بلاکچینهای بدون مجوز، با نمونههایی مانند بیتکوین و اتریوم، سیستمهای غیرمتمرکز را متحول کردهاند اما با چالشهای مقیاسپذیری قابل توجهی مواجه هستند. در حالی که مصرف انرژی اجماع اثبات کار (PoW) به طور گسترده مورد بحث قرار گرفته است، سربار ذخیرهسازی قابل توجه و رو به رشد مورد نیاز نودهای کامل، همچنان مانعی حیاتی و کمتر مورد توجه برای مشارکت گستردهتر و سلامت شبکه محسوب میشود. این مقاله اولین مطالعه تجربی جامع را ارائه میدهد که تحلیل میکند نودهای کامل چگونه از داده بلاکچین برای اعتبارسنجی استفاده میکنند و منجر به راهکارهای عملی برای کاهش چشمگیر نیازمندیهای ذخیرهسازی محلی بدون تغییر پروتکل زیربنایی میشود.
یکپارچگی یک بلاکچین متکی بر تاریخچه کامل و قابل تأیید تراکنشها است. برای بیتکوین، این دفتر کل از ۳۷۰ گیگابایت فراتر رفته و منابع قابل توجهی از مشارکتکنندگانی که نود کامل اجرا میکنند تا تراکنشها را مستقل تأیید کنند، طلب میکند.
نیازمندی ذخیرهسازی مستقیماً با میزان پذیرش و حجم تراکنشها متناسب است. ذخیره کل دفتر کل برای امنیت (جلوگیری از خرج مضاعف) ضروری است اما یک مانع ورود بالا ایجاد میکند و منجر به ریسکهای متمرکزسازی میشود زیرا کاربران کمتری توانایی اجرای نود کامل را دارند.
حجم ذخیرهسازی نود کامل بیتکوین: بیش از ۳۷۰ گیگابایت (در بازه زمانی مطالعه). این امر هزینه سختافزاری قابل توجهی ایجاد کرده و انگیزه اجرای گسترده نود را کاهش میدهد.
رویکردهای قبلی شامل موارد زیر است:
مشارکت اصلی این کار، یک تحلیل دادهمحور از رفتار واقعی نودها برای اطلاعرسانی بهینهسازی است.
نویسندگان نودهای کامل بیتکوین را ابزارسازی کردند تا هر دسترسی به داده (خواندن) از حافظه محلی را در حین عملیات استاندارد—به طور خاص در طول اعتبارسنجی تراکنشها و بلوکهای جدید—مانیتور و ثبت کنند. این امر پروفایلی ایجاد میکند که نشان میدهد کدام بخشهای بلاکچین در واقع برای تأیید مستمر ضروری هستند.
تحلیل یک بینش حیاتی را آشکار کرد: بخش قابل توجهی از دادههای تاریخی بلاکچین پس از یک دوره مشخص به ندرت یا هرگز دسترسی نمییابند. داده مورد نیاز برای اعتبارسنجی وضعیت فعلی (خروجیهای تراکنش خرج نشده - UTXO) و تاریخچه اخیر، زیرمجموعه بسیار کوچکتری نسبت به دفتر کل کامل را تشکیل میدهد.
نودهای کامل برای اعتبارسنجی بلوکها و تراکنشهای جدید در زمان واقعی، به کل تاریخچه چندصد گیگابایتی نیاز ندارند. مجموعه داده فعال مورد نیاز، به اندازه چندین مرتبه قدر کوچکتر است.
بر اساس یافتههای تجربی، مقاله راهکارهای سمت کاربر را پیشنهاد میدهد.
راهکار اصلی، یک الگوریتم هرس هوشمند و آگاه از داده است. به جای هرس بر اساس سن یا حجم ساده، نود میتواند با خیال راحت دادههای بلاکچین (مانند خروجیهای تراکنش خرج شده قدیمی) را که پروفایلسازی نشان داده برای اعتبارسنجی آینده غیرضروری هستند، حذف کند. این امر به طور خالص در سمت کاربر پیادهسازی میشود.
