لایه های بلاکچین چه هستند؟‌

مفهوم لایه های بلاکچین

اگر در دنیای بلاکچین و رمزارزها جستجو کرده باشید، احتمالا چند باری با مفهوم لایه های بلاکچین سروکار داشته اید. برای درک بهتر این مبحث در ادامه مقاله با ما همراه باشید تا به بررسی ساختار لایه های بلاکچین بپردازیم.

تکنولوژی بلاکچین ترکیبی خاص از چندین تکنولوژی دیگر مانند، کریپتوگرافی، نظریه بازی و …. میباشد که دامنه های کاربردی زیادی از جمله در رمزارزها دارد. بلاکچین موجب حذف واسطه ها، کم کردن هزینه ها و بهبود امنیت و شفافیت شده است.

از آنجایی که هیچ نظارتگر یا کنترل مرکزی در سیستم های دفاتر کل توزیع شده (DLT) وجود ندارد، اطلاعات از طریق رمزنگاری و با تایید گروهی کاربران (مکانیزم اجماع) که همگی بر پروتکل های اجرایی شبکه توافق دارند صورت میپذیرد. ترکیب این دو تکنولوژی باعث ایجاد اعتماد در شبکه و بین کاربران میشود. این قابلیت ها شبکه ی بلاکچین را قادر میسازد تا محیطی امن برای تبادل اطلاعات و دارایی های کاربران فراهم سازد.

همانطور که اشاره شد، هیچ نظارتگر یا کنترل مرکزی در سیستم های بلاکچینی وجود ندارد. از این رو،‌ لازم است شبکه های بلاکچینی از سطح امنیتی بسیار بالایی برخوردار باشند. همچنین باید توانایی مقیاس پذیری بالایی داشته باشند تا بتوانند تعداد زیاد کاربران و درخواست ها را مدیریت و اجرایی کنند. یکی از دلایل اصلی به وجود آمدن لایه های بلاکچینی نیز بهبود مقیاس پذیری شبکه بدون خدشه دار کردن امنیت آن میباشد.

مقیاس پذیری یا Scalability بلاکچین چیست؟‌

مقایس پذیری در تکنولوژی های بلاکچین به توان عملیاتی شبکه اشاره دارد. توان عملیاتی هر شبکه بر اساس تعداد تراکنش هایی که یک شبکه در هر ثانیه میتواند پردازش کند محاسبه میشود. با افزایش محبوبیت و استفاده روزمره کاربران از رمزارزها، لایه های بلاکچین اکنون وظیفه دارند امنیت، ظرفیت و دیگر قابلیت های شبکه را بهبود بخشند.

در حالی که سیستم های مالی جهانی مثل ویزا در حال حاضر قادر به پردازش ۲۰ هزار تراکنش در ثانیه میباشند، شبکه بیت کوین به عنوان مثال در هر ثانیه نمیتواند بیشتر از۷ تراکنش را پردازش کند.

بلاکچین اولین لایه در یک سیستم غیرمتمرکز میباشد. لایه دوم واسطه هایی میباشند که بصورت هماهنگ با لایه یک سعی میکنند با روش های جانبی، توان عملیاتی شبکه را بهبود بخشند. در حال حاضر بسیار از تکنولوژی های لایه دوم بلاکچین در شبکه ها جایگزاری شده اند. قرارداد های هوشمند (Smart Contracts) نیز جز همین لایه طبقه بندی میشوند که به اتوماتیک شدن تراکنش های شبکه کمک میکنند.

توسعه دهندگان در تلاشند تا همگام با گسترش استفاده و محبوبیت رمزارزهایی مثل بیت کوین، لایه های بلاکچینی را بهبود بخشند ولایه های دوم را بهینه سازی کنند تا زمان پردازش هر تراکنش را کاهش دهند و تعداد تراکنش‌ها در هر ثانیه (TPS) را افزایش دهند.

