Minyororo ya vitalu bila idhini, kwa mfano Bitcoin na Ethereum, zimeleta mageuzi makubwa katika mifumo isiyo na kituo cha usimamizi lakini zinakabiliwa na ukosoaji mkubwa kwa sababu ya matumizi makubwa ya rasilimali. Ingawa matumizi ya nishati ya makubaliano ya Uthibitishaji-kwa-Kazi (PoW) yamejadiliwa sana, mzigo mkubwa na unaoongezeka wa uhifadhi unaohitajika na nodi kamili haujapata umakini sawa. Karatasi hii inashughulikia pengo hili kwa kuwasilisha utafiti wa kwanza wa kiujumla juu ya jinsi nodi za mnyororo wa vitalu zinavyotumia data ya daftari kwa ajili ya uthibitishaji wa manunuzi na vitalu. Lengo kuu ni kuchunguza na kupima mikakati ambayo inaweza kupunguza sana ukubwa wa uhifadhi wa minyororo ya PoW kutoka mamia ya gigabaiti hadi kiwango kinachoweza kudhibitiwa, bila ya kuhitaji mabadiliko kwenye itifaki ya msingi ya mtandao.
Muundo wa usalama usio na kituo cha usimamizi wa minyororo ya vitalu kama Bitcoin unahitaji nodi kamili kuhifadhi na kuthibitisha historia yote ya manunuzi. Hii inajenga kikwazo kikubwa cha kuingia, na hivyo kupunguza usambazaji wa mtandao.
Kufikia wakati wa utafiti, mnyororo wa Bitcoin ulihitaji zaidi ya 370 GB ya uhifadhi. Ukuaji huu ni sawia na kupitishwa na wakati, na hivyo kuleta changamoto ya uwezo wa kukua kwa muda mrefu. Mahitaji makubwa ya uhifadhi huwazuia watumiaji kuendesha nodi kamili, na hii inaweza kusababisha kukusanyika kwa usimamizi kati ya taasisi chache zenye rasilimali nyingi, jambo ambalo linapingana na kanuni ya msingi ya usambazaji.
Njia zilizotumiwa hapo awali ni pamoja na itifaki za kuweka alama na picha za haraka, ambazo zinahitaji mabadiliko makubwa ya itifaki au makubaliano ya kiwango cha juu. Bitcoin Core inatoa chaguo la kufinyanga, lakini haina mwongozo mzuri—watumiaji wanapaswa kuchagua kiholela kizingiti cha kuhifadhi (kwa GB au urefu wa kuzuia), na hivyo kuhatarisha kufutwa kwa Matokeo ya Manunuzi Yasiyotumiwa (UTXO) bado muhimu au kuhifadhi data isiyohitajika.
Utafiti huu umegunduliwa kutokana na uchambuzi wa data ya uendeshaji halisi wa nodi ya Bitcoin.
Waandishi walitumia programu za Bitcoin Core kufuatilia na kurekodi shughuli zote za kusoma kwenye diski wakati wa uendeshaji wa kawaida wa nodi kwa muda mrefu. Hii ilitengeneza wasifu wa kina wa data gani hasa (vizuizi vya zamani, manunuzi) inayopatikana wakati wa uthibitishaji wa vitalu vipya na manunuzi.
Uchunguzi muhimu ni kwamba data nyingi za historia ya mnyororo wa vitalu hazipatikani mara nyingi. Uthibitishaji hutegemea hasa:
Muundo huu unaonyesha kurudia kwa kiasi kikubwa katika kuhifadhi mnyororo mzima ndani.
Kulingana na uchambuzi wa kiujumla, karatasi hii inapendekeza mikakati ya upande wa mteja.
Mkakati wa haraka zaidi ni algoriti ya ufinyangaji yenye akili. Badala ya kukata kwa urefu wa kuzuia, nodi inaweza kudumisha kwa nguvu:
Njia hii inaendana kabisa na wenza wa Bitcoin walio wapo.
Kwa kupunguza zaidi, nodi zinaweza kutumia muundo wa "kuchukua kwa uvivu". Ikiwa manunuzi ya historia yanayohitajika hayajahifadhiwa ndani, nodi inaweza kuomba kwa wakati kutoka kwa mtandao wa wenza. Hii hubadilisha ongezeko dogo la muda wa uthibitishaji (muda wa kuchukua) kwa ajili ya kuokoa uhifadhi mkubwa. Uthibitisho wa kisiri, kama uthibitisho wa Merkle, unaweza kuhakikisha usahihi wa data iliyochukuliwa bila kumwamini mwenzake.
Utafiti unaonyesha kwamba kwa kutekeleza mkakati wa ufinyangaji wenye akili, nodi kamili ya Bitcoin inaweza kupunguza mahitaji yake ya uhifadhi wa ndani hadi takriban 15 GB huku ikidumisha uwezo kamili wa uthibitishaji. Hii ni pamoja na seti ya UTXO (~4-5 GB), vichwa vyote vya vitalu (~50 MB), na dirisha la vitalu vya hivi karibuni.
Mkakati wa "kuchukua kwa uvivu" husababisha mzigo mdogo wa hesabu kwa ajili ya kuzalisha au kuthibitisha uthibitisho wa Merkle. Utabiri mkuu ni ongezeko linalowezekana la muda wa uthibitishaji wa kuzuia wakati unahitaji kuchukua kutoka kwa mtandao, inakadiriwa kuwa katika mpangilio wa mamia ya milisekunde chini ya hali ya kawaida ya mtandao—gharama ndogo kwa kuwezesha nodi kwenye vifaa vilivyo na rasilimali chache.
