ब्लॉकचेन सिस्टम के लिए द्वि-श्रृंखला आधारित सहमति तंत्र

विषय सूची

1. परिचय

ब्लॉकचेन तकनीक एक परिवर्तनकारी वितरित लेजर तकनीक के रूप में उभरी है जो विकेंद्रीकरण, उच्च सुरक्षा और मजबूत अनुरेखण क्षमता से विशेषता है। वित्त, स्वास्थ्य सेवा, कृषि और सूचना सुरक्षा जैसे अनुप्रयोगों के साथ, ब्लॉकचेन को मेटावर्स जैसी उभरती प्रौद्योगिकियों के लिए महत्वपूर्ण बुनियादी ढांचे के रूप में तेजी से मान्यता दी जा रही है। सहमति तंत्र ब्लॉकचेन सिस्टम का मूलभूत केंद्र बिंदु के रूप में कार्य करता है, जो प्रतिभागियों को केंद्रीकृत प्राधिकरण के बिना सहमति तक पहुंचने में सक्षम बनाता है।

"गैर-सिक्का" ब्लॉकचेन सिस्टम के लिए वर्तमान सहमति तंत्र, विशेष रूप से प्रूफ ऑफ कॉन्ट्रिब्यूशन वैल्यू और प्रूफ ऑफ वर्क (PoC+PoW) पर आधारित, कम दक्षता, अपर्याप्त विश्वसनीयता और सुरक्षा, और उच्च कम्प्यूटेशनल शक्ति खपत सहित महत्वपूर्ण चुनौतियों का सामना करते हैं। ये सीमाएँ संसाधन-सीमित वातावरण में ब्लॉकचेन के व्यावहारिक परिनियोजन में बाधा डालती हैं।

2. संबंधित कार्य

पारंपरिक ब्लॉकचेन सहमति तंत्र में प्रूफ ऑफ वर्क (PoW), प्रूफ ऑफ स्टेक (PoS) और प्रैक्टिकल बाइजेंटाइन फॉल्ट टॉलरेंस (PBFT) शामिल हैं। जबकि PoW कम्प्यूटेशनल कार्य के माध्यम से मजबूत सुरक्षा प्रदान करता है, यह उच्च ऊर्जा खपत से ग्रस्त है। PoS ऊर्जा संबंधी चिंताओं को संबोधित करता है लेकिन केंद्रीकरण की ओर ले जा सकता है। PBFT उच्च थ्रूपुट प्रदान करता है लेकिन बढ़ती नोड संख्या के साथ स्केलेबिलिटी समस्याओं का सामना करता है।

PoC+PoW हाइब्रिड तंत्र विशेष रूप से गैर-सिक्का ब्लॉकचेन परिदृश्यों के लिए डिजाइन किया गया था, जो योगदान-आधारित सत्यापन को कम्प्यूटेशनल प्रमाण के साथ जोड़ता है। हालाँकि, यह दृष्टिकोण अभी भी अपने घटक प्रोटोकॉल की कई सीमाओं को विरासत में लेता है, विशेष रूप से दक्षता और संसाधन उपयोग के मामले में।

3. CON_DC_PBFT आर्किटेक्चर

3.1 द्वि-श्रृंखला संरचना

CON_DC_PBFT तंत्र एक नवीन द्वि-श्रृंखला आर्किटेक्चर का परिचय देता है जिसमें शामिल हैं:

• व्यवसाय श्रृंखला: प्राथमिक लेन-देन डेटा और एप्लिकेशन-विशिष्ट संचालन को संभालती है
• सिस्टम श्रृंखला: योगदान मूल्यों, नोड प्रतिष्ठा और सिस्टम मेटाडेटा का प्रबंधन करती है

यह पृथक्करण समानांतर प्रसंस्करण को सक्षम बनाता है जहां सहमति संचालन दोनों श्रृंखलाओं पर एक साथ हो सकते हैं, जिससे समग्र सिस्टम थ्रूपुट में उल्लेखनीय सुधार होता है। द्वि श्रृंखलाएं अर्ध-स्वतंत्र तरीके से कार्य करती हैं, जिसमें सिस्टम श्रृंखला व्यवसाय श्रृंखला के सहमति संदेश प्रवाह की निगरानी और समन्वय करती है।

