مقیاس پذیری(Scalability) چیست؟
مقیاس پذیری
تکنولوژی بلاک چین با هدف رفع مشکلات سیستم های سنتی ، مثل عدم شفافیت ، تمرکز زدایی و امنیت به وجود آمد و در سال های گذشته تکامل زیادی داشته است اما این فناوری با چالش مهمی به نام مقیاس پذیری (Scalability) مواجه است.
یکی از اصلی ترین مفاهیمی که کاربران شبکه های غیر متمرکز باید به آن توجه کنند حفظ کارایی شبکه در زمان شلوغی است که یک شبکه بلاک چینی برای اینکه به راحتی مورد استفاده کاربران قرار بگیرد باید توانایی پشتیبانی از افزایش بار مدام شبکه را داشته باشد و بتواند مقدار زیادی از تراکنش ها را در هر ثانیه پردازش کند که بستر های بلاک چینی برای پاسخگویی بهینه به کاربران خود مجبور به افزایش مقیاس پذیری در شبکه هستند.
اگرچه توسعه دهندگان تلاش زیادی برای حل این مسئله انجام داده اند اما هنوز به سطح عملکرد سیستم های پرداخت سنتی نرسیده است و همین مسئله می تواند پذیرش بلاک چین را در سطح گسترده در آینده با مشکل روبرو کند.
طبق سه‌گانه بلاک چین (Blockchain Trilemma) که توسط ویتالیک بوترین (Vitalik Buterin)، خالق اتریوم، مطرح شد زمانی که سه عامل، یک ساختار را تشکیل می‌دهند تنها دو مورد از سه عامل به‌صورت همزمان قابل‌دستیابی هستند که به این موضوع سه‌گانگی گفته می‌شود. سه‌گانه یا سه‌راهی بلاک چین نیز شامل تمرکززدایی (Decentralization)، امنیت (Security) و مقیاس‌پذیری می‌شود.
شبکه‌های ارز دیجیتال مانند بیت کوین (Bitcoin) و اتریوم (Ethereum) امنیت و غیرمتمرکز بودن را در اولویت قرار می‌دهند و بنابراین، از مقیاس پذیری دست می‌کشند. برخی سیستم‌ها مانند ریپل (Ripple) مقیاس‌پذیری و امنیت را انتخاب و بنابراین، تمرکززدایی را قربانی می‌کنند. این یک فرمول رسمی برای تعیین وضعیت بلاک چین نیست اما بر اساس مشاهداتی که متخصصان انجام داده‌اند تشخیص داده شده است.
مقیاس پذیری چیست؟
مقیاس پذیری درباره ی توانایی یک سیستم برای مدیریت امور در صورت افزایش تقاضا روی شبکه اش صحبت می کند که به این معنی است یک بلاک چین چقدر خوب می تواند تعداد افزاینده تراکنش ها را مدیریت کند
بخش عمده ای از این مسئله از این واقعیت ناشی می شود که در بلاک چین باید همه مشارکت کنندگان ، اعتبار تراکنش ها را تایید کنند و این امر می تواند باعث کاهش سرعت تایید تراکنش ها شود.
معمولا یک شبکه بلاک چینی یا در عمل مقیاس پذیر نیست یا برای حجم عظیمی از داده ها مقیاس پذیری اندک و نامطلوبی دارد.
منظور از افزایش مقیاس پذیری در بلاک چین افزایش توانایی بلاک چین برای انجام تراکنش های بیشتر با سرعتی بالاتر است و این مقیاس پذیری تنها به افزایش تعداد تراکنش ها در ثانیه محدود نمی شود بنابراین ممکن است بلاک چینی مقیاس پذیری بالایی داشته باشد ولی نهایی شدن تراکنش بسیار زمان بر باشد.
عوامل موثر بر مقیاس پذیری
محدودیت ها
اکثر مسائل مربوط به مقیاس پذیری در بلاک چین ها ناشی از محدودیت های سخت افزاری است، از آن جایی که تراکنش ها در دفتر کل ثبت می شوند، هر چقدر تراکنش ها بیشتر باشد داده های بیشتری ایجاد شده و نیاز به فضای ذخیره سازی افزایش پیدا می کند و این افزایش بار شبکه راه اندازی و نگهداری سخت افزار مورد نیاز را برای نودهای اجراکننده را دشوارتر می کند و باعث کندی سیستم و آسیب به عملکرد آن می شود.