Usahihi wa data iliyofinyangwa na manunuzi yaliyochukuliwa kwa wakati unalindwa na Miti ya Merkle. Nodi inayoomba manunuzi $tx$ kutoka urefu wa kuzuia $h$ inaweza kuomba mwenzake manunuzi pamoja na uthibitisho wa njia ya Merkle $\pi_{tx}$. Nodi, ambayo huhifadhi kichwa cha kuzuia kilicho na mzizi wa Merkle $root_h$, inaweza kuthibitisha uthibitisho kwa kuhesabu tena:
$\text{Thibitisha}(tx, \pi_{tx}, root_h) = \text{kweli}$ ikiwa $\text{MerkleHash}(tx, \pi_{tx}) = root_h$
Hii inahakikisha kwamba manunuzi hayo yalikuwa sehemu ya mnyororo wa kisheria bila ya kuhitaji kuzuia lote. Uwezekano wa kuhitaji manunuzi ya kina ya historia unafasiriwa kama utendakazi wa usambazaji wa umri wa seti ya UTXO, ambao utafiti uligundua kuwa umeelekezwa sana kuelekea matokeo ya hivi karibuni.
Hali: Kampuni mpya ya uanzishaji inataka kuendesha nodi kamili ya Bitcoin kwa ajili ya huduma ya malipo lakini ina bajeti ndogo ya uhifadhi wingu.
Utumiaji wa Mfumo:
Mfumo huu unawawezesha kudumisha usalama na ukomo wao huku wakipunguza gharama za uhifadhi kwa zaidi ya 95%.
Uelewa wa Msingi: Mchango muhimu zaidi wa karatasi hii sio tu algoriti mpya ya ufinyangaji—ni uchambuzi wa kiujumla wa "nodi kamili" kama imani. Inathibitisha kwamba mnyororo wa vitalu wa 370 GB kwa kiasi kikubwa ni kumbukumbu baridi; seti ya kazi inayotumika kwa usalama ni ndogo kwa kiwango kikubwa. Hii inapinga kabisa dhana kwamba uhifadhi mkubwa ni gharama isiyoepukika ya ukomo, sawa na jinsi karatasi ya CycleGAN ilivyofafanua upya tafsiri ya picha-hadi-picha kwa kuonyesha kuwa hauhitaji data iliyowekwa pamoja. Zote mbili ni mifano ya kutambua na kutumia usawa wa data uliofichika, wa ulimwengu halisi.
Mtiririko wa Mantiki: Hoja hii ni rahisi na yenye mvuto: 1) Pima data ambayo nodi zinatumia (sio kuhifadhi). 2) Gundua kwamba matumizi yamejikita sana. 3) Kwa hivyo, tupa kwa usalama wingi usiotumika. 4) Toa njia za kuchukua kwa uaminifu kipande kinachohitajika nadra. Hii ni mzunguko wa uboreshaji wa uhandisi uliotumika kwenye mfumo uliofikiriwa kuwa haubadiliki.
Nguvu na Kasoro: Nguvu yake iko katika utendaji wake na uwezo wa kutekelezwa mara moja. Haihitaji mabadiliko ya makubaliano, na hivyo kuwa pendekezo la "ushindi-ushindi" katika nafasi ya mnyororo wa vitalu ambayo mara nyingi ina migogoro. Hata hivyo, uchambuzi huu una kasoro muhimu, isiyotajwa: unaboresha kwa ajili ya hali thabiti. Unapunguza makisio ya mahitaji ya rasilimali wakati wa upangaji upya wa mnyororo (reorg). Upangaji upya wa kina, ingawa ni nadra, unaweza kuhitaji uthibitishaji wa haraka wa vitalu vingi vya zamani. Nodi iliyofinyangwa itahitaji kuchukua gigabaiti za data kwa wakati huo huo, na hii inaweza kusababisha kuacha nyuma na kutoweza kuthibitisha mnyororo unaoshindana kwa wakati—hatari ya usalama. Utabiri wa karatasi hii sio tu muda mfupi kwa ajili ya uhifadhi, bali pia uwezo wa kustahimili matukio makali ya mtandao kwa ajili ya ufanisi wa kila siku.
Uelewa Unaotekelezeka: Kwa wakuzaji, hitimisho ni kutekeleza mara moja ufinyangaji wenye akili unaoweza kusanikishwa katika programu ya pochi na nodi. Kwa watafiti, hatua inayofuata ni kupima hatari ya upangaji upya na kubuni itifati za kuchukua zenye nguvu dhidi ya msongo wa mtandao. Kwa wawekezaji na miradi, kazi hii inapunguza gharama ya uendeshaji wa kuendesha nodi salama, na hivyo kufanya miradi ya biashara isiyo na kituo cha usimamizi iwezekanavyo zaidi. Ni hatua ndogo lakini muhimu katika kuhamisha miundombinu ya mnyororo wa vitalu kutoka kwa shughuli ya mpenzi hadi kwenye huduma inayoweza kukua, ikilingana na mienendo pana ya tasnia inayofuatiliwa na mashirika kama Gartner kuelekea mifumo ya usambazaji yenye ufanisi na endelevu.