فهم خوارزميات الإجماع: دليل شامل

تلعب خوارزميات الإجماع دورًا حاسمًا في ضمان سلامة البيانات واتساقها في الأنظمة الموزعة. فهي توفر آليةً لعقد الشبكة للاتفاق على نسخة واحدة من الحقيقة، حتى في حال وجود جهات معيبة أو خبيثة. 

تتمتع خوارزميات الإجماع بتطبيقات واسعة النطاق، بدءًا من تقنية سلسلة الكتل (البلوك تشين) وصولًا إلى قواعد البيانات الموزعة وشبكات الند للند . في هذه المقالة، سنتعمق في مفهوم خوارزميات الإجماع، ونستكشف أهميتها، ونناقش بعض الأمثلة الشائعة.

الخلاصه

• تمكّن خوارزميات الإجماع من التنسيق في الأنظمة الموزعة دون سلطة مركزية
• تهدف كل من مناهج PoW وPoS وBFT وRaft والمناهج الهجينة إلى تحسين خصائص مثل الأمان وقابلية التوسع واللامركزية 
• يدعم PoW عملة البيتكوين ولكنه يثير مخاوف بيئية بينما تعمل PoS على تحسين الكفاءة
• يوفر BFT قدرة عالية على تحمل الأخطاء للشبكات الأصغر حجمًا ولكنه لا يتوسع بشكل جيد
• تجمع بروتوكولات الإجماع الهجينة بين فوائد الأساليب المتعددة

ما هي خوارزميات الإجماع؟

تشير خوارزميات الإجماع إلى البروتوكولات التي تستخدمها الأنظمة الموزعة لتحقيق اتفاق على قيمة بيانات واحدة أو ترتيب عمليات بين العمليات أو العقد الموزعة، على الرغم من احتمالية حدوث أعطال في العمليات أو انقطاعات في الشبكة أو أخطاء بيزنطية. وهي تتيح تنسيق نسخ الحالة بطريقة موزعة دون الحاجة إلى سلطة مركزية.

تلعب خوارزميات الإجماع دورًا حاسمًا في الأنظمة الموزعة، إذ تُمكّن من تكرار البيانات والحالة عبر عُقد متعددة في الشبكة. فهي تُمكّن العمليات الموزعة من الاتفاق على قيمة أو ترتيب مشترك رغم احتمالية حدوث أعطال أو أعطال. يُعدّ هذا التوافق بالغ الأهمية لبناء تطبيقات موزعة مقاومة للأخطاء، حيث تُعدّ الموثوقية والاتساق أمرًا بالغ الأهمية. 

من بين التطبيقات الرئيسية التي تعتمد على الإجماع، قواعد البيانات الموزعة، وشبكات البلوك تشين، وشبكات الدفع، وأنظمة التخزين الموزعة. تضمن خوارزميات الإجماع بقاء العقد في هذه الأنظمة متزامنة مع بعضها البعض حتى في حال تعطل بعضها أو تعطلها بشكل غير متوقع. 

نظرة عامة تاريخية على خوارزميات الإجماع

من بين خوارزميات الإجماع المبكرة المقترحة خوارزمية Paxos من عام ١٩٨٩، والتي تناولت مشكلة الاتساق في الأنظمة الموزعة. في عام ١٩٩٩، طُرحت مشكلة الجنرالات البيزنطيين لنمذجة حالات فشل العمليات العشوائية. كما طُرحت خوارزمية التسامح العملي للأخطاء البيزنطية (PBFT) في عام ١٩٩٩ لحل مشكلة التوافق البيزنطي. 

تم تقديم آلية إثبات العمل (PoW) في الورقة البيضاء لبيتكوين عام 2008 لتحقيق إجماع موزع في نظام العملات المشفرة . ومن بين خوارزميات الإجماع البارزة الأخرى: رافت (2001)، وتندرمينت (2014)، وكاسبر (2017). ومع مرور الوقت، تطورت خوارزميات الإجماع لمعالجة مشكلات قابلية التوسع والأمان والأداء في السجلات الموزعة وشبكات البلوك تشين.

