معرفی سه فناوری دفتر کل توزیع شده؛ بلاک چین، هش‌گراف و تنگل

احتمالا تا به حال در حوزه ارز دیجیتال با نام دفتر کل توزیع شده یا DLT مواجه شده‌اید. دفتر کل های توزیع شده قابلیت‌های چشمگیر و فراوانی دارند که در این مقاله به سه نوع فناوری آن اشاره می‌کنیم.

تقاضای ذخیره و تحلیل داده‌ها در حال افزایش است. داده ها ابتدا در دفاتر کل شخصی ذخیره می‌شدند و طرفین معامله، جزییات تراکنش را به دفتر کل (لجر) شخصی خودشان وارد می‌کردند. یک خطا در ورودی داده ها از جانب هرکدام از طرفین تراکنش باعث اختلاف و تناقض داده‌ها می‌شد و تاییدیه صحت داده ها به دلیل در دسترس نبودن نسخه خارجی تراکنش بسیار دشوار بود. این موضوع منجر به متمرکزسازی ذخیره داده ها شد که طی آن یک شخص ثالث مورد اعتماد، دفتر کلی همراه با تمام تراکنش ها در اختیار داشت و هنگام بروز اختلاف نقش واسطه را ایفا می‌کرد. متمرکزسازی ذخیره داده ها منجر به تاخیر (لتنسی) شد و برای هکرها، راه نفوذ و حمله فراهم می‌کرد. نقاط ضعف ذکر شده منجر به توسعه فناوری های دفتر کل توزیع شده یا DLT ها شد.

دفتر کل توزیع شده یک دیتابیس است که به طور جامع به اشتراک گذاشته می‌شود و در سراسر شبکه هماهنگ شده و بین چندین سایت، سازمان و محل پخش می‌شود. دفتر کل توزیع شده به تراکنش ها اجازه می‌دهد تا شاهدهای عمومی داشته باشند و در نتیجه حمله سایبری را دشوارتر می‌کند. شرکت کنندگان در هر نود شبکه می‌توانند به سوابق اشتراک گذاشته شده در آن شبکه دسترسی داشته و نسخه مشابهی از آن سوابق را در اختیار داشته باشند. به علاوه، هر تغییر یا اصلاح و افزایشی که بر روی لجر یا دفتر کل انجام شود طی چند ثانیه یا دقیقه برای تمام شرکت کنندگان کپی و اعمال می‌شود.

فناوری های دفتر کل توزیع شده، مشکلات حمله به سیستم متمرکز را برطرف کردند اما تا قبل از اینکه ساتوشی ناکاموتو DLT ای به نام بلاک چین را تاسیس کند، قادر به بررسی کپی و شبیه سازی تراکنش ها (دو بار خرج کردن) نبودند. بلاک چین بیت کوین که یک DLT مبتنی بر الگوریتم اجماع اثبات کار PoW می‌باشد، اساس چندین فناوری پیشرفته DLT نظیر هش‌گراف و تنگل شده است.

هدف این مقاله معرفی سه فناوری مختلف دفتر کل توزیع شده یعنی بلاک چین، هش‌گراف و تنگل می‌باشد. این مقاله هم چنین به نحوه عملکرد هرکدام از این سه DLT و نحوه مواجهه آن ها با چالش های پیش روی بلاک چین می‌پردازد. هر بخش به یک فناوری منحصر به فرد، معماری و الگوریتم اجماع آن می‌پردازد و در آخر، گذر از محدودیت های بلاک چین را مورد بحث قرار می‌دهد.

بلاک چین

شکل گیری بلاک چین برای این بود که به کاربران امکان دهد تا بین خود و بدون دخالت واسطه، پرداخت ها را انجام دهند و در نتیجه هزینه های واسطه را حذف کنند. این امر توسط یک سرور زمان بندی و توزیع شده‌ی همتا به همتا انجام می‌شود تا بتوان ترتیب زمانی تراکنش را اثبات کرد. امنیت سیستم بر اساس این فرض می‌باشد که نودهای فعال و درستکار نسبت به نودهای هکر قدرت پردازش بیشتری دارند.

