شرح مشكلة قابلية التوسع في البلوك تشين

في إنشاء تقنية البلوكشين، اعتمد المطورون على خصوصية وأخفاء الهوية للأموال الرقمية. وقد تحقق هذا الهدف من خلال إدخال مبدأ نظام peer-to-peer — كل مستخدم متساوٍ، ولا توجد جهة إدارة ولا هيئة للتحكم بالأموال مثل البنوك.

الآن تواجه العملات المشفرة، بوصفها تقنية، المهمة التالية — تحقيق سرعة عالية في العمليات، مماثلة لـ Visa وMasterCard. وتبقى مشكلة قابلية التوسع إحدى العقبات الرئيسية أمام التطبيق الواسع لتقنية البلوكشين. ويبحث عدد متزايد من فرق مشاريع البلوكشين عن حلول يمكنها تحسين أداء شبكتها. ويزعم الكثيرون أنهم قد حلّوا هذه المشكلة بالفعل أو يكادون، لكن ينبغي التعامل مع مثل هذه التصريحات بحذر.

الهدف الرئيسي

قبل عشر سنوات، لم تكن Bitcoin تحظى بشعبية لدى المستخدمين. لكن مع مرور السنوات، أدى ازدياد عدد المستخدمين في النظام إلى ظهور مشكلات في القدرة الحاسوبية للتقنية. وأصبح استخدام العملة المشفرة أكثر صعوبة بسبب الطوابير الطويلة الناتجة عن القيود على عدد المدفوعات المعالجة في الثانية. وهكذا، تفاقمت مشكلة قابلية التوسع.

بدأ المطورون بالبحث بنشاط عن آليات مثلى لتثبيت العمل. ومنذ ذلك الحين، كانت العملات تُحدَّث بانتظام أو تنقسم في حال غياب التوافق. ومع ذلك، دعونا نستعرض القضايا واحدةً تلو الأخرى.

مشكلة قابلية التوسع: جوهر المهمة

تُجرى جميع معاملات Bitcoin داخل كتل تتلقى بيانات المعاملات. وتستوعب الكتلة الواحدة 1 MB من المعلومات، ويبلغ متوسط سرعة المعالجة أربع مدفوعات في الثانية. ومن ناحية أخرى، فإن القدرة الحاسوبية للـ miners مسؤولة عن حركة الأموال واستقرار العمليات. وهذا ضروري لحساب الخوارزميات عند إنشاء العملات وسجلات المعاملات المشفّرة. ومع كل معاملة، يتلقى miners العملة الرقمية عمولة.

كما أن زيادة عدد المعاملات تقلل أيضًا من سرعة كل معاملة. وهذا يسمح للبلوكشين بعدم التأقلم مع التدفق الكبير. فجميع تحويلات العملات المشفرة تُبنى في طابور طويل. ولا تتيح سوى الكلفة العالية للعمولة أولوية أكبر في الطابور. ويؤثر هذا الظاهرة في السيولة (قفزات السعر) الخاصة بالعملة — إذ يصبح من الأسهل للمشتري استخدام النقد أو البطاقة المصرفية حتى على حساب إخفاء الهوية والخصوصية.

يفقد المستخدمون في مثل هذه الحالات الاهتمام والثقة بالعملة، ثم يلحق بهم miners. ونتيجة لذلك، يرى المستثمرون خطر الاستثمار فيسحبون الأصول من ذروة القيمة والشعبية، بينما يراهن المتداولون على تحركات الأسعار.

كيف تظهر مشكلة قابلية التوسع

مع انتشار Bitcoin، ظهرت مشكلة قابلية التوسع للعملة المشفرة بسبب ازدحام الشبكة. ولذلك أصبح استخدام العملة أصعب — ففي مايو 2017 وصلت طوابير المعاملات إلى خمسة أيام. وهنا برز سؤال التوازن بين سرعة المعاملات وأمانها.

يمكن تحليل المشكلة باستخدام مثال عملي. لنفترض أنه يجب نقل 500 طن من البضائع على قطار بعربات سعة كل منها طن واحد، مع فحص أمني مسبق وتحميل يستغرق ساعتين لكل وحدة. ومع ذلك، فإن تكلفة خدمات النقل تؤثر في ترتيب البضائع ترتيبًا تنازليًا. ونتيجة لذلك، يستغرق الأمر ما لا يقل عن أسبوعين حتى يتلقى المستلمون الذين يدفعون أقل مقابل التسليم المنتج النهائي. والأمر نفسه مع Bitcoin — فمن المستحيل إجراء المدفوعات بالسرعة نفسها كما في البطاقة المصرفية.

وبناءً على ما سبق، يمكن تحديد تعريف مشكلة قابلية التوسع — وهو الحد من عدد المعاملات المعالجة خلال وقت معين. ومع ذلك، فإن القدرة على اختيار عمولة مدفوعة قد ترفع أولوية العملية في طابور البلوكشين لكنها لا تحل المشكلة.

