حول مستقبل إيثريوم

أشياء يجب معرفتها:

– إيثريوم، ثاني أكبر سلسلة كتل (blockchain) في العالم من حيث القيمة السوقية، خضعت مؤخراً لترقية برمجية هامة تُدعى الدمج (The Merge)، متحولةً من إجماع إثبات العمل إلى إثبات الحصة. – رغم كونه تحولاً ناجحاً، الأسئلة تظل قائمةً حول قابلية توسع إيثريوم وجاهزيتها للمرحلة التالية من تطور ويب 3.0. – هذه المقالة تتعمق في تحديات توسع إيثريوم وتُقيّم قدرتها على تلبية احتياجات التبني السائدة. إنها تناقش أنه، في حين أن حل التوسع الخالي من العيوب غير موجود حتى الآن، إن الطبقة 2 بما في ذلك عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups) وعمليات تجميع إثباتات الصلاحية (validity rollups) لديها أكبر احتمالية لقابلية توسع أكثر مع مقايضة جيدة مع لمعضلة سلسلة الكتل الثلاثية. – بشكل أدق، عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups) وعمليات تجميع إثباتات الصلاحية (validity rollups)، باستخدام تقنية إثبات المعرفة الصفرية، ستكون أساسيةً في تشكيل مستقبل إيثريوم من خلال تمكين المعاملات بدون الثقة والمعقدة وبدون الإذن المسبق على نطاق واسع.

توسع إيثريوم: البحث عن حل

إيثريوم، مثلها مثل العديد من سلاسل الكتل، تواجه حالياً قدرة محدودة على معالجة المعاملات. رغم دعم تحويلات ETH وآلاف من التطبيقات اللامركزية (DApps)، الاستخدام المتزايد أدى إلى معاملات أبطأ وأعلى في التكلفة.

لتجنب الرسوم المرتفعة، هذا الموقف أدى إلى اتخاذ قرارات تصميم غير آمنة مثل الخدمات المركزية خارج سلسلة الكتل (off-chain) في أسواق الرموز غير القابلة للاستبدال. تقديم مقترح تحسين إيثريوم EIP-1559 قام بتحسين تقدير وتحفيز الرسوم، لكنه لم يحسن بشكل كبير قابلية التوسع. تحدي قابلية التوسع يتم فهمه على نحو جيد في ضوء المعضلة الثلاثية المألوفة لسلسلة الكتل المتمثلة في قابلية التوسع واللامركزية والأمان.

معضلة سلسلة الكتل الثلاثية تؤكد أنه من غير الممكن تحقيق ثلاث خصائص في وقت واحد: اللامركزية والأمان وقابلية التوسع. إذا ضحينا باللامركزية، يكون من السهل للغاية إنشاء نظام قابل للتوسع وآمن، كما أثبت ويب 2.0 ذلك بالفعل. إذا أعطينا الأولوية لقابلية التوسع من خلال التضحية بآلية الإجماع وسيصبح لديك سلسلة كتل عديمة الجدوى وغير آمنة ولا مركزية. حل معضلة سلسلة الكتل الثلاثية هو أمر معقد بشكل كبير وكان تحدياً مستمراً على مدار العقد الماضي.

تعزيز الإنتاجية: أساليب متعددة

على مر السنين، تم التعامل مع العديد من الحلول لحل معضلة سلسلة كتل إيثريوم الثلاثية. من المقترحات الشائعة إنشاء كتل أكبر حجماً أو كتل أكثر في الثانية. رغم أنها قد تبدو فكرةً جيدةً، إلا أنها تُكثِّف المطالب على عُقد سلسلة الكتل والمدققين/عمال التعدين من أجل الإجماع، مما يؤدي إلى زيادة المركزية. كما أنها تُبطئ إعادة التنظيم، مما يزيد مخاطر الأمان.

أحد البدائل هو إنشاء سلسلة جانبية لتقليل الحمل على السلسلة الرئيسية، كما يُرى في شبكة Polygon. هذا النظام يتضمن مقايضات على أمان لأنه يعتمد على إجماع أضعف من إيثريوم (قيمة سوقية أقل). رغم أنه قد يناسب حالات استخدام مُعينة، إلا أنه غالباً ما يؤدي إلى المركزية ولا يعالج بشكل كامل مشكلات قابلية توسع إيثريوم. وعلى أي حال، هو لا يزال بعيداً عن عشرات الآلاف من الطلبات المطلوبة ليكون نظاماً مثل فيزا.