معماری

اسم بلاک چین بیانگر معماری فناوری می‌باشد که در آن گروهی از بلاک ها به یکدیگر متصل اند تا یک زنجیره یا چین را شکل دهند. یک بلاک، مجموعه ای از تراکنش های معتبری است که با یکدیگر تشکیل گروه داده‌اند. این بلاک ها به صورت درخت مرکل (Merkle tree)، هش و کدگذاری شده اند. در نتیجه هر بلاک شامل یک هش کریپتوگرافیک بلاک قبلی می‌باشد که این دو بلاک را به هم متصل می‌کند. با ایجاد هر بلاک جدید، شکل دهی زنجیره‌ کامل تر می‌شود.

جنسیس بلاک، اولین بلاک در بلاک چین می‌باشد. زنجیره اصلی بلاک چین همواره به جنسیس بلاک ارجاع داده می‌شود. جنسیس بلاک تقریبا همواره داخل نرم افزار برنامه ای که از آن بلاک چین استفاده می‌کند، گماشته و حک می‌شود.

اولین کاربرد بلاک چین بیت کوین بود. در بلاک چین، یک بیت کوین زنجیره ای از امضاهای دیجیتالی است. فرد پرداخت کننده با امضای دیجیتالی بر روی هش تراکنش قبلی و کلید عمومی گیرنده، کوین خود را به گیرنده انتقال می‌دهد. برای جلوگیری از دوبار خرج کردن توسط پرداخت کننده، فناوری بلاک چین مانند یک سرور زمانبندی عمل می‌کند. سرور پس از دریافت هش بلاکی از تراکنش ها، به آن برچسب زمانی می‌زند (آن را زمانبندی می‌کند) و هش را به طور گسترده منتشر می‌کند. برچسب زمانی (timestamp) مورد نظر اثبات می‌کند که داده ها در آن زمان وجود دارند. هر برچسب زمانی شامل برچسب زمانی قبلی بوده و این‌ها شکل دهنده زنجیره می‌باشند.

هر بلاک در بلاک‌ چین شامل چندین تراکنش است که دارای برچسب زمانی می‌باشند و هر تراکنش شامل امضای دیجیتالی پرداخت کننده و کلید عمومی گیرنده همراه با هش تراکنش می‌باشد.

اجماع

در بلاک چین بیت کوین هنگامی که تراکنش جدیدی شکل می‌گیرد، به تمام نودها اطلاع داده می‌شود. هر نود تراکنش ها را جمع آوری می‌کند و یک بلاک را می‌سازد. نودها براساس الگوریتم اثبات کار (PoW) فعالیت می‌کنند و باید با تغییر پارامتر nonce در بلاک، به هش ‌ای برسند که با تعداد مشخصی صفر شروع شود. هنگامی که یک نود nonce را برای یک بلاک یافت، آن نود بلاک را در میان نودهای دیگر منتشر می‌کند. در صورتی که تمام تراکنش های بلاک معتبر باشند و کپی نشده باشند، نودها تراکنش را قبول می‌کنند. بلاک به تایید اکثریت نودها نیاز دارد و نیازی به تایید تمامی نودها نمی‌باشد. پس از اینکه اکثریت نودها تراکنش را قبول کردند، بلاک به زنجیره اصلی اضافه می‌شود و نودها با استفاده از هش بلاک پذیرفته شده به عنوان هش بلاک قبلی، شروع به کار بر روی بلاک جدید می‌کنند.

محدودیت ها

• فرض اصلی در بلاک چین این است که نودهای درستکار بیشتر از گروه هکرها، قدرت پردازش را در دست خواهند داشت. اگر گروه هکرها بتوانند بیشتر از نودهای درستکار قدرت پردازنده را در دست بگیرند می‌توانند از مردم کلاهبرداری کنند.
• هر نود تا زمانی که بلاک شکل بگیرد، تراکنش ها را جمع آوری می‌کند و سپس برای بلاک، براساس الگوریتم اثبات کار، nonce می‌یابد. در آخر، این بلاک برای دریافت تاییدیه به نودهای دیگر فرستاده می شود. این موضوع  بین ایجاد تراکنش و تایید آن، تاخیر ایجاد می‌کند و میزان این تاخیر متاثر از تعداد تراکنش های باز و قدرت اجرایی نودها می‌باشد.
• تمام نودهایی که در ایجاد و تایید بلاک ها دخیل اند، تشویق می‌شوند. کاربری که درخواست انتقال (تراکنش) را ایجاد می‌کند موظف است کارمزد انتقال را پرداخت کند تا زمان و انرژی مورد استفاده نودها برای انتقال‌هایی با مقادیر کم را هم که بسیار گران است، جبران شود.