بهینهسازیهای اضافی شامل فشردهسازی دادههای تاریخی با دسترسی کم اما ضروری، و راهکارهای کشگذاری است که اولویت را به نگهداری «مجموعه کاری» (UTXOهای با دسترسی مکرر و بلوکهای اخیر) در حافظه سریعتر میدهد.
جالبترین نتیجه مطالعه: با اعمال راهکار هرس هوشمند آنها، یک نود کامل بیتکوین میتواند حجم ذخیرهسازی محلی خود را تقریباً به ۱۵ گیگابایت کاهش دهد در حالی که قابلیتهای اعتبارسنجی کامل را حفظ میکند. این نشاندهنده کاهش بیش از ۹۵ درصدی از دفتر کل کامل ۳۷۰+ گیگابایتی است.
(توضیح نمودار فرضی) یک نمودار میلهای که «دفتر کل کامل (۳۷۰ گیگابایت)» و «مجموعه کاری هرس شده (۱۵ گیگابایت)» را مقایسه میکند. مجموعه هرس شده کسری کوچک از نسخه اصلی است و کاهش عظیم حاصل شده را به صورت بصری تأکید میکند.
سربار محاسباتی پروفایلسازی و هرس هوشمند، ناچیز گزارش شده است. مصالحه این است که اگر یک نود نیاز به اعتبارسنجی تراکنشی داشته باشد که به داده بسیار قدیمی و هرس شده ارجاع میدهد، باید یک اثبات رمزنگاری (مانند اثبات مرکل) را از شبکه بازیابی کند که یک تأخیر ارتباطی کوچک ایجاد میکند. با این حال، تحلیل نشان میدهد این یک رویداد نادر است.
منطق هرس متکی بر درک چرخه حیات تراکنش است. یک خروجی تراکنش (UTXO) که خرج شده باشد، دیگر برای اعتبارسنجی خرجهای آینده مورد نیاز نیست. منطق اصلی را میتوان مدل کرد. فرض کنید $L$ دفتر کل کامل باشد. فرض کنید $A(t)$ مجموعه تمام دسترسیهای داده (خواندن) از $L$ توسط یک نود در یک بازه زمانی تا $t$ باشد. مجموعه کاری ضروری $W$ به صورت زیر تعریف میشود:
$W = \{ d \in L \mid P(\text{دسترسی به } d \text{ در اعتبارسنجی آینده}) > \tau \}$
که در آن $\tau$ یک آستانه احتمال کوچک است که به صورت تجربی استخراج شده است. دادهای که در $W$ نیست را میتوان هرس کرد. امنیت متکی بر توانایی بازیابی اثباتهای مرکل برای داده هرس شده است، که اندازه اثبات لگاریتمی در اندازه بلاکچین است: $O(\log n)$.
سناریو: یک کسبوکار جدید میخواهد یک نود کامل بیتکوین برای تأیید مستقل و قابل اعتماد تراکنشها اجرا کند اما بودجه محدودی برای زیرساخت ذخیرهسازی دارد.
کاربرد چارچوب:
نتیجه: کسبوکار با ~۱۵ گیگابایت ذخیرهسازی به جای ۳۷۰+ گیگابایت، به امنیت اعتبارسنجی کامل دست مییابد و هزینه و پیچیدگی را به شدت کاهش میدهد.
بینش اصلی: این مقاله یک ضربه جراحی به تنگنای مقیاسپذیری موذیانه بلاکچین وارد میکند: تورم وضعیت. در حالی که جهان بر روی TPS (تراکنش در ثانیه) و مصرف انرژی وسواس دارد، اسفورزین و همکاران به درستی شناسایی میکنند که رشد نامحدود و دائمی ذخیرهسازی، یک قاتل خاموش غیرمتمرکزسازی است. کار آنها ثابت میکند که این باور که نودهای کامل باید کل تاریخچه را ذخیره کنند، یک محدودیت خودتحمیلشده است، نه یک ضرورت رمزنگاری. نیاز واقعی ذخیره زیرمجموعه حامل اثبات از داده است که برای اعتبارسنجی فعلی ضروری است—تمایزی با پیامدهای عملی عظیم.