الخصائص الرئيسية لخوارزمية الإجماع الجيدة

هناك بعض السمات المرغوبة لخوارزمية الإجماع القوية:

• لامركزية:لا ينبغي أن يعتمد الإجماع على أي كيان واحد، وينبغي أن تكون المشاركة مفتوحة أمام الجميع.
• التسامح مع الخطأ:يجب أن يستمر النظام في العمل بشكل صحيح على الرغم من تعرض العقد الفردية لأخطاء أو محاولة تعطيل الشبكة من خلال سلوك ضار.
• النهائية:يجب على المشاركين الاتفاق بالإجماع على تاريخ المعاملة ويجب الوصول إلى النهاية في إطار زمني يمكن التنبؤ به.
• الحوافز:يجب أن تكون هناك حوافز اقتصادية أو اجتماعية لتشجيع العقد على المشاركة بصدق في عملية الإجماع.
• التوسعة:يجب أن تكون الخوارزمية قادرة على دعم عدد كبير من المعاملات مع نمو الشبكة بمرور الوقت.
• الأمن والحماية:يجب أن يتطلب الوصول إلى الإجماع قدرًا كبيرًا من الموارد مثل قوة الحوسبة أو الحصة لمنع الهجمات التافهة.

التحديات والمقايضات في تصميم خوارزميات الإجماع

هناك العديد من التحديات في تصميم خوارزميات الإجماع للأنظمة الموزعة. 

• من الصعب تحقيق خصائص السلامة والحيوية والتسامح مع الأخطاء في وقت واحد. 
• تُشكّل قابلية التوسع تحديًا أيضًا، إذ تُقلّل إضافة المزيد من العُقد من الأداء. تصميم الشبكات المتزامنة أسهل، بينما الشبكات غير المتزامنة أكثر واقعية. 
• هناك أيضًا مقايضات بين الإنتاجية والزمن الكامن وقدرات تحمل الأخطاء. 
• تشكل العقد ذات الموارد المحدودة أيضًا قيودًا.

التسامح البيزنطي

التسامح مع الخطأ البيزنطي (BFT) هو قدرة نظام الحوسبة الموزعة على تحقيق الإجماع على الرغم من وجود أخطاء عشوائية أو ضارة داخل النظام. 

تُسمى هذه الأعطال بالأعطال البيزنطية بعد ظهورها في مشكلة الجنرالات البيزنطيين. تضمن خوارزميات BFT السلامة والحيوية حتى لو أظهرت بعض العقد سلوكيات عشوائية أو ضارة، مثل نشر معلومات مضللة. 

مشكلة الجنرالات البيزنطيين

تُعدّ مسألة الجنرالات البيزنطيين مسألة كلاسيكية في نظرية الأنظمة الموزعة الموثوقة. تتناول هذه المسألة مجموعة من جنرالات الجيش البيزنطي المُعسكرين مع قواتهم حول مدينة معادية. يحتاج الجنرالات إلى الاتفاق على خطة معركة مشتركة، لكن قد يكون بعضهم خونة يسعون إلى إفشال هذا الاتفاق. تُجسّد هذه المسألة مشكلة التوصل إلى اتفاق في ظل وجود أعطال عشوائية أو خبيثة.

بروتوكولات الاتفاق البيزنطي

وقد تم اقتراح عدة بروتوكولات لحل مشكلة الاتفاق البيزنطي، بما في ذلك:

• تعمل خوارزمية بن أور من عام 1983 على ما يصل إلى ثلث العقد المعيبة. 
• تعد خوارزمية التسامح العملي مع الأخطاء البيزنطية (PBFT) التي ابتكرها كاسترو وليزكوف في عام 1999 فعالة وتتعامل مع ما يصل إلى ثلث العقد المعيبة.
• HoneyBadgerBFT من عام 2016 والذي يركز على الشبكات غير المتزامنة ويحقق المرونة المثلى.

تهدف هذه البروتوكولات إلى ضمان توافق مستمر رغم انحراف بعض العقد عن البروتوكول بشكل تعسفي. فهي تضمن السلامة والحيوية، وتتحمل أخطاءً بيزنطية تصل إلى f < n/3.