کارمزد تراکنش ها
عامل دیگر اثرگذار بر مقیاس پذیری ، کارمزد بالای تراکنش هاست ،کاربران برای تایید تراکنش های خود باید کارمزد مربوطه را بپردازند بنابراین زمان لازم برای تایید تراکنش هایی که کارمزد کمتری دارند می تواند طولانی تر باشد و در برخی مواقع کاربران ترجیح می دهند برای تسریع تایید تراکنش های خود کارمزد بالاتری بپردازند
اندازه بلاک
در صورتی که تعداد تراکنش های شبکه بلاک چین افزایش پیدا کند و اندازه بلاک ها ثابت بماند اجرای تراکنش ها زمان بیشتری طول می کشد
برای مثال اندازه بلاک بیت کوین برای ذخیره تراکنش ، 1 مگابایت است . بلاک ها با ظرفیت های بالاتر می توانند تراکنش های بیشتری را ذخیره کنند که این امر می تواند توان عملیاتی شیکه را تقویت کند.
تاخیر زمانی
به مدت زمان لازم برای رسیدن به تایید تراکنش ها را تاخیر زمانی می گویند
در شبکه بلاک چینی ، تمام تراکنش ها باید یک فرآیند اعتبار سنجی را بگذرانند . به طور کلی با توجه به تعداد تراکنش هایی که در صف انتظار هستند هر تراکنش باید مدت طولانی منتظر اعتبارسنجی بماند
نرخ تراکنش در ثانیه بیت کوین 7 است ، میان ایجاد هر بلاک 10 دقیقه زمان انتظار وجود دارد و برای انجام تراکنش باید ماینر ها آن را تایید نمایند که این کار حدود 90 دقیقه زمان نیاز دارد.
انرژی محاسباتی
میزان انرژی که برای استخراج استفاده می شود را انرزی محاسباتی می گویند .مصرف انرژی ، متفاوت و به مدل اجماع بلاک چین بستگی دارد .مکانیسم اثبات کار (pow) انرژی بیشتری را نسبت به مکانیسم اثبات سهام (pos) مصرف می کند.
راه حل برای بهبود مقیاس پذیری
با توجه به مشکل سه گانه مقیاس پذیری بلاک چین ، نمی توان به صورت همزمان امنیت ،غیر متمرکز بودن و مقیاس پذیری را در بلاک چین افزایش داد بنابراین توسعه دهندگان مجبور به فدا کردن یکی از این موارد برای افزایش دو مورد دیگر هستند
از آن جایی که مقیاس پذیری مهم ترین مانع برای پذیرش بلاک چین محسوب می شود راه حل هایی برای رفع این مشکل بیان شده است
راهکارهای درون شبکه (لایه 1)
راهکارهای خارچ شبکه (لایه 2)
استفاده از مکانیزم های اجماع برای افزایش مقیاس پذیری
راهکارهای درون شبکه
متداول ترین راه برای بهبود مقیاس پذیری بلاک چین ، استفاده از راه حل لایه اول است که باعث ایجاد تغییراتی در نرم افزار شبکه ی اصلی بلاک چین می شود به همین دلیل به آن راه حل های درون زنجیره ای هم گفته می شود
در این راه حل ویژگی های اصلی بلاک چین مانند اندازه بلاک ها و زمان تایید بلاک ها را بهبود می بخشند
شاردینگ(Sharding)
شاردینگ یک تکنیک مقیاس پذیری درون‌زنجیره‌ای است که بر تجزیه بلاک چین به تکه‌های کوچک تر و قابل‌مدیریت‌تر به نام Shards تمرکز دارد. در این صورت، شبکه می‌تواند قطعات را به‌صورت موازی با یکدیگر اجرا کند. در واقع، با این کار، شبکه بلاک چین به بخش‌های زیادی تقسیم می‌شود و هر بخش توسط نودهایی که به آن اختصاص داده شده‌اند مدیریت می‌شود. این امر موجب می‌گردد که گروه‌های مختلف نودها به‌صورت همزمان مشغول به پردازش تراکنش‌ها باشند. بنابراین شاردینگ باعث افزایش توان عملیاتی سیستم می‌شود. به عنوان مثال در فرایند به‌روز رسانی اتریوم ۲ از شاردینگ استفاده شده است.