الطبقة 2 والتجزئة: حلول لتحديات قابلية توسع إيثريوم؟

التجزئة والطبقة 2 يُنظر إليهما على نطاق واسع على أنهما الخيارين الأفضل لتوسيع إيثريوم مع الحفاظ على معضلة سلسلة الكتل الثلاثية.

من ناحية أخرى، تجزئة سلسلة الكتل طالما أُعتبرت المفتاح لقابلية التوسع في عالم سلاسل الكتل. إنها كانت السمة الرئيسية لـ Eth2.0 في 2019 مع الانتقال إلى مخطط توقيع BLS وآلية إجماع إثبات الحصة (PoS) وتطبيق eWASM. من ناحية أخرى، الطبقة 2 شهدت تقدماً سريعاً من خلال البحث المستمر في آليات تجميع المعاملات. هيا بنا نستكشف الوضع الحالي لهذين المنهجين المتنافسين وما قد يحمله مستقبليهما.

كيف تعمل تجزئة سلسلة الكتل؟

مصطلح التجزئة (sharding) يأتي من علم قواعد البيانات حيث نُقسِّم قاعدة بيانات أفقياً إلى أجزاء أصغر يمكن التحكم فيها تُسمى الأجزاء. كل جزء بمثابة قاعدة بيانات منفصلة تحتوي على مجموعة بيانات فرعية. التجزئة تُستخدم لتوسيع قواعد البيانات من خلال توزيع البيانات والاستعلامات عبر خوادم متعددة، ما يتيح لقاعدة البيانات بمعالجة حجم أكبر من البيانات دون الحاجة إلى خادم منفرد قوي.

فكرة الاستفادة من التجزئة في سلاسل الكتل سرعان ما أصبحت شائعةً بين المطورين. تجزئة سلسلة الكتل تُقسِّم الشبكة إلى شبكات فرعية أصغر تُدعى الأجزاء، والأجزاء تتيح معالجة المعاملات على التوازي. في سلسلة كتل مجزأة، كل جزء يكون بمثابة سلسلة منفصلة تعمل باستقلالية. هذا يعني أن كل عقدة وعامل تعدين/مدقق يمكنه التركيز على جزء معين لإنشاء إجماع محلي. أولاً، هي تسمح بمعالجة المعاملات على التوازي. ثانياً، كل جزء لديه عدد أقل من المعاملات لإدارتها. يبدو الأمر مثالياً، إذاً ما هو المقابل؟

تحديات التجزئة: الإجماع، والتواصل عبر الأجزاء، والأمان

مع تجزئة سلسلة الكتل، ليس من السهل تعريف الإجماع العام. ما هو الإجماع العام للشبكة؟ هل هو اتحاد كل الإجماعات المحلية؟ كيف وأين يتسنى لك ترسية هذه الإجماعات المحلية لإنشاء إجماع عام يمكن لأي شخص الوثوق به؟ تلك الأسئلة ليس من السهل الإجابة عنها.

تحدٍ آخر مهم لتنفيذ التجزئة هو التواصل عبر الأجزاء. عندما يتعلق الأمر بقواعد البيانات، لا يكون لديك هذه المشكلة لأن البيانات تتقسم على أجزاء مختلفة، ما يتيح لك قراءتها أو كتابتها بشكل مستقل دون مشكلات حقيقية. عندما يتعلق الأمر بتنفيذ أجزاء سلسلة الكتل للأكواد البرمجية، يصبح الأمر أكثر تعقيداً. كل جزء يجب أن يكون قادراً على تشغيل الكود البرمجي الخاصة به، والرجوع إلى حالة جزء مختلف، وتنفيذ الأكواد البرمجية على آخر. هذا ليس بالأمر الهين.

صعوبة التجزئة هذه متعلقة أيضاً بمشكلة الأمان. هذه المشكلة تمت دراستها بواسطة خبراء وتم اعتبار أن مخططات تجزئة مختلفة عرضةً للعديد من أشكال الهجمات الجديدة. أولاً، هي ببساطة تثير التساؤلات حول آلية الإجماع. إذا كان لديك 10 أجزاء، وعمال التعدين تم توزيعهم على كل جزء، فإن الاستيلاء على جزء واحد أقل تكلفة بـ 10 مرات من الاستيلاء على سلسلة الكتل كاملةً. بيانياً، هجوم الـ%51 يُترجم إلى %5.1. أحد حلول هذا هو تغيير آلية الإجماع من إثبات العمل إلى إثبات الحصة. كان هذا هو الدافع الأساسي لانتقال إيثريوم إلى إثبات الحصة.