أول ما يتبادر إلى الذهن هو زيادة حجم الكتلة وعدد المدفوعات المعالجة من دون إجراءات إضافية. ولسوء الحظ، سيؤدي هذا النهج إلى تقليل الأمان، لأن المعالجة المقيّدة للمعلومات تتجنب الخطر المرتفع لهجمات DDoS (الازدحام المتعمد للشبكة لأغراض احتيالية). وقد تم تحديد الحجم من أجل التحقق الدقيق من البيانات. ومع ذلك، من الضروري تحليل الحلول الممكنة للوضع بالتفصيل.

كيفية حل قابلية التوسع

بدأ المطورون والناشطون والعلماء بالبحث عن طرق لحل مشكلة قابلية التوسع لدى Bitcoin. وكانت الذروة واللحظة الدالة هي الحالة الموصوفة في 2017 مع الطوابير الطويلة. وفي ذلك الوقت جرى نقاش واسع للمهمة في crypto community. وقد تم إبراز ثلاثة مفاهيم لتصحيح هذا القصور في البلوكشين:

• زيادة حجم الكتلة، وبالتالي تقليل الرسوم على المدفوعات وزيادة معدل معالجة المعاملات في الثانية (TPS). وهناك عيبان — إذ يؤدي هذا المسار إلى مركزية العملة وخطر نجاح محاولات هجمات DDoS؛
• المعالجة المجزأة للمعلومات أو sharding. إذ تُعرض بعض المعلومات خارج الخلايا. وبهذه الطريقة يُقسَّم البلوكشين إلى قسمين أو أكثر مسؤولين عن مجموعات مختلفة من المعاملات. كما يوجد خطر هجمات القراصنة لأن قدرة أقل من miners مطلوبة لمعالجة shards. وبسبب التقسيم إلى عدة أجزاء، تتطلب عمليات الفحص الأمني خوارزميات خفيفة. وبالتالي يمكن للمحتالين إضافة معاملات مزيفة إلى الشبكة، ومن الأمثلة على ذلك هجوم 51 ％ ؛
• مجموعة من حلول L2 لمشكلة قابلية التوسع. ويُعد هذا النهج إطارًا، أي برنامجًا يعمل فوق البلوكشين، ويخفف العبء عن الشبكة القائمة. وتختلف مثل هذه المفاهيم عن on-chain (القرارات داخل نظام العملة) من خلال تدخل وسيط.

تتطلب الطريقة الأولى تقسيم الشبكة وإنشاء عملة جديدة. ومن ثم يحدث فقدان لدعم التوافق العكسي مع الأصل. أي إن العملات في هذه الحالة لم تعد متجانسة. وفي البيئة التشفيرية تُسمى هذه الظاهرة hardfork. وقد سلكت Bitcoin Cash هذا المسار. ونتيجة للانقسام، حدث في أغسطس 2017 انفصال عن أول عملة مشفرة مع زيادة حجم الكتلة إلى 8 MB.

أما الحل الثاني فيتضمن إنشاء شبكات فرعية منفصلة للكتلة مع نقل جزء من المعلومات خارج حدودها. وفي هذه الحالة يحدث softfork — أي تغيير في بروتوكول البرمجيات من دون تقسيم العملة. يشبه ذلك إصدار patch للعبة كمبيوتر مع إضافات. ومن الأمثلة على ذلك تحديث Segregated Witness. وقد زاد حجم الكتلة إلى 2 MB مع تخزين بعض المعلومات خارج سلسلة المعاملات الرئيسية.

وللحل عيوبه — فكل shard سيكون معرضًا لخطر هجوم سيبراني. ولكل قطاع من هذا النوع تُستخدم قدرة أقل من المستخدمة لكل وحدة.

حلول المستوى الثاني

لم تكن بنية البلوكشينات المبكرة، وعلى رأسها Bitcoin وEthereum، مصممة لعدد كبير من المعاملات والمستخدمين، ولذلك فإن عرض النطاق فيها منخفض. فعلى سبيل المثال، يبلغ في Bitcoin نحو 5-7 معاملات في الثانية (TPS)، بينما يبلغ في Ethereum نحو 15 TPS.

يمكن زيادة قابلية التوسع من خلال تغيير كود بروتوكول البلوكشين باستخدام وظائف مثل sharding. لكن ذلك يستغرق وقتًا طويلًا وقد يمتد لسنوات. إضافةً إلى ذلك، فإن مثل هذه التحسينات تغيّر أسس البنية، لذلك لا يوافق مجتمع المشروع دائمًا على تنفيذها.

تتيح حلول L2 حل مشكلة انخفاض عرض النطاق وارتفاع الرسوم على التحويلات جزئيًا على الأقل من دون التأثير في كود البلوكشين الرئيسي. وتتمثل ميزتها الأساسية في القدرة على نقل الأصول بين عناوين "المستوى الأول" أثناء استخدام "المستوى الثاني"، والذي يمكن أن يكون بروتوكولًا منفصلًا خارج السلسلة أو بلوكشينًا منفصلًا.