جریان منطقی: استدلال به زیبایی تجربی است. به جای پیشنهاد یک بازنگری پروتکل از بالا به پایین، آنها ابتدا نودها را ابزارسازی میکنند تا مشاهده کنند از چه دادهای در واقع استفاده میشود. این رویکرد دادهمحور، آینهای از بهترین روشها در بهینهسازی عملکرد سیستمها است، مشابه پروفایلسازی یک برنامه قبل از بهینهسازی. یافته اینکه «مجموعه کاری» حدود ۱۵ گیگابایت است، محور اصلی است. این مسئله را از «چگونه بیتکوین را تغییر دهیم؟» به «چگونه ۹۵ درصد استفاده نشده را با خیال راحت دور بریزیم؟» تبدیل میکند. راهحل—هرس هوشمند + بازگشت به اثباتهای مرکل بازیابیشده از شبکه—یک کلاس استادانه در مهندسی عملگرا است، که یادآور اصول پشت سیاستهای تخلیه کش در معماری کامپیوتر یا روشی است که سیستمهای عامل مدرن صفحات حافظه را مدیریت میکنند.
نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت آن قابلیت استقرار است. به عنوان یک تغییر سمت کاربر، نیازمند هیچ هارد فورک بحثبرانگیزی نیست و پذیرش را در کوتاهمدت امکانپذیر میسازد. این به طور مستقیم مانع اجرای یک نود کامل را کاهش میدهد و به طور بالقوه روند متمرکزسازی نود را معکوس میکند. با این حال، تحلیل دارای نقاط ضعفی است. اول، یک وابستگی جدید و ظریف معرفی میکند: نودهای هرس شده باید برای تأمین اثباتهای داده قدیمی، به شبکه (به طور خاص، نودهای «آرشیوی» هرس نشده) متکی باشند. این یک سیستم نود دو لایه ایجاد میکند و در صورت کمیاب یا مخرب شدن نودهای آرشیوی، میتواند از نظر تئوری مورد سوء استفاده قرار گیرد. دوم، همانطور که توسط محققانی مانند بونو و همکاران در «SoK» خود در مورد امنیت بیتکوین اشاره شده است، مدل امنیتی کلاینتهای سبک (که این رویکرد شبیه آن است) به طور قطعی ضعیفتر از یک نود آرشیوی کامل است، زیرا یک فرض اعتماد در مورد در دسترس بودن داده معرفی میکند. مقاله تا حدودی بر پیامدهای امنیتی بلندمدت این تغییر سرپوش میگذارد.
بینشهای قابل اجرا: برای پروژههای بلاکچین، به ویژه زنجیرههای PoW تثبیتشده، این پژوهش یک نقشه راه برای یک بسته «مقیاسپذیری زنجیره قدیمی» است. اقدام فوری، ادغام این پروفایلسازی و هرس هوشمند در کلاینتهای اصلی مانند Bitcoin Core به عنوان یک گزینه بهینهشده پیشفرض است. برای تنظیمکنندهها و بنگاهها، این فناوری اجرای نودهای مطابق و خودتأییدکننده را به شدت امکانپذیرتر میسازد و وابستگی به ارائهدهندگان API شخص ثالث را کاهش میدهد. با نگاه به آینده، روششناسی باید به درخت وضعیت اتریوم اعمال شود که چالش ذخیرهسازی متفاوت اما به همان اندازه حیاتیای ارائه میدهد. بینش نهایی این است که مقیاسپذیری بلاکچین فقط درباره انجام کار بیشتر و سریعتر نیست؛ بلکه درباره هوشمندانهتر عمل کردن با آنچه در اختیار داریم است. این کار گامی حیاتی در آن جهت است و مسیری برای حفظ غیرمتمرکزسازی بدون قربانی کردن تضمینهای امنیتی که بلاکچینها را ارزشمند میسازد، ارائه میدهد.