مقال واحد لفهم عملية التكرار لآلية الإجماع الخاصة بـ Arweave

المؤلف: Arweave المصدر: X, @ArweaveOasis

نظام Arweave البيئي منذ إطلاقه في عام 2018، تم اعتباره أحد أكثر الشبكات قيمة في دائرة التخزين اللامركزية. ولكن في غمضة عين، بعد مرور 5 سنوات، أصبح العديد من الأشخاص مألوفين وغير مألوفين لـ Arweave/AR نظرًا لخصائصها التي تعتمد على التكنولوجيا. تبدأ هذه المقالة بمراجعة تاريخ التطور التكنولوجي لشركة Arweave منذ إنشائها لتعزيز الفهم المتعمق لدى الجميع لـ Arweave.
شهدت Arweave أكثر من عشر ترقيات تكنولوجية رئيسية خلال 5 سنوات. والهدف الأساسي لتكراراتها الرئيسية هو التحول من آلية التعدين التي تهيمن عليها الحوسبة إلى آلية التعدين التي يهيمن عليها التخزين.

Arweave 1.5: إطلاق الشبكة الرئيسية
تم إطلاق Arweave mainnet في 18 نوفمبر 2018. كان حجم الشبكة المضفرة في ذلك الوقت 177 ميجابايت فقط. كانت Arweave المبكرة مشابهة لليوم في بعض الجوانب، مع وقت كتلة مدته دقيقتان وبحد أقصى 1000 معاملة لكل كتلة. أبعد من ذلك، هناك المزيد من الجوانب المختلفة، مثل الحد الأقصى للحجم وهو 5.8 ميجابايت فقط لكل معاملة. ويستخدم آلية تعدين تسمى إثبات الوصول.
السؤال إذن هو، ما هو إثبات الوصول (PoA)؟
 
ببساطة، من أجل إنشاء كتلة جديدة، يجب على القائمين بالتعدين إثبات أن لديهم إمكانية الوصول إلى كتل أخرى في تاريخ blockchain. لذا فإن إثبات الوصول يختار عشوائيًا كتلة تاريخية من السلسلة ويطلب من القائمين بالتعدين وضع تلك الكتلة التاريخية ككتلة استدعاء (كتلة استدعاء) في الكتلة الحالية التي يحاولون إنشاؤها. وستكون هذه نسخة احتياطية كاملة من كتلة التتبع هذه. كانت الفكرة هي أن القائمين بالتعدين لم يضطروا إلى تخزين جميع الكتل، طالما تمكنوا من إثبات أن لديهم إمكانية الوصول إلى الكتل، فيمكنهم التنافس في التعدين. (استخدم Dmac تشبيه السباق في الفيديو الخاص به لتسهيل الفهم، وهو مقتبس هنا.)
أولاً، تحتوي هذه اللعبة على خط نهاية، والذي سيتحرك مع عدد المشاركين أو سرعة التعدين، وذلك للتأكد تنتهي اللعبة دائمًا خلال دقيقتين تقريبًا. هذا هو السبب وراء وقت الكتلة لمدة دقيقتين.
ثانيا، تنقسم هذه اللعبة إلى قسمين.
·الجزء الأول، والذي يمكن تسميته بالجولة التأهيلية، يجب على المعدنين إثبات قدرتهم على الوصول إلى الكتل التاريخية. بمجرد حصولك على الكتلة المخصصة في متناول اليد، يمكنك الدخول إلى النهائيات. إذا لم يكن لدى القائمين بالتعدين كتلة مخزنة، فلا يهم، فلا يزال بإمكانهم الوصول إليها من أقرانهم والانضمام إلى المنافسة أيضًا.
·الجزء الثاني يعادل النهائيات بعد الجولة التأهيلية. هذا الجزء هو استخدام قوة حوسبة التجزئة في التعدين بطريقة إثبات العمل البحتة. في جوهرها، يستهلك طاقة لحساب التجزئة ويفوز في النهاية بالجائزة. لعبة.
بمجرد أن يعبر عامل المنجم خط النهاية، تنتهي اللعبة وتبدأ اللعبة التالية. جميع مكافآت التعدين مملوكة لفائز واحد، مما يجعل التعدين مكثفًا للغاية. ونتيجة لذلك، بدأت Arweave في النمو بسرعة.