نظارت مجزا (Segregated Witness)
این روش که به‌عنوان سگویت (SegWit) نیز شناخته می‌شود، آپدیتی برای شبکه بیت کوین است که چگونگی و ساختار ذخیره اطلاعات در بلاک چین بیت کوین را تغییر می‌دهد. راهکار سگویت برای افزایش انعطاف‌پذیری تراکنش‌های بیت کوین انجام می‌شود. در بلاک چین بیت کوین امضای دیجیتال حدود 70 درصد از فضای کل یک تراکنش را به خود اختصاص می‌دهد.
این روش به حذف داده‌های امضای مرتبط با هر تراکنش کمک می‌کند ، امضای دیجیتال حاوی اطلاعاتی از فرستنده کوین است و حذف آن در تراکنش باعث افزایش فضا در بلاک برای ذخیره تراکنش‌های دیگر می‌شود. لازم به ذکر است که راهکار سگویت عمومی نیست و مخصوص بلاک چین بیت کوین و بلاک چین‌هایی با ساختار شبیه بیت کوین است.
هارد فورک (Hard Fork)
هارد فورک، رویه‌ای است که بر ایجاد تغییرات ساختاری در خصوصیات شبکه بلاک چین تمرکز دارد. در حالی که هارد فورک تنها می‌تواند شامل افزایش اندازه بلوک یا کاهش زمان تایید بلوک باشد، در برخی مواقع، هارد فورک‌های بحث‌برانگیز نیز اتفاق می‌افتند. این هارد فورک‌ها به معنی انشعاب در شبکه بلاک چین هستند. و زیرمجموعه یک جامعه بلاک چین ممکن است تصمیم به ایجاد تغییرات اساسی در شبکه بگیرد. برای مثال، پس از هک پروژه دائو (DAO) بر روی بلاک چین اتریوم، یک هارد فورک اتفاق افتاد و موجب شد شبکه اتریوم دچار انشعاب شود. در نتیجه آن، شبکه به دو بلاک چین اتریوم و اتریوم کلاسیک تقسیم شد.
راهکارهای خارج از شبکه
راهکارهای لایه ۲ با افزودن لایه‌ای به بیرون از شبکه اصلی باعث افزایش مقیاس پذیری شبکه می‌شوند. به دلیل اینکه در راهکار لایه ۲ تراکنش‌ها در بیرون از شبکه اصلی انجام می‌شوند راه‌حل‌های برون زنجیره‌ای نیز شناخته می‌شوند پروتکل لایه ۲ بر روی شبکه اصلی قرار می‌گیرد و تراکنش‌ها را بیرون از شبکه اصلی پردازش می‌کند. با این روش از حجم تراکنش‌ها در لایه اول کم و باعث کاهش حجم ترافیک و افزایش سرعت تراکنش‌ها می‌شود.
کانال وضعیت (State Channel)
کانال‌های وضعیت، ارتباط‌های دوطرفه میان کانال‌های تراکنش برون‌زنجیره‌ای و شبکه‌های بلاک چین را از طریق رویکردهای مختلف امکان‌پذیر می‌سازند. در نتیجه می‌توانند سرعت و ظرفیت تراکنش را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهند. برای مثال، کاربران می‌توانند با هزینه‌ای اندک، کانال پرداخت ایجاد کنند و در آن به‌صورت خصوصی تراکنش داشته باشند و با فردی دیگر نقل و انتقال رمز ارز را انجام دهند. برای انجام این کار می‌توان از قراردادهای هوشمند (Smart Contracts) کمک گرفت. پس از اتمام کار، کاربران می‌توانند کانال را ببندند و وضعیت نهایی تراکنش خود را به بلاک چین اصلی گزارش دهند. برخی از محبوب‌ترین کانال‌های پرداخت، شبکه لایتنینگ (Lightning Network) بیت کوین و رایدن (Raiden) اتریوم هستند.
زنجیره‌های جانبی (Sidechains)
زنجیره‌های جانبی به‌عنوان شبکه‌هایی مجزا عمل می‌کنند اما مستقیما با بلاک چین اصلی در ارتباط هستند. آن‌ها می‌توانند به انجام تراکنش‌ها و وظایف اصلی خارج از زنجیره اصلی کمک کنند و در نتیجه، بار را از روی زنجیره اصلی بردارند. هر یک از زنجیره‌های جانبی می‌توانند دارای معماری و حتی مکانیسم اجماع خاص خود باشند. برای مثال، پلاسما (Plasma) اتریوم یک راه‌حل مقیاس‌پذیر است که از این روش استفاده کرده است.