هش‌گراف

دفتر کل عمومی غیرمتمرکز هش‌گراف، توسط شورای هش‌گراف هدرا (Hedera Hashgraph Council) اداره می‌شود. هش‌گراف در صدد برطرف کردن موانع عملکرد، امنیت، نظارت، ثبات و معرفی رویه قانون گذاری است تا جایگزین بهتری برای بلاک چین باشد. هش‌گراف تقریبا راندمان کامل پهنای باند را ارائه داده و از تحمل خطای بیزانس (aBFT) برای رسیدن به اجماع و حفظ استانداردهای برتر امنیتی استفاده می‌کند.

هسته هش‌گراف بر اساس جاوا می‌باشد. در نتیجه، اجرای قراردادهای هوشمند و برنامه غیرمتمرکز با استفاده از جاوا کدگذاری می‌شود.

هش‌گراف هدرا (Hashgraph Hedera)، ارزهای دیجیتال را برای انجام پرداخت ها و کارمزدهای پرداخت را برای استفاده از پلتفرم تعیین کرده است.

معماری

بلاک چین ساختار درختی دارد. زنجیره اصلی ریشه درخت و نودها شاخه های آن می‌باشند. در بلاک چین برای جلوگیری از رشد بیش از حد شاخه ها، آنها را هرس می‌کنند. در مقابل، هش‌گراف شاخه‌های جدید را شکل می‌دهد و نود را به زنجیره اصلی برمی‌گرداند.

سیستم فایل هش‌گراف به کابران اجازه می‌دهد تا با به اجماع رسیدن، دقیقا تعیین کنند چه اطلاعاتی ذخیره شود و کدام یک ذخیره نشود. یک فایل باید توسط هش خود در دسترس باشد و یک شماره شناسه ID داشته باشد. فایل ها در هش‌گراف در درخت مرکل ذخیره می‌شوند اما برای اینکه توسعه دهندگان بتوانند آن ها را تغییر دهند، کلاس‌هایی در جاوا ارائه شده است.

نودها تراکنش هایی که از کاربران گرفته اند را با استفاده از پروتکل شایعه پراکنی (gossip protocol) در سراسر شبکه به اشتراک می‌گذارند. پس از اینکه تراکنش میان تمام نودها پخش شد، نودها الگوریتم اجماع هش‌گراف را اجرا می‌کنند تا به توافقی بر سر زمان بندی برسند و به ترتیب زمانی هر تراکنش را مرتب کنند. سپس هر نود نسخه وضعیت هش گراف خود را به روز رسانی می‌کند.

اجماع

همانطور که گفته شد، هش‌گراف از مکانیزم اجماع (aBFT) استفاده می‌کند. این مورد بدان معناست که هیچ عضوی به تنهایی نمی‌تواند باعث جلوگیری رسیدن جامعه به اجماع شود و هم چنین نمی‌تواند پس از رسیدن به اجماع، آن را تغییر دهند. در هش‌گراف، حتی اگر هکرها بتوانند پیام های مورد نظر خود را کنترل یا حذف کنند، باز هم اجماع به دست خواهد آمد. فرض این است که بیش از دو سوم نودها درستکار باشند و اگر یک پیام مکررا از یک نود به نود دیگر در سراسر اینترنت فرستاده شود، هر نود می تواند توسط دیگری و الی آخر از پیام آگاه شود.

مقایسه با بلاک چین

• با کنار گذاشتن الگوریتم اجماع اثبات کار، راندمان هش‌گراف با توجه به عدم نیاز به پهنای باند و انجام هزینه برای سخت افزار، افزایش یافته است. کاربران می‌توانند از سخت افزار مقرون به صرفه و در دسترس استفاده کنند و پهنای باند مورد نیاز تنها برای اطلاع دادن به تمام نودهای در رابطه با تراکنش است. هم چنین تاخیر و زمان بین تراکنش و تایید را کاهش می‌دهد.
• مکانیزم شایعه پراکنی سریعتر و ارزانتر از PoW است اما هر دو یک فرض را دنبال می‌کنند و آن این است که هکرها نمی‌توانند همزمان به بیش از یک‌سوم نودها حمله کنند. اگر هکرها با قدرت کافی پردازنده، بیش از یک سوم نودهای شبکه را مسدود کنند، ممکن است شبکه با اختلال مواجه شود.

