تحمل الأخطاء البيزنطية: المبدأ الأساسي للبلوكتشين

إن إنشاء بيتكوين في عام 2008، كنظام دفع إلكتروني من نظير إلى نظير، قد أشار إلى بداية عصر جديد للأنظمة المالية اللامركزية. منذ ذلك الحين، ظهرت العديد من العملات الرقمية، كل منها بخصائصه التقنية الخاصة. ومع ذلك، تظل البلوكشين هي المعمارية المركزية المشتركة في الغالبية العظمى من هذه الأنظمة.

تم تصميم البلوكشين لتكون لامركزية، تعمل كسجلات رقمية تديرها شبكة موزعة من العقد الحاسوبية. لقد سمحت هذه البنية بظهور أنظمة اقتصادية بدون وسطاء موثوقين، حيث يمكن تنفيذ المعاملات المالية بشكل شفاف وموثوق دون وسطاء. تفسر هذه الميزة سبب تزايد اعتماد العملات المشفرة كبدائل للأنظمة المصرفية التقليدية، التي تعتمد أساسًا على الثقة.

مثل أي نظام حوسبة موزع، يجب على المشاركين في شبكة العملات المشفرة أن يتوصلوا بانتظام إلى اتفاق حول الحالة الحالية للـ blockchain — يُطلق على ذلك اسم الإجماع. ومع ذلك، فإن تحقيق هذا الاتفاق بطريقة آمنة وفعالة في بيئة موزعة يمثل تحديًا تقنيًا كبيرًا.

كيف يمكن لشبكة موزعة من العقد الحاسوبية أن تتوصل إلى توافق عندما يكون بعض المشاركين عرضة للفشل أو التصرف بشكل خبيث؟ تُعرف هذه المسألة الأساسية باسم "مشكلة الجنرالات البيزنطيين"، التي أدت إلى ظهور مفهوم تحمل الأخطاء البيزنطية (Byzantine Fault Tolerance أو BFT).

مشكلة الجنرالات البيزنطيين: الأصول والتعريف

تم صياغة مشكلة الجنرالات البيزنطيين في عام 1982 كمعضلة منطقية توضح صعوبات التواصل داخل مجموعة من الجنرالات البيزنطيين الذين يحاولون تنسيق استراتيجيتهم العسكرية.

في هذا السيناريو، يقود كل جنرال جزءًا من الجيش البيزنطي، وتكون الأجسام المختلفة موضوعة حول مدينة عدوهما التي ينويان الهجوم عليها. يجب على الجنرالات اتخاذ قرار ثنائي جماعي: الهجوم أو التراجع. المهم ليس طبيعة القرار بقدر ما هو أن جميع الجنرالات يتبنون نفس الاستراتيجية وينفذونها بشكل متزامن.

قيود المشكلة هي كما يلي :

• يجب على كل جنرال أن يقرر بين الهجوم أو الانسحاب (نعم أم لا)
• بمجرد اتخاذ القرار، يصبح غير قابل للإلغاء
• يجب على جميع الجنرالات اتخاذ نفس القرار وتنفيذه بشكل منسق

تتمثل الصعوبة في نظام الاتصال: لا يمكن للقادة تبادل الرسائل إلا من خلال الرسل. هذه الاتصالات عرضة لعدة مخاطر: قد تتأخر الرسائل أو يتم اعتراضها أو تعديلها أو فقدها. بالإضافة إلى ذلك، قد يتصرف بعض القادة عمداً بشكل خبيث وينقلون معلومات متضاربة، مما يعرض الاستراتيجية بالكامل للخطر.

تمثل كل جنرال في عالم البلوكتشين عقدة من الشبكة، ويجب على هذه العقد أن تتوصل إلى توافق حول الحالة الحالية للنظام. بعبارة أخرى، يجب على الغالبية من المشاركين في الشبكة الموزعة أن تتفق وتنفذ نفس الإجراء لتجنب حدوث خلل كامل.