ناسازگاری ۳ گانه بلاکچین چیست؟

ناسازگاری ۳ گانه یا trilemma در سیستم های غیر متمرکز اشاره به ۳ فاکتور اصلی و ریشه ای یعنی غیرمتمرکز بودن، امنیت و مقیاس پذیری دارد. سیستم های غیرمتمرکز در آن واحد فقط میتوانند ۲ مورد از این ۳ مورد را بهبود بخشند و هر در حالتی یکی از این ۳ فاکتور تحت تاثیر منفی ۲ فاکتور دیگر خواهد بود.

بر اساس نظریه CAP که در سال ۱۹۸۰ مطرح شد، سیستم های غیرمتمرکز همیشه باید یک فاکتور را فدای بهبود دو فاکتور دیگر کنند. این به این معناست که در سیستم های غیرمتمرکز امروزی هم همواره باید یکی از فاکتورهای غیر متمرکز بودن، امنیت و مقیاس پذیری را فدا کرد.

تکنولوژی بلاکچین در تلاش است تا مقیاس پذیری شبکه های غیرمتمرکز را به شکلی که به امنیت آن لطمه ای وارد نشود افزایش دهد.

قبل از اینکه بیشتر وارد مبحث ناسازگاری ۳ گانه شویم، بهتر است خیلی کوتاه تعریفی از ۳ فاکتور مقیاس پذیری،‌ امنیت و غیرمتمرکز بودن در بلاکچین داشته باشم.

مقیاس پذیری بلاکچین‌: اشاره به توانایی شبکه در تعداد تراکنش هایی که در هر ثانیه میتواند پردازش کند دارد.

امنیت:‌ به توانایی فراهم کردن امنیت اطلاعات و مقاومت در برابر انواع حملات خراب کارانه از جمله دو بار خرج کردن یا double-Spending گفته میشود.

غیرمتمرکز بودن: یعنی شبکه قادر باشد بدون نیاز به اعطای قدرت به افراد یا گروه های خاص، بصورت مستقل به کار خود ادامه دهد.

تقابل میان مقیاس پذیری، امنیت و غیرمتمرکز بودن

برای انجام یک تراکنش، شبکه ابتدا باید بر صحت اطلاعات تراکنش به توافق برسد. رسیدن به این توافق در صورتی که تعداد کاربران و درخواست های شبکه زیاد باشد، نیازمند زمان است. در نتیجه میتوان گفت مقیاس پذیری با افزایش غیرمتمرکز بودن و حفظ امنیت، به نوعی کاهش میابد.

حال فرض کنید یک شبکه که از روش اثبات کار (POW) استفاده میکند، با افزایش توان محاسباتی شبکه سعی بر کاهش زمان تایید تراکنش ها داشته باشد. در چنین حالتی امنیت شبکه نیز افزایش میابد اما غیرمتمرکز بودن آن تحت تاثیر این دو فاکتور قرار میگیرد. زیرا زمانی که توان محساباتی را بالا میبرید نیاز به تجهیزات ماینینگ قدرتمند و بسیار گران دارید و این باعث میشود که تعداد افرادی که واجد شرایط ماینینگ و مشارکت در شبکه هستند کاهش پیدا کنند. به همین دلیل ممکن است غیر متمرکز بودن شبکه تضعیف شود و قدرت به سمت افراد یا جریان هایی که تجهیزات پیشرفته تر دارند میل کند.

در نتیجه بلاکچین نمیتواند همزمان هر ۳ فاکتور را به نحو احسن اجرایی کند. اتریوم یکی از بهترین مثال ها در این زمینه میباشد.

پلتفرم اتریوم با تکیه بر برنامه ها و سیستم های مالی غیرمتمرکز، میزبان تعداد زیادی از کاربران این حوزه میباشد. اما اتریوم تنها میتواند به سمت اهدافی خاصی گسترش پیدا کند.