من ناحية الأمان، تأثير الدمج تمت مناقشته بشكل كبير. من ناحية اللامركزية، إجماع إيثريوم المُحدَّث فضَّل المركزية، بالنظر إلى أن ملكية الرموز تحدد التحكم في الشبكة.

بخصوص إجماع إيثريوم الجديد، العديد من المُعلّمات حفزت المركزية:

• تشغيل عقدة إيثريوم الخاصة بك ليس أمراً بسيطاً، ويتطلب موارداً ومدة تشغيل. هو ببساطة يمنع محفظتك من تنفيذها ومن أن تعمل على اللابتوب أو حتى الجوَّال خاصتك.

• الحد الأدنى البالغ 32 ETH وحقيقة أنه من غير الممكن إلغاء التكديس حتى تاريخ غير معروف أنشأ مُجمِعات وتكديساً سائلاً حيث استحوذت Lido ومنصات التداول على معظم السوق. اليوم هناك 4 جهات تتحكم في أكثر من %55 من العملات المُكدَّسة على سلسلة كتل إيثريوم (Lido 29.2% وكوينباس (Coinbase) 13.1% و Kraken 7.6% وبينانس (Binance) 6.2%).

بوجه عام، تجزئة سلسلة الكتل هي فكرة مثيرة للاهتمام لزيادة قابلية التوسع، ولكنها تتطلب بنية معقدة، خاصةً عندما يتعلق الأمر بتحديد الإجماع العام وتنفيذ بروتوكول فعال عبر الأجزاء. الكثير من العمل تم إنجازه نحو تحقيق هذه الأهداف، لكننا ما زلنا بعيدين عن تنفيذها واغتنام التأثيرات على معضلة سلسلة الكتل الثلاثية.

عمليات التجميع تأتي للإنقاذ

عمليات التجميع تضغط معاملات عديدة في معاملة واحدة لتقوم إيثريوم بالتنفيذ، ما يتيح التنفيذ خارج سلسلة الكتل (off-chain) للعديد من المعاملات مع أمان إيثريوم للتسويات. يوجد تنفيذان رئيسيان لهذه الفكرة:

• عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups)، التي تسمح للمستخدمين بإصدار إثباتات التزوير في حالة النزاع
• عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZK-rollups) حيث تُصدِر شبكة الطبقة 2 إثباتات الصلاحية.

عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups) ومسألة القطعية الحسمية:

عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups) تم تصميمها كأكثر عمليات التجميع شبهاً بعمليات تجميع الجهاز الافتراضي لإيثريوم (EVM). هي تفاؤلية لأنها تفترض أن المستخدمين لا يقدمون معاملات مزورة، مما يسمح بالكتابة المباشرة على سلسلة الكتل.

هناك آلية تستخدم إثباتات مزورة والتي يمكن لمدققي الطبقة 2 بدئها للتحقق من معاملات خارج سلسلة الكتل (off-chain) التي تتم في غضون أيام قليلة (7 أيام على Optimism). إثبات التزوير الصالح يُحدد خطوات التزوير في إجراءات المعاملة، ما يؤدي إلى عكس المعاملة وفرض عقوبة على المدقق الذي يقوم بالموافقة. يحسن هذا إنتاجية المعاملة مع الحفاظ على أمان سلسلة إيثريوم الرئيسية.

مع ذلك، عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups) تأني بتحدي جديد: القطعية الحسمية. مع سلاسل الكتل، المعاملات التي تم تأكيدها تُعتبر دائمةً ولا رجعة فيها، لكن هذا يعتمد على آلية الإجماع. على سبيل المثال، سلاسل إثبات العمل (PoW) تعتبر المعاملات نهائيةً عندما يكون احتمال إعادة التنظيم منخفضاً، ومعاملات بيتكوين تكون نهائيةً بعد 6 تأكيدات. مع عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups)، المعاملات يُمكن التراجع عنها بعد عدة أيام، مما يخلق تحدي للقطعية حسمية ومقايضة مختلفة.

