهمية في أي شبكة بلوكشين، سواء كان الايثيريوم أو "Hyperledger" أو أي شيء آخر. طبقة الإجماع هي المسؤولة عن التحقق من صحة الكتل وترتيبها وضمان موافقة الجميع.

طبقة التطبيقات:

تشكل العقود الذكية والرموز التسلسلية والتطبيقات اللامركزية (DApps) طبقة التطبيق. تنقسم بروتوكولات طبقة التطبيق أيضا إلى طبقات التطبيق والتنفيذ. تشتمل طبقة التطبيق على البرامج التي يستخدمها المستخدمون النهائيون للتواصل مع شبكة البلوكشين. وتعد البرامج النصية وواجهات برمجة التطبيقات (APIs) وواجهات المستخدم والأطر جزءا منها.

تعمل شبكة البلوكشين كتقنية خلفية لهذه التطبيقات، وتتواصل معها عبر واجهات برمجة التطبيقات (APIs). وتعد العقود الذكية والقواعد الأساسية والرمز التسلسلي كلها جزءا من طبقة التنفيذ. على الرغم من أن المعاملة تنتقل من طبقة التطبيق إلى طبقة التنفيذ، إلا أنه يتم التحقق من صحتها وتنفيذها في الطبقة الدلالية. تعطي التطبيقات تعليمات لطبقة التنفيذ، التي تنفذ المعاملات وتضمن الطبيعة الحتمية للبلوكشين.

شرح طبقات البلوكشين:

الطبقة 0:

تتكون طبقة البلوكشين صفر من مكونات تساعد في جعل البلوكشين حقيقة واقعة. الطبقة 0 تحمل التكنولوجيا التي تسمح لعملة البيتكوين والايثيريوم وشبكات البلوكشين الأخرى بالعمل بشكل سلس. تتضمن مكونات الطبقة 0 الإنترنت والأجهزة والاتصالات التي ستمكن الطبقة الأولى من العمل بسلاسة.

الطبقة الأولى:

هذه هي الطبقة الأساسية، وأمانها يعتمد على ثباتها. شبكة الإيثريوم، أو الطبقة الأولى، هي ما يشير إليه الناس عندما يقولون إيثريوم. هذه الطبقة مسؤولة عن عمليات الإجماع ولغات البرمجة ووقت الحظر وحل النزاعات والقواعد والمعلمات التي تحافظ على الوظائف الأساسية لشبكة البلوكشين. والمعروف أيضا باسم طبقة التنفيذ. البيتكوين هو مثال على طبقة البلوكشين من الطبقة الأولى.

مشاكل الطبقة الأولى:

تعمل حلول القياس هذه على تعزيز إنتاجية الشبكة عند استخدامها. ومع ذلك، مع تزايد عدد مستخدمي البلوكشين، يبدو أن الطبقة الأولى غير كافية. لا تزال عملية الإجماع القديمة لإثبات العمل قيد الاستخدام في الطبقة الأولى من البلوكشين. وفي حين أن هذا النهج أكثر أمانا من غيره، إلا أنه محدود بسرعته.

يُطلب من المعدنين حل خوارزميات التشفير باستخدام القوة الحسابية. ونتيجة لذلك، هناك حاجة إلى المزيد من القوة الحسابية والوقت على المدى الطويل. بالإضافة إلى ذلك، زاد عبء العمل على الطبقة الأولى من البلوكشين مع زيادة عدد المستخدمين. ونتيجة لذلك، تباطأت سرعات وقدرات المعالجة.

الحلول الممكنة:

إثبات الحصص هو إجماع بديل الذي تبناه Ethereum 2.0. ويشهد نهج الإجماع هذا على كتل بيانات المعاملات الجديدة بناء على ضمانات التوقيع المساحي للمشاركين في الشبكة، مما يؤدي إلى إجراء أكثر كفاءة. المشاركة والتحصيص هو حل توسيع للعبء على مشكلة البلوكشين من الطبقة الأولى.

ببساطة، يقوم التحصيص بتقسيم مهمة التحقق من صحة المعاملات والمصادقة عليها إلى أجزاء أصغر وأسهل في الإدارة. ونتيجة لذلك، يمكن توزيع عبء العمل عبر الشبكة لاستخدام المزيد من القدرة الحاسوبية للعقد. ونظرا لأن الشبكة تعالج هذه الأجزاء بالتوازي، فيمكن معالجة العديد من المعاملات بشكل تسلسلي وفي وقت واحد.