للوصول إلى توافق في هذه الأنظمة الموزعة، من الضروري أن يكون ما لا يقل عن ثلثي العقد في الشبكة صادقة وموثوقة. إذا تصرف غالبية المشاركين بطريقة خبيثة، يصبح النظام عرضة للفشل والهجمات، مثل هجوم 51% الشهير.

تحمل الأخطاء البيزنطية: المبادئ والآليات

تشير قدرة التحمل للأخطاء البيزنطية (BFT) إلى قدرة النظام على الاستمرار في العمل بشكل صحيح على الرغم من عطل بعض المكونات التي قد تعمل بشكل غير منتظم أو خبيث. يجب أن يحافظ نظام BFT الفعال على سلامته التشغيلية حتى إذا توقفت بعض العقد عن العمل أو نقلت عمدًا معلومات غير صحيحة.

تعتبر BFT خاصية أساسية لشبكات البلوكشين، حيث تضمن مرونة النظام في مواجهة السلوكيات الضارة. في بيئة لامركزية حيث لا يعرف المشاركون بعضهم البعض وليس لديهم أي سبب مسبق للثقة ببعضهم البعض، فإن آليات BFT تسمح مع ذلك بإقامة توافق موثوق.

تتميز أنظمة BFT عمومًا بالخصائص التالية:

• تحمل الفشل : يستمر النظام في العمل حتى إذا تعطلت بعض العقد
• مقاومة التصرفات الضارة : النظام يبقى عمليًا على الرغم من محاولات التخريب
• نهائية القرارات : بمجرد الوصول إلى الإجماع، تصبح القرار نهائياً
• التناسق العام : جميع العقد الصادقة تتفق على نفس حالة النظام

تم تطوير العديد من الحلول لمشكلة الجنرالات البيزنطيين، حيث تقدم كل منها نهجًا مختلفًا لتنفيذ التسامح مع الأخطاء البيزنطية في شبكات البلوكشين. تقودنا هذه التطبيقات المختلفة لاستكشاف خوارزميات التوافق.

خوارزميات التوافق في البلوكتشين

يعد خوارزمية الإجماع الآلية الأساسية التي من خلالها يصل شبكة البلوكشين إلى توافق حول حالتها الحالية. ومن بين التطبيقات الأكثر شيوعًا هي إثبات العمل (Proof of Work، PoW) وإثبات الحصة (Proof of Stake، PoS).

إثبات العمل (PoW)

بيتكوين يوضح تمامًا استخدام إثبات العمل كحل لمشكلة الجنرالات البيزنطيين. في هذا النظام، يحدد بروتوكول بيتكوين القواعد الأساسية للشبكة، بينما تحدد خوارزمية PoW كيفية تطبيق هذه القواعد لتحقيق الإجماع أثناء التحقق من المعاملات.

على الرغم من أن مفهوم إثبات العمل سابق على العملات المشفرة، إلا أن ساتوشي ناكاموتو طور نسخة معدلة منه سمحت بإنشاء البيتكوين كنظام يتحمل الأخطاء البيزنطية. يعمل الآلية كما يلي:

1. عمال المناجم (nodes الشبكة) يتنافسون لحل مشكلة رياضية معقدة
2. تحتاج الحلول إلى قوة حسابية كبيرة ("العمل")
3. أول مُعدٍّ يجد الحل الصالح يقوم بتوثيق كتلة من المعاملات ويتلقى مكافأة
4. العقد الأخرى تتحقق بسهولة من صحة الحل
5. يتم التوافق حول السلسلة الأطول، التي تمثل أكبر كمية من العمل المتراكم

تعتمد أمان PoW على التكلفة الاقتصادية الكبيرة للهجوم: لكي يهدد المهاجم الشبكة، يجب أن يتحكم في أكثر من 50% من إجمالي قوة الحوسبة، مما يمثل استثمارًا ماديًا باهظًا. هذه العقبة الاقتصادية هي ما يجعل النظام مقاومًا للسلوكيات الضارة.