نوع آخر من عمليات التجميع: عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZK-Rollups)

عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZK-Rollups)، التي سميت لاستخدامها تقنية إثبات المعرفة الصفرية (ZKP) مثل SNARKs أو STARKs، هي نوع آخر من عمليات التجميع. حيث أن خاصية المعرفة الصفرية ليست مفيدةً في الواقع، فقد يكون وصفها بعمليات تجميع إثباتات الصلاحية (validity rollups) أكثر دقة.

عملية التجميع تُنفذ مجموعة من المعاملات وتنتج إثبات صلاحية، يتم التحقق منه بواسطة عقد ذكي على سلسلة كتل إيثريوم، والذي يؤكد النتيجة النهائية للمعاملات. إثبات التشفير يتم إنشاؤه باستخدام بدائيات تشفير المعرفة الصفرية.

على نطاق أوسع، إثباتات المعرفة الصفرية تسمح لأحد الأطراف (المُثبِت) بإثبات حيازة معلومات معينة لطرف آخر (المُراجِع) دون الكشف عن المعلومات الفعلية. المُثبِت يمكنه أن يكون واثقًا من حقيقة إفادة المُثبِت دون العلم بمحتواها.

صُمِّمت في الأصل من أجل السرية، إن عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZKRollups) تستخدم إثباتات المعرفة الصفرية لغرض مختلف تماماً: الضغط والحوسبة الموثوقة. تقنيتا المعرفة الصفرية الرائدتان هما zk-STARKs (اختصار لحجة المعرفة القابلة للتوسع والشفافة للمعرفة الصفرية) و zk-SNARKs (اختصار لحجة المعرفة الموجزة غير التفاعلية للمعرفة الصفرية).

مشكلة توفر البيانات للطبقة 2:

كما رأينا، تقنيات إثبات المعرفة الصفرية تضمن صلاحية حالة الطبقة 2، لكن الإثبات وحده لا يوفر وصولاً إلى الحالة. لزيادة الإنتاجية، التنفيذ يتم نقله خارج سلسلة الكتل (off-chain)، لكن البيانات يجب أن تظل متاحةً بسهولة لإعادة البناء. لتحقيق هذا، بيانات المعاملات يتم تقديمها كمساحة تخزين (calldata) على إيثريوم لضمان أن البيانات متاحةً لإعادة البناء المستقبلي. هذه البيانات يمكن حفظها أيضاً في مخزن لامركزي موثوق مثل أي بي إف إس (IPFS) أو Arweave مما يسمح لأي شخص بإعادة بناء الطبقة 2 والاستفادة من الحوافز الداخلية للتخزين اللامركزي.

سيكون حتى من الأفضل أن تكون هناك قدرة على حفظ هذه البيانات على سلسلة الكتل (on-chain)، لكن البيانات تخدم فقط غرض إعادة بناء حالة/حقيقة الطبقة 2 ولا يتم تنفيذها، مما يجعلها استخداماً لسعة سلسلة الكتل غير كفؤ ومكلف.

للتغلب على هذه العقبة، مطورو إيثريوم قدموا اثنين من مقترحات تحسين إيثريوم: EIP-4488 و EIP-4844 (حظاً سعيداً في عدم الخلط بينهما). الأول يُخفِض تكلفة الغاز لمساحة التخزين (calldata) بينما الثاني يُنشئ نوعاً جديداً من المعاملات لحفظ بيانات الطبقة 2. هذه البيانات غير قابلة للتغيير وللقراءة فقط، ولا يمكن الوصول إليها بواسطة آلة إثيريوم الافتراضية (EVM) وبالتالي لا يمكن تنفيذها.

مقترحات تحسين إيثريوم هذه هي بالضبط المكان الذي يلتقي به خارطة طريق عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZKRollup) مع خارطة طريق تجزئة التنفيذ، كلاهما يقترح نفس المفهوم لأغراض مختلفة. EIP-4488 يهدف إلى تخزين البيانات الأساسية للطبقة 2 في حين أن EIP-4844، المعروف أيضاً باسم Proto-Danksharding، هو خطوة نحو تنفيذ Danksharding وتجزئة التنفيذ.

Danksharding:

Danksharding يتضمن تقسيم مجموعات كبيرة من البيانات إلى أجزاء أصغر للفصل والمعالجة، غالباً بالتوازي. هذه الطريقة تُستخدم في مجالات البيانات الضخمة والذكاء الاصطناعي حيث مجموعات التدريب قد تكون كبيرةً جداً.