الطبقة الثانية:

تُعرف الشبكات المتداخلة الموجودة أعلى الطبقة الأساسية باسم حلول L2. تستخدم البروتوكولات الطبقة الثانية لزيادة قابلية التوسع عن طريق إزالة بعض التفاعلات من الطبقة الأساسية. ونتيجة لذلك، فإن العقود الذكية على بروتوكول البلوكشين الأساسي تتعامل فقط مع الودائع والسحوبات وتضمن أن المعاملات خارج السلسلة تتبع اللوائح.

تعد شبكة Lightning Network الخاصة بالبيتكوين مثالا على طبقة البلوكشين من الطبقة الثانية. إذن، ما هو الفرق بين الطبقة الأولى والطبقة الثانية من البلوكشين؟

البلوكشين هي الطبقة الأولى في النظام البيئي اللامركزي. الطبقة الثانية عبارة عن تكامل لجهة خارجية تستخدم جنبا إلى جنب مع الطبقة الأولى لتعزيز عدد العقد، ونتيجة لذلك، إنتاجية النظام. يتم تنفيذ العديد من تقنيات البلوكشين من الطبقة الثانية في الوقت الحاضر.

حلول قياس الطبقة الثانية:

زادت شعبية بروتوكولات الطبقة الثانية في السنوات الأخيرة، وأثبتت أنها الطريقة الأكثر فعالية لحل مشاكل التوسع في شبكات إثبات العمل (PoW)، على وجه الخصوص. يتم شرح حلول قياس الطبقة الثانية المختلفة في الأقسام أدناه.

شبكات البلوكشين المتداخلة:

يتم تشغيل طبقة متداخلة من البلوكشين فوق طبقة أخرى. في الأساس، تحدد الطبقة الأولى الإعدادات، بينما تقوم الطبقة الثانية بتنفيذ الإجراءات. في سلسلة رئيسية واحدة، قد يكون هناك عدة طبقات من البلوكشين. بدلا من أن يقوم شخص واحد (على سبيل المثال، المدير) بإجراء جميع الأعمال، قام المدير بتفويض المهام إلى المرؤوسين، الذين يقومون بعد ذلك بإبلاغ الإدارة عند الانتهاء منها.

ونتيجة لذلك، يتم تقليل عبء عمل المدير بينما يتم تحسين قابلية التوسع. على سبيل المثال، يعمل مشروع OMG Plasma كسلسلة من المستوى الثاني لبروتوكول الايثيريوم من المستوى الأول، مما يسمح بإجراء معاملات أرخص وأسرع.

قنوات الدولة:

تعمل قناة الدولة على تحسين سعة المعاملات الإجمالية وسرعتها من خلال تسهيل الاتصال ثنائي الاتجاه بين قنوات معاملات البلوكشين وقنوات المعاملات خارج السلسلة عبر أساليب مختلفة. للتحقق من صحة المعاملة عبر قناة حكومية، لا يحتاج القائم بالتعدين إلى المشاركة على الفور. وبدلا من ذلك، فهو مورد مجاور للشبكة ومحمي عبر آلية التوقيع المتعدد أو العقد الذكي.

يتم نشر "الحالة" النهائية لـ "القناة" وجميع التحولات المتأصلة فيها إلى البلوكشين الأساسي عند اكتمال معاملة أو مجموعة من المعاملات على قناة الحالة. تشمل أمثلة القنوات الدول شبكة Bitcoin Lightning وشبكة Raiden التابعة لشبكة الايثيريوم. وفي مقايضة المعضلة الثلاثية، تتخلى القنوات الدول عن بعض اللامركزية مقابل زيادة قابلية التوسع.

الشبكات الجانبية:

الشبكة الجانبية هي سلسلة معاملات تعمل جنب إلى جنب مع البلوكشين وتُستخدم في المعاملات المجمعة الضخمة. وتتمتع الشبكات الجانبية بطريقة توافقية خاصة بها، والتي يمكن تعديلها من أجل السرعة وقابلية التوسع، وكثيرا ما يتم استخدام الرمز الرقمي كجزء من آلية نقل البيانات بين الشبكات الجانبية والرئيسية.