تمرکز اتریوم بر امنیت و غیرمتمرکز بودن پلتفرم منعطف شده است در حالی که مقیاس پذیری آن به شکل اجتناب ناپذیری از قافله جا مانده است. در شبکه اتریوم، ماینر ها بر اساس کارمزد تراکنش ها، آن ها را برای پردازش و تایید انتخاب میکنند. بنابراین،‌ هر تراکنشی که کارمزد بالاتری داشته باشد سریع تر پردازش خواهد شد. درنتیجه در زمان شلوغی شبکه هم کارمزد تراکنش ها افزایش پیدا میکند و هم شبکه با کندی مواجه میشود. این موضوع در مورد بیت کوین هم صدق میکند.

هیچ بحثی نیست که در حال حاضر مقیاس پذیری بیت کوین و اتریوم با محدویت هایی مواجه است. به همین جهت، کامیونیتی ها، استارت آپ‌ها و شرکت های تکنولوژی به شکل دیوانه واری در حال کار بر روی لایه های یک و دو بلاکچین هستند تا راه حلی برای مشکل ناسازگاری ۳ گانه بلاکچین پیدا کنند.

شبکه های لایه ۱ بلاکچین با هدف ارائه سرعت، امنیت و امکان گسترده شدن طراحی شده اند. ‌لایه های ۲ تکنولوژی های بهبود دهنده و بهینه کننده ای هستند که شبکه های لایه ۱ میتوانند جهت افزایش مقیاس پذیری از آن ها بهره مند گردند. ایجاد تعادل بین لایه های یک و دو میتواند یک برگ برنده برای صنعت رمزارزها باشد که موجب پذیرش جهانی بیشتر و گسترش شبکه های غیرمتمرکز خواهد شد.

توسعه ها دهندگان سعی میکنند از زوایای مختلفی این مشکلات را مورد بررسی قرار دهند و راه حل های گوناگونی ارائه دهند. مثلا رمز ارز بیت کوین کش را میتوان یک نمونه از این تلاش ها دانست. بیت کوین کش حاصل تلاشی برای افزایش مقایس پذیری بیت کوین میباشد. عده ای از توسعه دهندگان با پیشنهاد افزایش سایز هر بلاک در شبکه بیت کوین برای افزایش سرعت پردازش تراکنش ها، رمزارز بیت کوین کش را ارائه داده اند.

بیت کوین سعی میکند با اضافه کردن یک لایه به لایه فعلی شبکه، مشکل مقیاس پذیری را حل کند. لایه دوم میتواند با به عهده گرفتن بخشی از عملیات پردازش و تایید تراکنش ها، فشار را از روی لایه یک بردارد و به این شکل سرعت تراکنش در ثانیه را افزایش دهد. شبکه لایتنینگ (Lightning) بیت کوین نمونه ای از راه حل لایه دوم میباشد.

اتریوم اما با رویکردی دوگانه سعی بر حل این مشکل دارد. اتریوم در صدد است هم با تقسیم بندی لایه پایه به چند قسمت (Sharding) و هم توسط تعداد زیادی از برنامه های توسعه داده شده در لایه های دوم سرعت تراکنش بر ثانیه خود را افزایش دهد و مقیاس پذیری خود را بهبود بخشد.

ساختار لایه ای معماری بلاکچین

ساختار لایه‌ای معماری بلاکچین یعنی ساختاری که مراحل مختلف بلاکچین را به صورت لایه‌های جداگانه تقسیم می‌کند. هر لایه در این ساختار مسئولیت‌ها و وظایف خاصی را بر عهده دارد و با سایر لایه‌ها در ارتباط است. این ساختار لایه‌ای در بلاکچین به منظور جدا کردن وظایف و امکان افزودن و بهبود پروتکل های بلاکچین استفاده می‌شود. با این ساختار، هر لایه می‌تواند به طور جداگانه توسعه یابد و تغییراتی را در بلاکچین ایجاد کند بدون اینکه سایر لایه‌ها تحت تأثیر قرار بگیرند. این معماری برای بالا بردن امنیت، قابلیت مقیاس‌پذیری و کارایی بلاکچین بسیار مهم است.