Proto-danksharding (EIP-4844) لا يقوم بتطبيق التجزئة لكنه يوفر مساحة تخزين (calldata) أرخص يمكن تجزئتها. مساحة تخزين (calldata) الأرخص هذه ستقوم إلى حد كبير بتحسين قابلية التوسع لإيثريوم على الطبقة 2، مما قد يجعل التجزئة زائداة عن الحاجة.

Proto-danksharding:

مع Proto-danksharding، سلسلة كتل إيثريوم سيكون لديها حوسبة غير قابلة للتوسع وبيانات قابلة للتوسع. عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZkRollups) بشكل أساسي ستحول هذه البيانات القابلة للتوسع والحوسبة غير القابلة للتوسع لكن الموثوقة إلى حوسبة قابلة للتوسع.

عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZKRollups) في المعضلة الثلاثية لسلسلة الكتل:

عمليات تجميع معاملات المعرفة الصفرية (ZKRollups) لديها مزايا قابلية توسع قوية دون تغيير الخصائص الأساسية لسلسلة الكتل. للتحقق من أن إثبات المعرفة الصفرية على سلسلة الكتل (on-chain) هو المطلب الرئيسي، في حين يمكن تنفيذ توفر البيانات خارج سلسلة الكتل (off-chain). على المدى الطويل، يمكن أن يتوقع المرء أن الطبقة 1 ستصبح بسيطةً وآمنةً ومن المحتمل لامركزيةً في حين ستوفر الطبقة 2 قابلية التوسع.

ما هو المقابل؟

الطبقة 2 يمكن بالفعل أن تتوسع كثيراً. مع ذلك، كي تتم التسوية على سلسلة الكتل (on-chain) (على الطبقة 1)، نحتاج إلى إنتاج إثبات صلاحية للحالة العامة للطبقة 2، مما يتسبب في مشكلات المركزية. حالياً، تصميمات الطبقة 2 لها مُثبِت واحد فقط، مما يعني أن بإمكانه فرض رقابة على معاملاتك. لا يتمكنوا حقاً من تجميد أصولك على الطبقة 1 منذ تم بناء الجسور الأصلية. البحث لا يزال قائماً للتغلب على هذا التحدي، ما يسمح للأطراف الأخرى بإمكانية إصدار الإثباتات، ولكن تتبقى بعض الأسئلة الصعبة المتعلقة بالتحكيم بين هذه الإثباتات. في جميع الحالات هذه مشكلة مهمة يجب حلها في المستقبل.

Starknet حددت هذا الموضوع كموضوع هام على خارطة الطريق، بينما قسَّمت Arbitrum المسؤولية بين صندوق الوارد المسلسل وصندوق الوارد المتأخر لضمان إمكانية استرداد الأموال في حالة الرقابة.

أفكار ختامية

كما شهدنا، إن قابلية التوسع يمكن أن تأتي على حساب الأمان واللامركزية، بينما حلول الطبقة 2 يُنظر إليها على أنها أكثر الطرق الواعدة لزيادة قابلية التوسع دون التضحية بالجوانب الأخرى للمعضلة الثلاثية لسلسلة الكتل.

عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups) وعمليات تجميع إثباتات الصلاحية (validity rollups)، باستخدام تقنية إثبات المعرفة الصفرية، ستكون حيويةً في تشكيل مستقبل إيثريوم من خلال تمكين المعاملات بدون الثقة والمعقدة وبدون الإذن المسبق على نطاق واسع. عمليات تجميع الصلاحية (validity rollups) لديها ميزة مهمة عن عمليات تجميع المعاملات التفاؤلية (optimistic rollups): القطعية الحسمية القصيرة. خارطة طريق إيثريوم تحولت مؤخراً لدعم عمليات التجميع هذه على مستوى سلسلة الكتل.

مستقبل قابلية التوسع لسلسلة الكتل يتضمن التطبيقات اللامركزية (DApps) المعقدة التي تعمل على الطبقة 2 (أو عمليات التجميع التكرارية)، مما يتيح قابلية توسع تقريباً لا محدودة، مع توفير اللامركزية وأمان الطبقة 1. على المدى الطويل، الطبقة 1 يُمكن أن تُصبح طبقات تسوية، مع انتقال تعقيد التطبيقات اللامركزية (DApps) إلى الطبقة 2.