1. Utangulizi

Minyororo ya kizuizi bila idhini, ikionyeshwa na Bitcoin na Ethereum, imebadilisha mifumo isiyo na kitovu lakini inakabiliwa na changamoto kubwa za uwezo. Ingawa matumizi ya nishati ya makubaliano ya Uthibitishaji wa Kazi (PoW) yamejadiliwa sana, mzigo mkubwa na unaokua wa uhifadhi unaohitajika na nodi kamili bado ni kikwazo muhimu, lakini kisichozingatiwa vya kutosha, kwa ushiriki mpana na afya ya mtandao. Karatasi hii inawasilisha utafiti wa kwanza kamili wa kimatendo unaochambua jinsi nodi kamili zinavyotumia data ya mnyororo wa kizuizi kwa ajili ya uthibitishaji, na kusababisha mikakati ya vitendo ya kupunguza kwa kiasi kikubwa mahitaji ya uhifadhi wa ndani bila kubadilisha itifaki ya msingi.

2. Usuli wa Suala & Taarifa ya Tatizo

Uadilifu wa mnyororo wa kizuizi unategemea historia kamili, inayoweza kuthibitishwa ya manunuzi. Kwa Bitcoin, hati hii inazidi GB 370, na inahitaji rasilimali kubwa kutoka kwa washiriki wanaorun nodi kamili ili kuthibitisha manunuzi kwa kujitegemea.

2.1 Mzigo wa Uhifadhi wa Minyororo ya Kizuizi Bila Idhini

Mahitaji ya uhifadhi yanalingana moja kwa moja na kupitishwa na kiwango cha manunuzi. Kuhifadhi hati nzima ni muhimu kwa usalama (kuzuia matumizi mara mbili) lakini huunda kikwazo cha juu cha kuingia, na kusababisha hatari za katikati kwani watumiaji wachache wanaweza kumudu kuendesha nodi kamili.

Takwimu Muhimu

Uhifadhi wa Nodi Kamili ya Bitcoin: >370 GB (kufikia wakati wa utafiti). Hii huunda gharama kubwa ya vifaa na kuzuia uendeshaji mpana wa nodi.

2.2 Suluhisho Zilizopo na Vikwazo Vyake

Njia zilizopita ni pamoja na:

  • Kuweka Alama/Kuchukua Picha: Zinahitaji mabadiliko ya itifaki au mgawanyiko mgumu, na kusababisha changamoto za uratibu.
  • Ufinyangaji wa Bitcoin: Inaruhusu watumiaji kuweka kizingiti cha kiholela cha uhifadhi (GB au urefu wa kizuizi). Hii si bora kwani haina mwongozo, inaweza kufuta data bado muhimu au kuhifadhi data isiyohitajika, na kulazimisha nodi kupata tena data kutoka kwa mtandao na kuongeza ucheleweshaji.

3. Mbinu & Uchambuzi wa Kimatendo

Mchango mkuu wa kazi hii ni uchambuzi unaoongozwa na data wa tabia halisi ya nodi ili kutoa mwongozo wa uboreshaji.

3.1 Ukusanyaji wa Data na Uchanganuzi wa Tabia ya Nodi

Waandishi waliweka vifaa katika nodi kamili za Bitcoin ili kufuatilia na kurekodi kila ufikiaji wa data (kusoma) kutoka kwa uhifadhi wa ndani wakati wa uendeshaji wa kawaida—hasa wakati wa uthibitishaji wa manunuzi mapya na vizuizi. Hii huunda wasifu wa sehemu gani za mnyororo wa kizuizi zinazohitajika kwa kweli kwa uthibitishaji unaoendelea.

3.2 Uchambuzi wa Mienendo ya Ufikiaji wa Data

Uchambuzi ulifunua ufahamu muhimu: sehemu kubwa ya data ya kihistoria ya mnyororo wa kizuizi hufikiwa mara chache au kamwe baada ya kipindi fulani. Data inayohitajika kuthibitisha hali ya sasa (Matokeo ya Manunuzi Yasiyotumiwa - UTXO) na historia ya hivi karibuni huunda sehemu ndogo zaidi kuliko hati kamili.