التسامح البيزنطي العملي للخطأ (PBFT) 

تُعد خوارزمية PBFT من أكثر خوارزميات إجماع BFT استخدامًا ودراسةً. تعمل في الشبكات غير المتزامنة وتضمن السلامة طالما أن نسبة العقد المعيبة أقل من ثلثها. وتستمر هذه الخوارزمية بتسلسل من تغييرات العرض، حيث تقترح العقد الطلبات وتؤكدها. ومع تغييرات العرض، يمكنها التعافي من الأعطال الأولية. ومع ذلك، يزداد تعقيد رسالتها بشكل مضاعف مع زيادة عدد العقد.

القيود والاختلافات في خوارزميات BFT

على الرغم من قدرة خوارزميات BFT على توفير تحمّل عالٍ للأخطاء، إلا أن أدائها يتراجع مع توسّع النطاق. كما أنها تُشكّل تحديًا في التطبيق العملي. ركّزت الإصدارات المختلفة منها على تحسينات مثل التجميع لتحقيق الكفاءة. كما طُوّرت بروتوكولات BFT غير المتزامنة، ولكنها تُعاني من ضعف في المرونة. ولا تزال BFT مجالًا بحثيًا نشطًا لتحسين قابلية التوسع وعدم التزامن وقدرات تحمّل الأخطاء.

دليل العمل (بو)

إثبات العمل (PoW) هو آلية إجماع استُخدمت لأول مرة في بيتكوين، ثم انتشرت على نطاق واسع في العملات المشفرة وشبكات البلوك تشين. في إثبات العمل، يتنافس المشاركون (المُعدِّنون) على حل ألغاز حاسوبية معقدة، وأول من يحلها يُصادق على كتلة من المعاملات ويحصل على مكافأة. تُعرف عملية حل ألغاز التشفير هذه باسم "التعدين".

كيف يعمل إثبات العمل (PoW) في أنظمة بلوكتشين 

في سلاسل كتل إثبات العمل (PoW)، يتسابق عمال المناجم ليكونوا أول من يجد رقمًا عشوائيًا (nonce)، وعند ربطه برأس الكتلة، يُنتج قيمة تجزئة أقل من مستوى صعوبة مُحدد مسبقًا. يتطلب إيجاد هذه القيمة التجزئة قوة حوسبة هائلة. بمجرد العثور عليها، تُبث الكتلة إلى الشبكة للتحقق منها وتُضاف إلى سلسلة الكتل بطريقة لامركزية. تُؤمّن عملية الإجماع الموزعة هذه الشبكة دون الاعتماد على جهات موثوقة.

عملية التعدين في PoW 

تتضمن عملية التعدين في PoW ما يلي:

• يقوم عمال المناجم بجمع المعاملات الصالحة الأخيرة وإنشاء كتلة مرشحة.  
• يقومون بتغيير nonce ويقومون بتجزئة رأس الكتلة بشكل متكرر للعثور على تجزئة أقل من عتبة الهدف.
• بمجرد العثور على الكتلة، يتم بثها للتحقق منها ويتلقى عمال المناجم المكافآت.
• ويبدأ عمال المناجم الآخرون بعد ذلك العمل على الكتلة التالية بصعوبة متزايدة.

تعمل هذه العملية التنافسية على تأمين سلسلة الكتل من خلال إثبات العمل الموزع على نطاق واسع.

مزايا وعيوب إثبات العمل (PoW)

يوفر إثبات العمل (PoW) أمانًا قويًا من خلال حوافز اقتصادية دون الاعتماد على أطراف موثوقة. ومع ذلك، تستهلك عملية التعدين كميات هائلة من الكهرباء ومعدات تعدين متخصصة. وقد أثار هذا مخاوف بشأن الاستدامة البيئية وتجمعات التعدين المركزية. كما أن إثبات العمل (PoW) لا يتسع للعديد من المعاملات نظرًا لطول مدة الكتل لضمان الأمان. ويجري حاليًا استكشاف بدائل لمعالجة مشاكل عدم كفاءة الطاقة.

المخاوف البيئية واستهلاك الطاقة في PoW

تشير الدراسات إلى أن استهلاك الكهرباء العالمي لتعدين البيتكوين وحده يتجاوز 120 تيراواط/ساعة سنوياً، أي أكثر من استهلاك دول بأكملها. وقد أثار هذا الأمر مخاوف بيئية جدية بشأن البصمة الكربونية لآلية إثبات العمل.

