Mfumo wa Makubaliano wa Msingi wa Minyororo Miwili kwa Mfumo wa Blockchain

Yaliyomo

50%

Akiba ya Kumbukumbu na Hifadhi

30%

Uboreshaji wa Ucheleweshaji wa Makubaliano

Mnyororo-Mbili

Muundo wa Usindikaji Sambamba

1. Utangulizi

Teknolojia ya Blockchain imejitokeza kama teknolojia ya kijalizo ya usambazaji inayobadilika, inayojulikana kwa kutokuwa na kituo kimoja, usalama mkubwa, na uwezo wa kufuatilia. Kwa matumizi yanayoshughulikia fedha, afya, kilimo, na usalama wa habari, blockchain inatambulika zaidi kama miundombinu muhimu kwa teknolojia zinazoibuka kama metaverse. Mfumo wa makubaliano hutumika kama msingi wa mifumo ya blockchain, kuwawezesha washiriki kufikia makubaliano bila mamlaka ya katikati.

Mifumo ya sasa ya makubaliano kwa mifumo ya blockchain "isiyotumia sarafu", hasa ile inayotegemea Uthibitisho wa Thamani ya Mchango na Uthibitisho wa Kazi (PoC+PoW), inakabiliwa na changamoto kubwa ikiwemo ufanisi mdogo, kutokuwepo kwa uaminifu na usalama wa kutosha, na matumizi makubwa ya nguvu ya kompyuta. Vikwazo hivi vinazuia utumizi halisi wa blockchain katika mazingira yenye uhaba wa rasilimali.

2. Kazi Zinazohusiana

Mifumo ya jadi ya makubaliano ya blockchain inajumuisha Uthibitisho wa Kazi (PoW), Uthibitisho wa Hisa (PoS), na Uvumilivu wa Makosa ya Kibizanti Unaotumika (PBFT). Ingawa PoW hutoa usalama mkubwa kupitia kazi ya kompyuta, inakabiliwa na matumizi makubwa ya nishati. PoS inashughulikia maswala ya nishati lakini inaweza kusababisha utawala wa katikati. PBFT inatoa mafanikio makubwa lakini inakabiliwa na matatizo ya kuongeza ukubwa kadiri idadi ya node inavyoongezeka.

Mfumo mchanganyiko wa PoC+PoW ulibuniwa mahsusi kwa hali za blockchain zisizotumia sarafu, ukichanganya uthibitishaji unaotegemea mchango na uthibitisho wa kihisabati. Hata hivyo, mbinu hii bado inarithi vikwazo vingi vya itifaki zake za msingi, hasa kwa upande wa ufanisi na matumizi ya rasilimali.

3. Muundo wa CON_DC_PBFT

3.1 Muundo wa Minyororo Miwili

Mfumo wa CON_DC_PBFT unaanzisha muundo mpya wa minyororo miwili unaojumuisha:

Mnyororo wa Biashara: Inashughulikia data kuu ya manunuzi na shughuli maalum za programu
Mnyororo wa Mfumo: Inadhibiti thamani za mchango, sifa ya node, na metadata ya mfumo

Utofautishaji huu huwezesha usindikaji sambamba ambapo shughuli za makubaliano zinaweza kutokea wakati mmoja kwenye minyororo yote miwili, na kuboresha kwa kiasi kikubwa mafanikio ya mfumo mzima. Minyororo miwili hufanya kazi kwa njia ya kujitegemea kwa kiasi, huku mnyororo wa mfumo ukiongoza na kuratiri mtiririko wa ujumbe wa makubaliano wa mnyororo wa biashara.

3.2 Ubunifu wa Itifaki ya Makubaliano

Itifaki ya makubaliano inachanganya PBFT iliyoboreshwa na uchaguzi wa node unaotegemea mchango. Mnyororo wa mfumo huteua kwa nasibu node za uhasibu za mnyororo wa biashara kulingana na thamani za mchango, na huzuia mifumo inayotabirika ambayo inaweza kutumiwa na watu wenye nia mbaya. Mfumo wa mawasiliano wa Kibizanti una hakikisha uadilifu wa ujumbe na kuzuia pointi moja ya kushindwa.

4. Utekelezaji wa Kiufundi

4.1 Msingi wa Kihisabati

Uwezekano wa uchaguzi wa node hufuata usambazaji uliozaniwa na mchango:

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

ambapo $P_i$ inawakilisha uwezekano wa uchaguzi kwa node $i$, $C_i$ inaashiria thamani ya mchango ya node $i$, $N$ ni jumla ya idadi ya node, na $\alpha$ ni kigezo cha marekebisho kinachodhibiti ushawishi wa thamani za mchango.

Ufanisi wa makubaliano unaelezewa kama:

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

ambapo $\rho$ inawakilisha uwiano wa usambazaji sambamba na $k$ ni kipimo cha kasi kwa usindikaji sambamba.