Ufahamu wa Msingi

Nodi kamili hazihitaji historia nzima ya gigabaiti nyingi ili kuthibitisha vizuizi vipya na manunuzi kwa wakati halisi. Seti ya data inayohitajika kikamilifu ni ndogo kwa kiasi kikubwa.

4. Mikakati Iliyopendekezwa ya Kupunguza Uhifadhi

Kulingana na matokeo ya kimatendo, karatasi hii inapendekeza mikakati ya upande wa mteja.

4.1 Ufinyangaji wa Uhifadhi wa Ndani bila Mabadiliko ya Itifaki

Mkakati mkuu ni algoriti ya ufinyangaji yenye akili, inayotambua data. Badala ya kufinyanga kwa umri rahisi au ukubwa, nodi inaweza kufuta kwa usalama data ya mnyororo wa kizuizi (kama vile matokeo ya zamani ya manunuzi yaliyotumiwa) ambayo uchanganuzi umeonyesha kuwa haihitajiki kwa uthibitishaji wa baadaye. Hii inatekelezwa kabisa upande wa mteja.

4.2 Mbinu za Uboreshaji wa Upande wa Mteja

Uboreshaji wa ziada ni pamoja na ukandamizaji wa data ya kihistoria inayofikiwa mara chache lakini muhimu, na mikakati ya kuhifadhi kwenye kumbukumbu ya haraka inayopendelea kuweka "seti inayofanya kazi" (UTXO zinazofikiwa mara kwa mara na vizuizi vya hivi karibuni) kwenye uhifadhi wa kasi zaidi.

5. Matokeo & Tathmini

5.1 Kupunguzwa Kunawezekana kwa Ukubwa wa Uhifadhi

Matokeo ya kushangaza zaidi ya utafiti: kwa kutumia mkakati wao wa ufinyangaji wenye akili, nodi kamili ya Bitcoin inaweza kupunguza ukubwa wa uhifadhi wa ndani hadi takriban GB 15 huku ikidumisha uwezo kamili wa uthibitishaji. Hii inawakilisha kupunguzwa kwa zaidi ya 95% kutoka kwa hati kamili ya zaidi ya GB 370.

Chati: Ulinganisho wa Ukubwa wa Uhifadhi

(Maelezo ya chati iliyodhaniwa) Chati ya mipango inayolinganisha "Hati Kamili (370 GB)" na "Seti ya Kazi Iliyofinyangwa (15 GB)". Seti iliyofinyangwa ni sehemu ndogo ya asili, na inasisitiza kupunguzwa kwa kiasi kikubwa kilichopatikana.

5.2 Ufanisi na Usawazishaji wa Mzigo wa Ziada

Mzigo wa hesabu wa uchanganuzi wa tabia na ufinyangaji wenye akili unaripotiwa kuwa wa duni. Usawazishaji ni kwamba ikiwa nodi inahitaji kuthibitisha manunuzi yanayorejelea data ya zamani sana, iliyofinyangwa, lazima ipate uthibitisho wa kisiri (kama uthibitisho wa Merkle) kutoka kwa mtandao, na kusababisha ucheleweshaji mdogo wa mawasiliano. Hata hivyo, uchambuzi unaonyesha hili ni tukio la nadra.

6. Maelezo ya Kiufundi & Mfumo wa Hisabati

Mantiki ya ufinyangaji inategemea kuelewa mzunguko wa maisha ya manunuzi. Matokeo ya manunuzi (UTXO) ambayo yametumiwa hayahitajiki tena kwa uthibitishaji wa matumizi ya baadaye. Mantiki ya msingi inaweza kuigwa. Hebu $L$ iwe hati kamili. Hebu $A(t)$ iwe seti ya ufikiaji wote wa data (kusoma) kutoka $L$ na nodi katika kipindi cha muda hadi $t$. Seti muhimu ya kazi $W$ imefafanuliwa kama:

$W = \{ d \in L \mid P(\text{ufikiaji } d \text{ katika uthibitishaji wa baadaye}) > \tau \}$

ambapo $\tau$ ni kizingiti kidogo cha uwezekano kinachotokana na kimatendo. Data isiyoko katika $W$ inaweza kufinyangwa. Usalama unategemea uwezo wa kupata uthibitisho wa Merkle kwa data iliyofinyangwa, ambapo ukubwa wa uthibitisho ni wa logariti katika ukubwa wa mnyororo wa kizuizi: $O(\log n)$.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Utafiti

Hali: Biashara mpya inataka kuendesha nodi kamili ya Bitcoin kwa ajili ya uthibitishaji wa kuaminika, wa kujitegemea wa manunuzi lakini ina bajeti ndogo ya miundombinu ya uhifadhi.