غالبًا ما تقع مزارع التعدين بالقرب من مصادر طاقة رخيصة، مثل طاقة الفحم، مما يزيد من الانبعاثات. تحتاج البدائل إلى مصادر طاقة مستدامة ومتجددة لتقليل الأثر البيئي لتأمين سلاسل الكتل من خلال إثبات العمل (PoW).

إثبات الحصة (بوس) 

إثبات الحصة (PoS) هو آلية إجماع بديلة لإثبات العمل، تهدف إلى معالجة قيوده، مثل استهلاكه العالي للطاقة. في إثبات الحصة، يتم اختيار مُنشئ الكتلة التالية عشوائيًا، بناءً على ثروته أو حصته في العملة أو الشبكة. تتمتع العقد التي تمتلك كمية أكبر من العملة المشفرة باحتمالية أعلى للتحقق من صحة الكتل الجديدة وكسب المكافآت.

المفاهيم الأساسية في إثبات الحصة (PoS)، بما في ذلك المحققون وشروط التقطيع

في أنظمة إثبات الحصة (PoS)، يُطلق على المشاركين الذين يراهنون ويتحققون من صحة الكتل اسم المُصدِّقين. للمشاركة كمُصدِّق، يجب على العقدة حجز حد أدنى من العملات كرهانة. 

المُصدِّقون مسؤولون عن اقتراح الكتل الجديدة والتحقق من صحتها. إذا أساء المُصدِّقون التصرف أو أنتجوا كتلًا غير صالحة، فإنهم يُخاطرون بتخفيض حصتهم أو مصادرتها كعقاب وفقًا لقواعد البروتوكول. تُثبِّط هذه الآلية الهجمات.

الاختلافات المختلفة في خوارزميات إثبات الحصة

تتضمن بعض الاختلافات الملحوظة في PoS ما يلي:

• نقطة البيع المفوضة (DPoS) حيث ينتخب أصحاب المصلحة منتجي الكتل. 
• PoS مستأجرة حيث يمكن تفويض العملات المعدنية مؤقتًا للتخزين.
• Tendermint حيث يتم التعرف على المحققين ويتم اختيار القائد لاقتراح الكتل.
• يركز Casper FFG على النهائية ويستخدم سلسلة تصويت افتراضية.

يهدف كل إصدار إلى تحسين خصائص مثل اللامركزية والأمان والإنتاجية. وتوجد تناقضات بين هذه العوامل.

مزايا وعيوب نقاط البيع

يُعدّ إثبات الحصة (PoS) أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من إثبات العمل (PoW) نظرًا لعدم حاجته إلى قوة حوسبة هائلة. ومع ذلك، ثمة مخاوف بشأن مركزية الثروة مع ازدياد نفوذ أصحاب المصلحة الكبار. 

هجمات مثل الهجمات بعيدة المدى ممكنة أيضًا إذا أمكن إعادة كتابة التاريخ السابق. يُعدّ تطبيق الحوافز بشكل صحيح أمرًا صعبًا. بشكل عام، تستمر نقاط البيع في التطور مع ابتكارات جديدة لمعالجة هذه المخاوف.

اعتبارات أمنية وهجمات محتملة في نقاط البيع 

في إثبات الحصة (PoS)، يجب أن يمتلك المُصدِّقون حصةً كافيةً معرضةً للخطر ليحصلوا على حافزٍ كافٍ لتأمين الشبكة. تشمل الهجمات المحتملة عدم المخاطرة، حيث يُصدِّق المُصدِّقون على تفرعاتٍ متعددة، وهجماتٍ بعيدة المدى تُعيد كتابة التاريخ السابق، وهجماتٍ قصيرة المدى حيث يتم الحصول على حصةٍ أغلبيةٍ مؤقتة. 

تهدف تصميمات البروتوكولات إلى تقليل هذه المخاطر من خلال آليات عقابية، مثل شروط القطع. ويظل أمن نقاط البيع (PoS) بشكل عام مجالًا نشطًا للبحث والتطوير.