ما هي حلول Layer 2 الموجودة لـ Bitcoin؟

المشروع الرئيسي من فئة L2 لأول عملة مشفرة هو Lightning Network (LN). ويعمل على بروتوكول يستخدم smart contracts وما يُسمى قنوات الحالة. وقد أُطلق Lightning Network في عام 2015، ومنذ ذلك الحين وهو يتطور بنشاط. وبحلول نهاية مايو 2022، وصلت السعة الإجمالية لقنوات LN إلى 3,900 BTC.

وتتمثل الوظيفة الرئيسية لـ LN في تمكين حاملي bitcoin من إجراء تبادلات مباشرة من دون كتابة المعلومات في سجله. وللقيام بذلك، تحتاج إلى فتح قناة خاصة باستخدام معاملة on-chain واحدة وإيداع bitcoins فيها.

بعد التفعيل، تتيح قناة الدفع إجراء التحويلات off-chain، أي خارج الشبكة الرئيسية، بسرعة أعلى ورسوم أقل بكثير. وعلى عكس معاملات on-chain، فإن المعاملات داخل قنوات Lightning Network تكون مرئية فقط لمستخدميها. ولا يُسجل في البلوكشين الرئيسي سوى الحالات الابتدائية والنهائية للمعاملات.

يقلل هذا النهج بشكل كبير من الحمل على شبكة bitcoin الرئيسية: إذ إن Lightning Network قادرة على معالجة آلاف العمليات في الثانية مع ضمان مستوى عالٍ من أمان النظام.

ما هي حلول Layer 2 الموجودة لـ Ethereum؟

على الرغم من بطئها، فإن منظومة Ethereum هي الأكثر طلبًا للتطبيقات اللامركزية. وتعمل عليها العديد من المشاريع الشائعة في مجالي decentralized finance (DeFi) وtokens غير القابلة للاستبدال (NFT). ولذلك فإن مشكلة قابلية التوسع حادة بشكل خاص بالنسبة إلى Ethereum.

تُطوَّر الآن عدة حلول رئيسية من فئة L2 بالتوازي:

• Polygon (MATIC);
• Arbitrum;
• Optimism.

وتتمثل التقنية الأساسية لعملها في Rollups، التي لها نوعان رئيسيان:

• Optimistic Rollups. مع هذا الحل، تُجرى المعاملات في شبكة L2، ثم تُدمج في مجموعات كبيرة في كتلة مضغوطة، يدرجها validators في شبكة Ethereum الرئيسية. وتُستخدم Optimistic Rollups في Arbitrum وOptimism.
• ZK-Rollups. كما تُدمج المعاملات في شبكة المستوى الثاني في حزم وتُرسل إلى شبكة Ethereum، لكن تأكيدها يتم بمساعدة مُتحققين خاصين، وهي براهين تشفيرية على صحة العمليات. وتُبنى Polygon على أساس ZK-Rollups. وهذه التقنية لتوسيع Ethereum يدرسها المؤسس المشارك الرئيسي للمنصة Vitalik Buterin.

أياً كان حل L2، فإن Ethereum بوصفها "الطبقة الأولى" تتولى وظيفة التحقق من المعاملات وإنتاج الكتل، أي السجل الذي تُسجل فيه الحالات النهائية، وآلية التوافق. وبالتالي لا يحتاج المشروع إلى إنشاء بنيته التحتية الخاصة.

وهناك مشاريع أخرى من Layer 2. فعلى سبيل المثال، في يوليو 2022 أعلن startup Matter Labs عن إطلاق zkSync 2.0. وبعد شهر، أطلق مشروع StarkWare بروتوكوله الخاص، المكتوب بلغة Cairo.

دعونا نلخص

يمكن ملاحظة بسهولة أن موارد الشبكة في بروتوكول Bitcoin تُستخدم بكفاءة غير عالية. فكل عقدة تعالج وتنقل بيانات عن كتلة جديدة لجزء صغير فقط من الوقت. ويُستخدم عرض نطاق الشبكة بالكامل لبضع ثوانٍ فقط. أما بقية الوقت، فتقوم هذه العقدة بإرسال معاملات غير مؤكدة وبيانات داعمة. وقد ألهمت هذه الملاحظة الباحثين للبحث عن مخططات بروتوكول أكثر كفاءة يمكنها تحسين معدل إنتاجية النظام بشكل كبير من دون المساس بأمن الشبكة ولا مركزيتها.

حتى الآن، لم يتوصل مجتمع crypto إلى حل واحد. ولا تزال الخلافات قائمة، وتُنشأ عملات جديدة، وتُصدر تحديثات للبروتوكول. وقد تم تطوير حلول فعالة بالفعل، لكن لا يزال هناك خطر العامل البشري. وسيُغلق هذا الملف بتطور الذكاء الاصطناعي بوصفه وسيطًا للمعاملات.