Utumiaji wa Mfumo:

  1. Wasifu: Weka nodi kamili ya kawaida iliyo na uchanganuzi wa tabia umewashwa kwa wiki 2 ili kujifunza mienendo yake maalum ya ufikiaji.
  2. Hesabu: Kulingana na wasifu, bainisha kwa algoriti seti bora ya data $W$. Utafiti unapendekeza hii itaimarika karibu GB 15 kwa Bitcoin.
  3. Finyanga: Futa data yote ya mnyororo wa kizuizi isiyoko katika $W$.
  4. Endesha: Endesha nodi iliyofinyangwa. Katika tukio la nadra la kuhitaji data iliyofinyangwa, omba uthibitisho wa Merkle kutoka kwa mtandao wa ushirika.

Matokeo: Biashara inafikia usalama kamili wa uthibitishaji na uhifadhi wa ~15 GB badala ya zaidi ya 370 GB, na kupunguza kwa kiasi kikubwa gharama na utata.

8. Matumizi ya Baadaye & Mwelekeo wa Utafiti

  • Kurekebishwa kwa Minyororo Mengine ya Kizuizi: Kutumia mbinu hii ya kimatendo kwa Ethereum, hasa baada ya kuunganishwa, na minyororo mingine ya PoW/PoS ili kupata vigezo maalum vya mnyororo vya ufinyangaji.
  • Kuweka Viwango: Kupendekeza BIP (Pendekezo la Uboreshaji la Bitcoin) ili kuweka viwango muundo wa data ya uchanganuzi wa tabia na maombi ya uthibitisho, na kufanya nodi zilizofinyangwa ziwe na ufanisi zaidi.
  • Uboreshaji wa Mteja Mwepesi: Kuungana pengo kati ya nodi kamili na wateja wa Uthibitishaji wa Malipo Rahisi (SPV). Nodi "karibu kamili" zilizo na uhifadhi wa GB 15 hutoa usalama mkubwa zaidi kuliko wateja wa SPV huku zikiwezekana kusakinishwa zaidi kuliko nodi kamili za kawaida.
  • Kukuza Ukosefu wa Kitovu: Teknolojia hii inaweza kuwa kiendeshi muhimu kwa kampeni za kuongeza idadi ya nodi kamili duniani, na kuboresha uwezo wa kustahimili wa mtandao na upinzani wa ukandamizaji.

9. Marejeo

  1. Sforzin, A., Maso, M., Soriente, C., & Karame, G. (Mwaka). Kuhusu Mzigo wa Uhifadhi wa Minyororo ya Kizuizi cha Uthibitishaji wa Kazi. Jina la Mkutano/Jarida.
  2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Mfumo wa Pesa ya Elektroniki ya Kushirikiana.
  3. Hati ya Bitcoin Core. (b.d.). Ufinyangaji wa Mnyororo wa Kizuizi. Imepatikana kutoka https://bitcoincore.org/en/doc/
  4. Buterin, V. (2014). Ethereum: Jukwaa la Mkataba wa Akili la Kizazi Kijacho na Programu Isiyo na Kitovu.
  5. Bonneau, J., et al. (2015). SoK: Mitazamo ya Utafiti na Changamoto za Bitcoin na Fedha za Dijitali. IEEE S&P.
  6. Gervais, A., et al. (2016). Kuhusu Usalama na Ufanisi wa Minyororo ya Kizuizi cha Uthibitishaji wa Kazi. ACM CCS.