تنگل

تنگل، فناوری دفتر کل توزیع شده برای اینترنت اشیا (IoT) است و ویژگی های مورد نیاز برای ایجاد سیستم ریزپرداخت ماشین به ماشین را ارائه می‌دهد. IOTA ارز دیجیتالی دارای فناوری تنگل است.

ریزپرداخت ها به دلیل کارمزد بالا تراکنش و مکانیزم اجماع اثبات کار، معضل جدی در بلاک چین می‌باشند. تنگل این معضل را با حذف تفاوت بین صادرکننده و تاییده کننده برطرف می‌کند.

معماری

تنگل برای ذخیره سازی تراکنش ها از ساختار گراف جهت دار غیرمدور یا (DAG) بهره برده است. هنگامی که تراکنش جدیدی ایجاد می‌شود، DAG دو تراکنش قبلی را تایید می‌کند. اگر تراکنش A تراکنش B را تایید کند، نشان دهنده این است که A به طور مستقیم B را تایید کرده است. در سناریویی که A مستقیما B و B مستقیما C را تایید می‌کند، پس A غیرمستقیم C را تایید می‌کند.

به منظور صدور یک تراکنش، نود بر اساس الگوریتم، دو تراکنش دیگر را برای تایید انتخاب می‌کند. سپس بررسی می‌کنند که دو تراکنش با یکدیگر تناقض نداشته باشند. در صورت وجود تناقض، نود تراکنش متناقض را تایید نمی‌کند. برای تایید تراکنش، نود باید پازل کریپتوگرافیک مشابه با بلاک چین بیت کوین را حل کند.

هر تراکنش در IOTA دارای وزن ۳n می‌باشد که n عدد صحیح مثبت است. تراکنش هایی با وزن بیشتر مهم تر از تراکنش با وزن کمتر هستند. وزن تجمعی هر تراکنش برابر است با وزن تراکنش به علاوه مجموع وزن های تمام تراکنش هایی که مستقیم یا غیرمستقیم تایید شده اند.

هر تراکنش در تنگل شامل یک دسته هش می‌باشد. تمام تراکنش هایی که یک تراکنش کامل را تشکیل می‌دهند دارای دسته هش مشابه اند. تمام تراکنش ها به غیر از انعام ها شامل هش شاخه (برنچ هش) می‌باشند. علاوه بر این شامل هش تنه اصلی (ترانک هش) نیز می‌باشند که این هش، تراکنش را به تراکنش بعدی در دسته متصل می‌کند. در آخر، تمام تراکنش ها شامل هش تراکنش شخصی خود می‌باشند.

مقایسه با بلاک چین

• معماری تنگل با بلاک چین متفاوت است. بلاک چین دارای ساختار توزیع شده جهانی می‌باشد که در آن نودها نسخه ای از لجر را حفظ می‌کنند. در تنگل، داده ها در DAG ذخیره می‌شوند.
• در تنگل، تراکنش ها مستقیما توسط تراکنش های جدید تایید می‌شوند و مجبور نیستند منتظر بمانند تا در بلاک قرار گیرند. این مورد تاخیر بین شروع به کار و تراکنش را کاهش می‌دهد.
• نهاد مجزایی برای تایید تراکنش ها وجود ندارد. برای اینکه تراکنش جدیدی رخ دهد، باید دو تراکنش دیگر تایید شوند، بنابراین باعث حذف مفهوم مشوق پولی و کاهش چشمگیر هزینه تراکنش می‌شود و ریز تراکنش ها را در سیستم امکان پذیر می‌کند.

نتیجه گیری

از زمان شکل گیری بلاک چین در سال ۲۰۰۸، دنیای فناوری های دفتر کل توزیع شده با سرعت زیادی در حال رشد است و فناوری های جدید برای مشکلات موجود در فناوری های قدیمی راه حل ارائه می‌دهند. تنگل و هش‌گراف دو نمونه از چنین فناوری هایی می‌باشند که به مشکل هزینه های زیاد تراکنش و تاخیر بالای موجود در بلاک چین می‌پردازند.