3.2 सहमति प्रोटोकॉल डिजाइन

सहमति प्रोटोकॉल संशोधित PBFT को योगदान-आधारित नोड चयन के साथ जोड़ता है। सिस्टम श्रृंखला योगदान मूल्यों के आधार पर व्यवसाय श्रृंखला लेखा नोड्स को यादृच्छिक रूप से नामित करती है, जिससे उन पूर्वानुमेय पैटर्नों को रोका जा सकता है जिनका दुर्भावनापूर्ण अभिनेताओं द्वारा शोषण किया जा सकता है। बाइजेंटाइन संचार तंत्र संदेश अखंडता सुनिश्चित करता है और एकल बिंदु विफलता को रोकता है।

4. तकनीकी कार्यान्वयन

4.1 गणितीय आधार

नोड चयन संभावना एक योगदान-भारित वितरण का अनुसरण करती है:

$P_i = \frac{C_i^\alpha}{\sum_{j=1}^N C_j^\alpha}$

जहाँ $P_i$ नोड $i$ के लिए चयन संभावना का प्रतिनिधित्व करता है, $C_i$ नोड $i$ के योगदान मूल्य को दर्शाता है, $N$ नोड्स की कुल संख्या है, और $\alpha$ एक ट्यूनिंग पैरामीटर है जो योगदान मूल्यों के प्रभाव को नियंत्रित करता है।

सहमति दक्षता को इस प्रकार मॉडल किया गया है:

$E = \frac{T_{parallel}}{T_{sequential}} = \frac{1}{1 - \rho + \frac{\rho}{k}}$

जहाँ $\rho$ समानांतरकरण अनुपात का प्रतिनिधित्व करता है और $k$ समानांतर प्रसंस्करण के लिए स्पीडअप फैक्टर है।

4.2 नोड चयन एल्गोरिदम

function selectAccountingNode(contributionMap, currentBlock) {
    let totalWeight = 0;
    let cumulativeWeights = [];
    
    // योगदान मूल्यों के आधार पर संचयी भार की गणना करें
    for (let i = 0; i < contributionMap.length; i++) {
        totalWeight += Math.pow(contributionMap[i].value, ALPHA);
        cumulativeWeights.push(totalWeight);
    }
    
    // यादृच्छिक चयन उत्पन्न करें
    const randomValue = Math.random() * totalWeight;
    
    // भारित संभावना के आधार पर नोड का चयन करें
    for (let i = 0; i < cumulativeWeights.length; i++) {
        if (randomValue <= cumulativeWeights[i]) {
            return contributionMap[i].nodeId;
        }
    }
    
    return contributionMap[0].nodeId; // फॉलबैक
}

5. प्रायोगिक परिणाम

व्यापक प्रायोगिक विश्लेषण ने सहमति तंत्र प्रदर्शन पर विभिन्न मापदंडों के प्रभाव का मूल्यांकन किया:

• ब्लॉक चयन संभावना: CON_DC_PBFT ने PoC+PoW की तुलना में अधिक समान वितरण प्रदर्शित किया
• एकल-बिंदु विफलता दर: बाइजेंटाइन संचार तंत्रों के माध्यम से 45% कमी
• नोड संख्या स्केलेबिलिटी: बढ़ती नोड संख्या के साथ स्थिर प्रदर्शन बनाए रखा
• ब्लॉक ट्रांसमिशन दर: थ्रूपुट में 35% सुधार हासिल किया
• CPU उपयोग: PoC+PoW की तुलना में 40% कमी

परिणाम प्रदर्शित करते हैं कि CON_DC_PBFT, PoC+PoW की तुलना में 50% से अधिक मेमोरी और स्टोरेज संसाधनों का संरक्षण करता है, जबकि समग्र सहमति समय विलंबता में 30% से अधिक सुधार करता है।

6. विश्लेषण और चर्चा

CON_DC_PBFT तंत्र गैर-सिक्का अनुप्रयोगों के लिए ब्लॉकचेन सहमति डिजाइन में एक महत्वपूर्ण प्रगति का प्रतिनिधित्व करता है। द्वि-श्रृंखला आर्किटेक्चर के माध्यम से सिस्टम मेटाडेटा को व्यावसायिक लेनदेन से अलग करके, प्रोटोकॉल दक्षता और सुरक्षा दोनों में पर्याप्त सुधार प्राप्त करता है। योगदान मूल्यों के आधार पर यादृच्छिक नोड चयन, बाइजेंटाइन फॉल्ट टॉलरेंस मॉडल की अखंडता को बनाए रखते हुए, मौजूदा दृष्टिकोणों में महत्वपूर्ण कमजोरियों को संबोधित करता है।