دليل التفويض الممنوح (دبوس)

إثبات الحصة المفوض (DPoS) هو خوارزمية إجماع مشتقة من إثبات الحصة، تهدف إلى حل مشكلات قابلية التوسع في إثبات الحصة. في خوارزمية إثبات الحصة المفوضة، يصوت حاملو الرموز لمنتجي/شهود الكتل، الذين يتولون بعد ذلك مسؤولية التحقق من صحة الكتل الجديدة بنظام الدوري. هذا يُلغي الحاجة إلى التعدين ويُحسّن الإنتاجية بشكل ملحوظ مقارنةً بأنظمة إثبات الحصة وإثبات العمل القياسية.

دور المندوبين والتصويت في أنظمة نقاط البيع

في خوارزمية إثبات الحصة المُفوَّض (DPoS)، يُمكن لحاملي العملات تفويض صلاحياتهم التصويتية وحصصهم إلى مُرشَّحي إنتاج الكتل، المعروفين باسم المُفوَّضين. يُمنح المُرشَّحون الحاصلون على أعلى الأصوات، بناءً على تفويضات حصصهم، الإذن بإنشاء كتل جديدة في سلسلة الكتل. وقد تُجرى تصويتات دورية لانتخاب مُنتِجي كتل جدد بناءً على آراء المُجتمع.

الحوكمة واتخاذ القرار في نقاط البيع

عادةً ما تحتوي أنظمة إثبات الحصة الموزعة (DPoS) على بروتوكولات حوكمة على السلسلة لتسهيل عملية اتخاذ القرار. على سبيل المثال، يمكن لحاملي الرموز التعبير عن دعمهم أو معارضتهم للمقترحات من خلال التصويت على السلسلة. وتُعدّ EOS وLisk مثالين على تطبيق آليات حوكمة للمجتمع لتوجيه تحديثات البروتوكول.

هجوم سيبيل والوقاية منه في DPoS

بما أن قوة التصويت تتناسب طرديًا مع الحصة في إثبات الحصة الموزع (DPoS)، فهي عرضة لهجمات Sybil، حيث تُنشئ جهة واحدة هويات متعددة للحصول على الأصوات. وللتخفيف من ذلك، تُفرض متطلبات إثبات الحصة حيث يتعين على الحسابات رهن الرموز لتكون مؤهلة للتصويت. وهذا يجعل إنشاء أعداد كبيرة من الهويات مكلفًا.

خوارزمية إجماع الطوافة

Raft هي خوارزمية توافق آراء صممها دييغو أونغارو وجون أوسترهوت عام 2014 لتكون أسهل فهمًا من Paxos. تُصاغ الخوارزمية على أنها مسألة تكرار لآلة ذات حالات محدودة، حيث تُطبّق نسخ الخدمة طلبات العملاء بنفس الترتيب. تحقق Raft توافق الآراء باستخدام عملية انتخاب قائد وآلية تكرار السجلات عبر العُقد.

عملية انتخاب الزعيم في رافت 

في لعبة Raft، يُعيَّن خادم واحد كقائد في أي وقت. إذا فشل القائد الحالي أو تعذر الوصول إليه، تُجري الخوادم الأخرى انتخابات لاختيار قائد جديد. خلال الانتخابات، تتبادل الخوادم رسائل نبضات القلب وتصوت للمرشحين. المرشح الذي يحصل على أصوات غالبية الخوادم يصبح القائد الجديد.

تكرار السجلات والاتساق في Raft

يُضيف القائد مُدخلات السجل التي تصف أوامر آلة الحالة إلى سجله. ويُكرر هذه السجلات إلى خوادم المتابعين لتحقيق الاتساق. يُكرر المتابعون سجلات القادة فقط لضمان عدم تباعدها. إذا تلقى تابع سجلاً من قائد ذي مصطلح أعلى، فسيتم تحويله إلى تابع القائد الجديد. هذا يضمن قائدًا واحدًا على الأكثر وترتيبًا إجماليًا للسجلات. 

ضمانات السلامة والتسامح مع الأخطاء في رافت

يضمن Raft خصائص أمان كالاتساق والتكامل من خلال تصميمه لتكرار السجلات القائم على القائد. يمكنه تحمّل فشل معظم الخوادم، إذ يتطلب القائد أصوات الأغلبية. كما يوفر ضمانات أقوى من Paxos بفضل سهولة فهمه المُحسّنة وعملية اختيار القائد الواضحة.