وتتمثل المهمة الرئيسية للشبكة الرئيسية في توفير الأمن العام وحل النزاعات. وفي عدة جوانب مهمة، تختلف السلسلة الجانبية عن القنوات الدول. في البداية، المعاملات الجانبية ليست خاصة بين المشاركين؛ وبدلا من ذلك، يتم نشرها بشكل علني في دفتر البلوكشين. علاوة على ذلك، فإن الخروقات الأمنية في السلاسل الجانبية لا تؤثر على السلسلة الرئيسية أو السلاسل الجانبية الأخرى. يتطلب بناء سلسلة جانبية من الألف إلى الياء قدرا كبيرا من الوقت والعمل.

التجميع:

تعد عمليات التجميع عبارة عن حلول قياس البلوكشين من الطبقة الثانية والتي تقوم بإجراء معاملات خارج شبكة الطبقة الأولى ثم تقوم بتحميل البيانات من المعاملات إلى البلوكشين من الطبقة الثانية. يمكن للطبقة الأولى أن تحافظ على أمان المجموعات المجمعة لأن البيانات موجودة على الطبقة الأساسية. يستفيد المستخدمون من عمليات التجميع لأنها تساعد على زيادة إنتاجية المعاملات والمشاركة المفتوحة وخفض تكاليف الغاز.

الطبقة الثالثة:

غالبا ما يُشار إلى طبقة التطبيق بالطبقة الثالثة أو L3. تعمل مشاريع L3 كواجهة مستخدم مع إخفاء الجوانب الفنية لقناة الاتصال. تطبيقات L3 هي التي تمنح البلوكشين إمكانية تطبيقها في العالم الحقيقي، كما هو موضح في البنية الطبقية لبنية البلوكشين.

هل يمكن حل معضلة البلوكشين الثلاثية؟

تم نقل المشاكل التي يواجهها تخزين البيانات الموزعة، والتي نشأت منها تقنية البلوكشين. لفهم هذه الصعوبات والمشكلات ذات الصلة بشكل أفضل، تمت صياغة مصطلح "سلسلة الكتل الثلاثية" لتجميعها. على الرغم من بقاء كلمة "معضلة ثلاثية"، إلا أن معضلة البلوكشين هي مجرد تخمين. يشتبه في دقة هذه الفرضية بناء على البيانات المبكرة، لكن لم يتم إثباتها أو دحضها. يجب إجراء المزيد من الأبحاث، على الرغم من أن حلول الطبقة الأولى والطبقة الثانية قد حققت بعض النجاح بالفعل.

في الختام:

أحد الأسباب التي تجعل اعتماد البلوكشين بشكل أكبر عملية صعبة نظرا لمشكلة قابلية التوسع. مع تزايد الطلب على العملات المشفرة، تتزايد الضغوط لتوسيع بروتوكولات البلوكشين. نظرا لأن كلا مستويات البلوكشين لهما مجموعة من القيود الخاصة بهما، فإن الحل النهائي سيكون تطوير نظام يمكنه حل معضلة قابلية التوسع الثلاثية.

تعتبر الطبقة الأولى بالغة الأهمية لأنها بمثابة الأساس للأنظمة اللامركزية. تتم معالجة مشكلات قابلية التوسع الأساسية للبلوكشين عبر بروتوكولات الطبقة الثانية. لسوء الحظ، تعمل معظم بروتوكولات الطبقة الثالثة (DApps) حاليا على الطبقة الأولى فقط، متجاوزة الطبقة الثانية. ليس من المستغرب أن هذه الأنظمة لا تعمل بالشكل الذي نريده. تعتبر تطبيقات الطبقة الثالثة ضرورية لأنها تساعد في تطوير حالات الاستخدام الواقعية لشبكات البلوكشين. ومع ذلك، فإنها لن تحصل على نفس القدر من القيمة مثل البلوكشين الأساسي الخاص بها، على عكس الشبكات القديمة.

اقرأ أيضا:

ماهي العقد الخفيفة والماسترنود؟ وكيف تختلف عن التعدين؟