4.2 Algorithm ya Uchaguzi wa Node

function selectAccountingNode(contributionMap, currentBlock) {
    let totalWeight = 0;
    let cumulativeWeights = [];
    
    // Hesabu uzito wa jumla kulingana na thamani za mchango
    for (let i = 0; i < contributionMap.length; i++) {
        totalWeight += Math.pow(contributionMap[i].value, ALPHA);
        cumulativeWeights.push(totalWeight);
    }
    
    // Toa uchaguzi wa nasibu
    const randomValue = Math.random() * totalWeight;
    
    // Chagua node kulingana na uwezekano uliozaniwa
    for (let i = 0; i < cumulativeWeights.length; i++) {
        if (randomValue <= cumulativeWeights[i]) {
            return contributionMap[i].nodeId;
        }
    }
    
    return contributionMap[0].nodeId; // Kurudi nyuma
}

5. Matokeo ya Majaribio

Uchambuzi wa kina wa majaribio ulitathmini ushawishi wa vigezo mbalimbali kwenye utendaji wa mfumo wa makubaliano:

Uwezekano wa Uchaguzi wa Kizuizi: CON_DC_PBFT ilionyesha usambazaji sawa zaidi ikilinganishwa na PoC+PoW
Kiwango cha Kushindwa kwa Pointi Moja: Ilipungua kwa 45% kupitia mifumo ya mawasiliano ya Kibizanti
Uwezo wa Kuongeza Idadi ya Node: Ilidumisha utendaji thabiti kadiri idadi ya node ilivyoongezeka
Kiwango cha Usambazaji wa Kizuizi: Ilifikia uboreshaji wa 35% katika mafanikio
Matumizi ya CPU: Ilipungua kwa 40% ikilinganishwa na PoC+PoW

Matokeo yanaonyesha kuwa CON_DC_PBFT inaokoa zaidi ya 50% ya rasilimali za kumbukumbu na hifadhi ikilinganishwa na PoC+PoW, huku ikiboresha jumla ya ucheleweshaji wa wakati wa makubaliano kwa zaidi ya 30%.

6. Uchambuzi na Majadiliano

Mfumo wa CON_DC_PBFT unawakilisha maendeleo makubwa katika ubunifu wa makubaliano ya blockchain kwa matumizi yasiyo ya sarafu. Kwa kutenganisha metadata ya mfumo na manunuzi ya biashara kupitia muundo wa minyororo miwili, itifaki hiyo inafikia uboreshaji mkubwa katika ufanisi na usalama. Uchaguzi wa node wa nasibu unaotegemea thamani za mchango, huku ukidumisha uadilifu wa mfumo wa uvumilivu wa makosa ya Kibizanti, unashughulikia udhaifu muhimu katika mbinu zilizopo.

Utafiti huu unafanana na mienendo mikubwa ya uboreshaji wa blockchain, sawa na uvumbuzi wa miundombinu unaoonekana katika utekelezaji wa kugawanya kama ule uliopendekezwa na Ethereum 2.0 [Buterin, 2020]. Uwezo wa usindikaji sambamba unafanana na kanuni zilizoko katika fasihi ya mifumo iliyosambazwa [Coulouris et al., 2011], ambapo utenganishaji wa masuala mara nyingi husababisha mafanikio bora.

Ikilinganishwa na utekelezaji wa jadi wa PBFT, ambao unakabiliwa na vikwazo vya kuongeza ukubwa kama ilivyoelezwa katika maelezo ya asili ya itifaki [Castro na Liskov, 1999], mbinu ya minyororo miwili ya CON_DC_PBFT inasambaza kazi ya makubaliano kwa ufanisi. Uchaguzi wa node unaotegemea mchango unaanzisha kipengele cha kutotabirika ambacho huongeza usalama dhidi ya mashambulio yaliyolengwa, jambo lililokuzwa katika uchambuzi wa hivi karibuni wa usalama wa blockchain [Gervais et al., 2016].

Matokeo ya majaribio yanaonyesha kuwa faida za kinadharia za muundo wa minyororo miwili hubadilika kuwa uboreshaji halisi wa utendaji. Kupunguzwa kwa 30% kwa ucheleweshaji wa makubaliano na akiba ya rasilimali ya 50% huweka CON_DC_PBFT kama suluhisho linalowezekana kwa matumizi ya biashara ya blockchain ambapo ufanisi na vikwazo vya rasilimali ni mambo muhimu.

7. Matumizi ya Baadaye

Mfumo wa CON_DC_PBFT unaonyesha matumaini hasa katika maeneo kadhaa yanayoibuka:

Usimamizi wa Mnyororo wa Usambazaji: Uwezo wa kufuatilia ulioboreshwa na ufanisi bora kwa manunuzi changamano ya wahusika wengi
Badilishano la Data ya Afya: Usambazaji salama wa rekodi za wagonjwa na mzigo uliopunguzwa wa kompyuta
Mitandao ya IoT: Mazingira yenye uhaba wa rasilimali hufaidika na mahitaji yaliyopunguzwa ya kumbukumbu na hifadhi
Mifumo ya Utambulisho wa Dijitali: Uthibitishaji wa utambulisho unaoweza kuongezeka kwa udumishaji wa dhamana za usalama
Miundombinu ya Metaverse: Kuunga mkono mahitaji ya mafanikio makubwa ya manunuzi ya ulimwengu wa virtual

Maelekezo ya utafiti wa baadaye ni pamoja na kuchunguza algoriti za thamani za mchango zinazobadilika, mifumo ya ushirikiano wa minyororo tofauti, na ushirikiano na uthibitisho wa kutojua kwa siri ili kuongeza faragha.

8. Marejeo

Buterin, V. (2020). Ethereum 2.0 Specifications. Ethereum Foundation.
Castro, M., & Liskov, B. (1999). Practical Byzantine Fault Tolerance. OSDI.
Coulouris, G., Dollimore, J., Kindberg, T., & Blair, G. (2011). Distributed Systems: Concepts and Design. Pearson Education.
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.
Zhu, Y., et al. (2020). CycleGAN: Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. ICCV.
Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
Wood, G. (2014). Ethereum: A Secure Decentralised Generalised Transaction Ledger.