यह शोध ब्लॉकचेन अनुकूलन में व्यापक रुझानों के साथ संरेखित है, जो एथेरियम 2.0 [ब्यूटरिन, 2020] द्वारा प्रस्तावित शार्डिंग कार्यान्वयन में देखे गए आर्किटेक्चरल नवाचारों के समान है। समानांतर प्रसंस्करण क्षमता वितरित सिस्टम साहित्य [कुलौरिस एट अल., 2011] में पाए गए सिद्धांतों की पुनरावृत्ति करती है, जहाँ चिंताओं का पृथक्करण अक्सर प्रदर्शन लाभ की ओर ले जाता है।

पारंपरिक PBFT कार्यान्वयनों की तुलना में, जो मूल प्रोटोकॉल विवरण [कास्त्रो और लिस्कोव, 1999] में दर्ज स्केलेबिलिटी सीमाओं का सामना करते हैं, CON_DC_PBFT का द्वि-श्रृंखला दृष्टिकोण सहमति कार्यभार को प्रभावी ढंग से वितरित करता है। योगदान-आधारित नोड चयन अप्रत्याशितता का एक तत्व प्रस्तुत करता है जो लक्षित हमलों के खिलाफ सुरक्षा को बढ़ाता है, यह चिंता हालिया ब्लॉकचेन सुरक्षा विश्लेषण [गर्वैस एट अल., 2016] में उजागर की गई है।

प्रायोगिक परिणाम प्रदर्शित करते हैं कि द्वि-श्रृंखला आर्किटेक्चर के सैद्धांतिक लाभ व्यावहारिक प्रदर्शन सुधारों में अनुवादित होते हैं। सहमति विलंबता में 30% की कमी और 50% संसाधन बचत CON_DC_PBFT को उद्यम ब्लॉकचेन परिनियोजन के लिए एक व्यवहार्य समाधान के रूप में स्थापित करती है जहाँ दक्षता और संसाधन बाधाएँ महत्वपूर्ण विचार हैं।

7. भविष्य के अनुप्रयोग

CON_DC_PBFT तंत्र कई उभरते डोमेन में विशेष रूप से आशाजनक दिखाई देता है:

• आपूर्ति श्रृंखला प्रबंधन: जटिल बहु-पक्षीय लेनदेन के लिए बेहतर दक्षता के साथ वर्धित अनुरेखण क्षमता
• स्वास्थ्य सेवा डेटा विनिमय: कम कम्प्यूटेशनल ओवरहेड के साथ सुरक्षित रोगी रिकॉर्ड साझाकरण
• IoT नेटवर्क: संसाधन-सीमित वातावरण कम मेमोरी और स्टोरेज आवश्यकताओं से लाभान्वित होते हैं
• डिजिटल पहचान प्रणाली: बनाए रखी गई सुरक्षा गारंटी के साथ स्केलेबल पहचान सत्यापन
• मेटावर्स बुनियादी ढांचा: आभासी दुनिया के लेनदेन की उच्च-थ्रूपुट आवश्यकताओं का समर्थन

भविष्य के शोध दिशाओं में अनुकूली योगदान मूल्य एल्गोरिदम, क्रॉस-चेन इंटरऑपरेबिलिटी तंत्र और वर्धित गोपनीयता के लिए ज़ीरो-नॉलेज प्रूफ्स के साथ एकीकरण का अन्वेषण शामिल है।

8. संदर्भ

1. Buterin, V. (2020). Ethereum 2.0 Specifications. Ethereum Foundation.
2. Castro, M., & Liskov, B. (1999). Practical Byzantine Fault Tolerance. OSDI.
3. Coulouris, G., Dollimore, J., Kindberg, T., & Blair, G. (2011). Distributed Systems: Concepts and Design. Pearson Education.
4. Gervais, A., Karame, G. O., Wüst, K., Glykantzis, V., Ritzdorf, H., & Capkun, S. (2016). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains. CCS.
5. Zhu, Y., et al. (2020). CycleGAN: Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV.
6. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
7. Wood, G. (2014). Ethereum: A Secure Decentralised Generalised Transaction Ledger.