مقارنة Raft مع خوارزميات الإجماع الأخرى

اكتسبت Raft شعبيةً واسعةً بفضل بساطتها مقارنةً بـ Paxos. تُستخدم على نطاق واسع في قواعد البيانات مثل etcd ومكتبات الإجماع مثل Docker Swarm. توفر أمانًا مشابهًا لـ Paxos، ولكن مع تطبيق أبسط. مع ذلك، تُعدّ Raft أبطأ من خوارزميات القيادة المتعددة، ولا تُعالج الشبكات غير المتزامنة مثل PBFT. بشكل عام، تُحقق توازنًا جيدًا في العديد من حالات الاستخدام.

مناهج الإجماع الهجينة

تجمع خوارزميات الإجماع الهجينة عناصر من آليات إجماع متعددة لموازنة تنازلاتها. ومن الأمثلة على ذلك إثبات العمل للتوزيع الأولي للرموز، وإثبات الحصة للتحقق المستمر. يتيح ذلك الاستفادة من المزايا مع التخفيف من نقاط ضعف كل نهج على حدة.

الجمع بين إثبات العمل (PoW) وإثبات الخدمة (PoS) في الأساليب الهجينة

تستخدم بعض البروتوكولات الهجينة آلية إثبات العمل (PoW) مبدئيًا للتوزيع، ثم آلية إثبات الحصة (PoS). ومن الأمثلة على ذلك إيثيريوم 2.0 التي تخطط للانتقال من تعدين إثبات العمل إلى التحقق من صحة إثبات الحصة. بينما تستخدم بروتوكولات أخرى، مثل كاردانو، تعدين إثبات العمل لتوزيع الرموز مبدئيًا، وبروتوكول إثبات الحصة "أوروبروس" لضمان الإجماع المستمر. وهذا يحقق توازنًا بين الأمان واللامركزية والكفاءة.

مزايا وتحديات الإجماع الهجين

تهدف النماذج الهجينة إلى الجمع بين الإنتاجية العالية لإثبات الحصة (PoS) والأمان القوي لإثبات العمل (PoW). ومع ذلك، فإن تصميم حوافز مناسبة عبر الآليات أمر معقد. كما تتطلب الهجمات على الطبقات الفردية إجراءات تخفيف منفصلة. يعتمد الأمان على أضعف مكون. كما أن قابلية التوسع محدودة بقيود البروتوكولات الأساسية.

أمثلة على خوارزميات الإجماع الهجينة

إلى جانب الإيثريوم، تشمل الأمثلة أفالانش التي تستخدم شبكات فرعية من إثبات العمل (PoW) وإثبات الحصة (PoS) وتقنية التسامح البيزنطي التقليدي مع الأخطاء. يستخدم تندرمينت كور إثبات العمل (PoW) للتوزيع ويعمل وفقًا لقواعد BFT. يجمع هارموني بين التجزئة وBFT ويستخدم إثبات الحصة (PoS). يوازن كل هجين بين هذه المزايا بشكل مختلف بناءً على أولويات التصميم.

الاتجاهات المستقبلية المحتملة والبحوث في الإجماع الهجين

يمكن للأبحاث المستقبلية تحسين التصاميم الهجينة من خلال التحقق الرسمي والتجارب المباشرة على شبكات الاختبار. ويُعدّ تطبيق التعلم من مجالات أخرى على التوافق سبيلاً آخر. يتطلب توافق الحوافز عبر الطبقات اهتماماً خاصاً. كما أن التصاميم الهجينة الجديدة التي تجمع بين فئات توافق مختلفة تبشر بالخير.

خاتمة

قدمت هذه المقالة لمحة عامة عن خوارزميات الإجماع الرئيسية، بدءًا من إثبات العمل وإثبات الحصة، وصولًا إلى تحمّل الأخطاء البيزنطية، وإثبات الحصة المفوض، ونماذج رافت. واستكشفت مفاهيمها، وآليات عملها، والتنازلات، والأمثلة عليها. 

لا يزال الإجماع مجالًا بحثيًا نشطًا مع توسّع الأنظمة الموزعة لدعم جيل جديد من التطبيقات اللامركزية. كما تُظهر البروتوكولات الهجينة التي تدمج مناهج مختلفة إمكانيةً لتحسين هذا التوازن بشكل أكبر.