إثبات الحصة (PoS)

مواجهة للقيود الطاقية لنظام إثبات العمل، ظهرت خوارزميات توافق أخرى، بما في ذلك إثبات الحصة. في هذا النظام :

1. يقوم المدققون بإيداع (stake) كمية معينة من العملات المشفرة
2. احتمالية الاختيار لتأكيد كتلة تتناسب مع المبلغ المشارك
3. سلوك خبيث يؤدي إلى فقدان جزئي أو كلي للأموال المودعة

يقدم هذا الآلية العديد من المزايا من حيث كفاءة الطاقة والقابلية للتوسع، مع الحفاظ على مقاومة قوية للهجمات من خلال آلية "slashing" (عقوبة اقتصادية).

هناك أيضًا أنواع هجينة وخوارزميات بديلة مثل إثبات السلطة (PoA)، وإثبات السعة (PoC)، أو بروتوكولات الإجماع البيزنطية العملية (PBFT).

تطبيقات وحدود أنظمة BFT

مشكلة الجنرالات البيزنطيين وحلولها لها تطبيقات تتجاوز بشكل كبير إطار العملات المشفرة. أنظمة BFT تُستخدم في مجالات حيوية حيث تكون الموثوقية أمراً أساسياً:

• صناعة الفضاء : أنظمة التحكم الاحتياطية في الطائرات والأقمار الصناعية
• البنية التحتية للطاقة : إدارة المحطات النووية والشبكات الكهربائية
• الخدمات المالية التقليدية : أنظمة الدفع والتسوية بين البنوك
• إنترنت الأشياء (IoT) : التنسيق بين الأجهزة المتصلة المستقلة

في سياق العملات المشفرة، يعتبر وجود اتصال شبكي فعال وآلية إجماع قوية أساسياً لجدوى أي نظام بيئي للبلوكشين. ومع ذلك، لا تزال خوارزميات الإجماع الحالية تواجه بعض القيود:

• قابلية التوسع : يمكن لشبكات PoW مثل بيتكوين معالجة عدد محدود من المعاملات في الثانية
• استهلاك الطاقة : حاسم لأنظمة PoW
• التركيز المحتمل : في أنظمة إثبات الحصة، التركيز المحتمل للتوكنات في أيدي قليلة

تسعى الأبحاث الحالية إلى حل هذه التحديات مع الحفاظ على الخصائص الأساسية للامركزية والأمان. تمثل حلول الطبقة الثانية (Layer 2)، والشبكات الجانبية (sidechains)، والخوارزميات الجديدة للتوافق مسارات واعدة للتغلب على هذه القيود.

الخاتمة التقنية

تعتبر مقاومة الأخطاء البيزنطية ركيزة أساسية في أنظمة البلوكشين الحديثة. توفر خوارزميات التوافق مثل إثبات العمل وإثبات الحصة حلولاً أنيقة للمشكلة الأبدية لجنرالات بيزنطة، مما يسمح لشبكات لامركزية بالعمل بشكل موثوق دون سلطة مركزية.

على الرغم من أن هذه الآليات لا تضمن تحملًا كاملاً للأخطاء البيزنطية، إلا أنها تضع توازنًا عمليًا بين الأمان، واللامركزية، والأداء. لقد سمحت القوة التشفيرية والحوافز الاقتصادية الأساسية لهذه الخوارزميات بظهور أنظمة مالية لامركزية بحجم غير مسبوق.

مع استمرار تطور تقنية البلوكشين، ستظل مبادئ التسامح مع الأخطاء البيزنطية في صميم الابتكارات في هذا المجال، مما يمهد الطريق لتطبيقات أكثر تنوعًا ومرونة في عالم يتزايد رقميًا وترابطًا.