استفاده از مکانیزم های اجماع برای مقیاس پذیری بهتر
مکانیزم‌های اجماع در بلاک چین از مهم‌ترین مفاهیم شبکه هستند. نودهای بلاک چین با توجه به مکانیزم اجماع شبکه فعالیت می‌کنند. بنابراین بهینه بودن و قابلیت مقیاس پذیری در بلاک چین به این مکانیزم‌های اجماع بستگی دارد
با توجه به مشکل سه‌گانه‌ای که مقیاس پذیری با آن مواجه است، مکانیزم‌های اجماع مختلف با افزایش در برخی از معیارهای مقیاس پذیری، با ریسک کاهش غیرمتمرکز بودن و امنیت روبه‌رو خواهند بود
ثبات سهام نمایندگی‌شده (Delegated Proof-of-Stake)
این مکانیسم اجماع مشابه فرایند دموکراتیک کنترل یک کشور است. در این مکانیسم، دارندگان توکن، اعتبارسنج‌های تراکنش‌ها را انتخاب می‌کنند. تعداد اعتبارسنج‌ها می‌تواند میان 10 تا 100 نود متغیر باشد و به‌صورت مرتب نیز تغییر کند.
اثبات اعتبار (Proof-of-Authority)
در این مکانیسم، حق تولید بلوک‌های جدید به نودهایی تعلق می‌گیرد که صلاحیت خود را برای انجام این کار ثابت کرده‌اند. سه معیاری که در این زمینه در نظر گرفته می‌شود این است که نود قابل‌اعتماد باشد و سوابق کیفری نداشته باشد، هویت او به‌صورت رسمی در شبکه تایید شود و همچنین، مایل به سرمایه‌گذاری در شبکه باشد.
تحمل خطای بیزانس (Byzantine Fault Tolerance)
این مکانیسم اجماع به معنای توانایی یک سیستم کامپیوتری برای ادامه کار حتی در شرایط از کار افتادن نودها یا مشکل در عملکرد آن‌هاست. این اصطلاح از فرضیه‌ای به نام مشکل ژنرال‌های بیزانسی (Byzantin Generals Problem) گرفته شده است. فرض کنید هر ژنرال دارای ارتش و یک مکان مخصوص به خود در اطراف قلعه است و این ژنرال‌ها باید به‌صورت گروهی در مورد حمله یا عقب‌نشینی تصمیم بگیرند. اگر همه آن‌ها تصمیم یکسانی بگیرند موفق می‌شوند اما اگر در ارتباط آن‌ها مشکلی پیش بیاید یا خیانت اتفاق بیفتد، برخی از ژنرال‌ها حمله و برخی دیگر عقب‌نشینی می‌کنند. در نتیجه، همه آن‌ها شکست می‌خورند. تحمل خطای بیزانس نیز به این موضوع اشاره دارد که وقتی برخی نودها با مشکل مواجه می‌شوند یا سعی در فریب شبکه دارند، شبکه بتواند به کار خود ادامه دهد.
سخن پایانی
تکنولوژی بلاک چین با هدف رفع کاستی‌های سیستم‌های سنتی ایجاد شد و به سرعت مورد استقبال قرار گرفت. اما برای پذیرش انبوه این فناوری با چالشی به نام مقیاس‌پذیری (Scalability) مواجه شد. به همین دلیل بلاک چین‌های مختلف تلاش می‌کنند تا با ارائه راهکارهایی ویژگی‌های خود را تعدیل و سیستم‌های اجماع را بهبود دهند اما نگرانی اصلی ما این نیست. در واقع، می‌توان گفت تمرکززدایی و امنیت هنوز هم بسیار مهم‌تر از مقیاس‌پذیری هستند. اگرچه ممکن است در آینده راه‌حل‌هایی برای بهبود بیشتر مقیاس پذیری بلاک چین یافت شود، اما هنوز نمی‌دانیم که این راه‌حل‌ها چقدر هزینه‌بر خواهند بود. بنابراین، بهتر است بر روی تقویت آنچه بلاک چین به بهترین نحو انجام می‌دهد، یعنی ارائه یک سیستم مالی غیرمتمرکز و امن، تمرکز کنیم.