Mtazamo wa Mchambuzi: Msaada wa Uwezo kwa Minyororo ya Zamani

Ufahamu wa Msingi: Karatasi hii inatoa mgomo wa upasuaji kwenye kikwazo cha uwezo kinachodhihirika zaidi cha mnyororo wa kizuizi: uvimbe wa hali. Wakati ulimwengu unazingatia TPS (manunuzi kwa sekunde) na matumizi ya nishati, Sforzin et al. wanabainisha kwa usahihi kwamba ukuaji wa daima, usio na mipaka wa uhifadhi ni muuaji wa kimya wa ukosefu wa kitovu. Kazi yao inathibitisha kwamba imani inayohitaji nodi kamili kuhifadhi historia nzima ni kizuizi cha kujipangia, sio hitaji la kisiri. Hitaji halisi ni kuhifadhi sehemu ndogo ya data inayobeba uthibitisho inayohitajika kwa uthibitishaji wa sasa—tofauti yenye matokeo makubwa ya vitendo.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni ya kimatendo kwa ustadi. Badala ya kupendekeza marekebisho ya juu-chini ya itifaki, kwanza waliweka vifaa katika nodi ili kuona data gani inatumika kwa kweli. Mbinu hii inayolenga data inafanana na mazoea bora katika uboreshaji wa ufanisi wa mifumo, sawa na kuchanganua tabia ya programu kabla ya uboreshaji. Ugunduzi kwamba "seti inayofanya kazi" ni ~15 GB ndio kiini. Inabadilisha tatizo kutoka "tunabadilishaje Bitcoin?" hadi "tunafinyangaje kwa usalama 95% isiyotumiwa?" Suluhisho—ufinyangaji wenye akili + kurudi kwenye uthibitisho wa Merkle uliopatikana kwenye mtandao—ni mfano bora wa uhandisi wa vitendo, unaokumbusha kanuni za sera za kufukuzwa kwenye kumbukumbu ya haraka katika usanifu wa kompyuta au njia ambayo mifumo ya kisasa ya uendeshaji inasimamia kurasa za kumbukumbu.

Nguvu & Kasoro: Nguvu yake ni uwezekano wake wa kusakinishwa. Kama mabadiliko ya upande wa mteja, hayahitaji mgawanyiko mgumu wenye utata, na kufanya kupitishwa kuwezekana katika muda mfupi. Inapunguza moja kwa moja kikwazo cha kuendesha nodi kamili, na kwa uwezekano kubadilisha mwelekeo wa katikati ya nodi. Hata hivyo, uchambuzi una kasoro. Kwanza, unaanzisha utegemezi mpya, wa hila: nodi zilizofinyangwa lazima zitegemee mtandao (hasa, nodi "hifadhi" zisizofinyangwa) kutoa uthibitisho kwa data ya zamani. Hii huunda mfumo wa nodi wa ngazi mbili na kwa nadharia inaweza kutumiwa vibaya ikiwa nodi za hifadhi zitapungua au kuwa zenye udhalimu. Pili, kama ilivyobainishwa na watafiti kama Bonneau et al. katika "SoK" yao juu ya usalama wa Bitcoin, muundo wa usalama wa wateja wanyoofu (ambao mbinu hii inafanana nayo) ni dhaifu zaidi kuliko ule wa nodi kamili ya hifadhi, kwani unaanzisha dhana ya imani juu ya upatikanaji wa data. Karatasi hii inapita juu ya matokeo ya usalama ya muda mrefu ya mabadiliko haya.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa miradi ya mnyororo wa kizuizi, hasa minyororo imara ya PoW, utafiti huu ni mwongozo wa "kifurushi cha uwezo wa mnyororo wa zamani". Hatua ya haraka ni kuunganisha uchanganuzi huu wa tabia na ufinyangaji wenye akili katika wateja wakuu kama Bitcoin Core kama chaguo la chaguomsingi, lililoboreshwa. Kwa wadhibiti na makampuni, teknolojia hii hufanya kuendesha nodi zinazothibitisha wenyewe, zinazofuata kanuni, kuwezekana zaidi, na kupunguza utegemezi kwa watoa huduma wa API wa watu wengine. Kuangalia mbele, mbinu hiyo inapaswa kutumika kwa mti wa hali wa Ethereum, ambao unawasilisha changamoto tofauti lakini sawa muhimu ya uhifadhi. Ufahamu wa mwisho ni kwamba uwezo wa mnyororo wa kizuizi sio tu juu ya kufanya zaidi kwa kasi; ni juu ya kuwa mwerevu na tuliyonayo tayari. Kazi hii ni hatua muhimu katika mwelekeo huo, na inatoa njia ya kudumisha ukosefu wa kitovu bila kukataa dhamana za usalama zinazofanya minyororo ya kizuizi iwe na thamani.