ساختار لایه ای معماری بلاکچین به 5 لایه اصلی تقسیم میشود که در تصویر زیر مشاهده میکنید.

توضیح لایه های بلاکچین

دقت داشته باشید توضیح لایه های بلاکچین در دو مدل مختلف ارائه میشود. که هرکدام از آن ها برای توضیح جنبه های مختلفی از ساختار بلاکچین استفاده میشود. مدل اول که در تصویر بالا به آن پرداخته ایم بیشتر برای توضیح ساختار داخلی و عملکرد یک شبکه بلاکچین استفاده میشود در حالی که مدل دوم شامل توضیح راه حل های مختلفی است که میتوان بر روی یک شبکه پیاده سازی کرد تا عملکرد آن را بهبود بخشید.

مدل دوم لایه بندی بلاکچین شامل ۳ لایه میشود: ‌

لایه 0 : این لایه به زیرساخت شبکه اشاره دارد و معمولاً به عنوان “لایه شبکه” یا “لایه زیرساخت” نامیده می‌شود. این لایه پایه‌ای است که سخت افزار و پروتکل‌های لازم برای ارتباط کامپیوتر‌ها در شبکه بلاکچین را فراهم می‌کند. این لایه پایین‌ترین لایه میباشد. مثلا اینترنت که پیش نیاز کارکرد شبکه بلاکچین است جز این لایه محسوب میشود.

 لایه 1 : این لایه به خود بلاکچین اشاره دارد. این لایه مسئول پردازش معاملات و حفظ دفتر کل بلاکچین است. این لایه عملکرد صحیح بلاکچین را تضمین می‌کند، از جمله پروتکل اجماع که معاملات را تأیید می‌کند و بلاک‌های جدید را به شبکه اضافه می‌کند مثل اثبات کار یا اثبات سهام. بیتکوین، اتریوم و ریپل از نمونه های هستند که در این لایه فعالیت می‌کنند.

 لایه 2 : این لایه به راه‌ حل‌هایی اشاره دارد که بر روی بلاکچین اصلی (لایه 1) ساخته شده‌اند تا قابلیت‌هایی مانند مقیاس‌پذیری و کارایی را بهبود ببخشند. راه‌حل‌های لایه 2 شامل تکنیک‌هایی مانند کانال‌های وضعیت

(State Channels) یا زنجیره‌های جانبی (Off-chain) هستند که می‌توانند معاملات را خارج از شبکه انجام دهند، بدین معنی که اتفاقاتی که در آن‌ها رخ می‌دهد، جدا از بلاکچین اصلی است، اما در صورت نیاز می‌توان با آن هماهنگ شد. رمزارز Matic نمونه ای از یک راه حل لایه دوم میباشد.

جمع بندی

با توجه به اطلاعاتی که در مورد لایه های مختلف بلاکچین به دست اورده ایم، میتوان نتیجه گیری کرد بزرگترین مانع در مسیر پذیرش گسترده رمزارزها و استفاده از آن ها بصورت روز مره، مشکل مقیاس پذیری میباشد. اگر توسعه دهندگان بتوانند مشکل ناسازگاری ۳ گانه بلاکچین (trilemma) را حل کنند،‌ قطعا شاهد تحولی عظیم در حوزه رمزارزها و گسترش جهانی آن خواهیم بود. هم اکنون نیز راه حل های بسیاری برای لایه های یک و دو و بهبود تعامل آن ها ارائه شده است اما هنوز هم نیاز به تکامل بیشتر در آن‌ها احساس میشود. به نظر میرسد این مسیر ساده نخواهد بود اما با ظهور تکنولوژی های جدید میتوان امیدوار بود در نهایت راه حلی اساسی در این زمینه نیز ارائه شود.