Arweave 1.7: RandomX
كان مبدأ Arweave المبكر عبارة عن آلية بسيطة جدًا وسهلة الفهم، لكنها لم تكن كذلك لن يستغرق الباحثون وقتًا طويلاً حتى يدركوا العواقب غير المرغوب فيها المحتملة. أي أن القائمين بالتعدين قد يعتمدون بعض الاستراتيجيات التي تضر بالشبكة، وهو ما نطلق عليه الاستراتيجيات الفاسدة.
يرجع السبب الرئيسي في ذلك إلى أن بعض القائمين بالتعدين يضطرون إلى الوصول إلى الكتل الخاصة بأشخاص آخرين عندما لا يقومون بتخزين كتل الوصول السريع المحددة، مما يجعلهم أبطأ بخطوة واحدة من القائمين بالتعدين الذين قاموا بتخزين الكتل ويخسرون عند خط البداية. لكن الحل بسيط أيضًا، ما عليك سوى تكديس الكثير من وحدات معالجة الرسومات لتعويض هذا الخلل مع الكثير من قوة الحوسبة واستهلاك الكثير من الطاقة، حتى يتمكنوا حتى من التفوق على القائمين بالتعدين الذين يقومون بتخزين الكتل والحفاظ على الوصول السريع. إذا أصبحت هذه الإستراتيجية سائدة، فلن يقوم القائمون بالتعدين بتخزين الكتل ومشاركتها. وبدلا من ذلك، سوف يستمرون في تحسين معدات الحوسبة واستهلاك كميات كبيرة من الطاقة للفوز بالمنافسة. وستكون النتيجة النهائية هي تقليل فائدة الشبكة بشكل كبير، وتصبح البيانات مركزية تدريجيًا. من الواضح أن هذا يعد خروجًا فاسدًا لشبكات التخزين.

لحل هذه المشكلة ظهر الإصدار 1.7 من Arweave.
الميزة الأكبر لهذا الإصدار هي تقديم آلية تسمى RandomX. إنها صيغة تجزئة يصعب تشغيلها على وحدة معالجة الرسومات أو جهاز ASIC، مما يجعل القائمين بالتعدين يتخلون عن تكديس قوة حوسبة وحدة معالجة الرسومات ويستخدمون فقط وحدات المعالجة المركزية ذات الأغراض العامة للتنافس في منافسة قوة التجزئة.
Arweave 1.8/1.9: حجم معاملة 10 ميجا بايت مع SQL lite
بالنسبة للقائمين بالتعدين، هناك أمور أكثر أهمية يجب التعامل معها إلى جانب إثبات قدرتهم على الوصول إلى الكتل التاريخية، أي معالجة المعاملات نشرها المستخدمون إلى Arweave.
يجب تجميع جميع بيانات معاملات المستخدم الجديدة في كتل جديدة، وهو الحد الأدنى من متطلبات السلسلة العامة. في شبكة Arweave، عندما يرسل مستخدم بيانات معاملة إلى عامل تعدين، لن يقوم عامل التعدين بتجميع البيانات في الكتلة التي هو على وشك إرسالها فحسب، بل سيشاركها أيضًا مع عمال التعدين الآخرين، بحيث يمكن لجميع عمال التعدين أن تكون بيانات المعاملة هذه تعبئتها في الكتل المعنية لتقديمها. لماذا يفعلون ذلك؟ هناك سببان على الأقل لذلك:
· يتم تحفيزهم ماليًا للقيام بذلك لأن كل بيانات معاملة مضمنة في الكتلة تزيد من مكافأة تلك الكتلة. يقوم القائمون بالتعدين بمشاركة بيانات المعاملات مع بعضهم البعض لضمان حصول كل من يفوز بالحق في إنتاج الكتلة على الحد الأقصى من المكافأة.
·منع دوامة الموت لتطوير الشبكة. إذا لم يتم تجميع بيانات معاملات المستخدمين في كثير من الأحيان في كتل، فسوف يكون هناك عدد أقل من المستخدمين، وسوف تفقد الشبكة قيمتها، وسوف ينخفض ​​دخل القائمين بالتعدين أيضًا. وهذا شيء لا يريد أحد رؤيته.
لذا يختار القائمون بالتعدين تعظيم مصالحهم الخاصة بهذه الطريقة ذات المنفعة المتبادلة. ولكن هذا يؤدي إلى مشكلة في نقل البيانات، والتي تصبح عنق الزجاجة أمام قابلية التوسع في الشبكة. كلما زاد عدد المعاملات، زادت الكتل، ولا يساعد حد المعاملات البالغ 5.8 ميجابايت. لذلك، حصلت Arweave على بعض الراحة من خلال الانقسام الكلي وزيادة حجم المعاملة إلى 10 ميجابايت.

ولكن حتى مع ذلك، لم يتم حل مشكلة عنق الزجاجة في الإرسال. Arweave هي شبكة من عمال المناجم موزعة عالميًا، ويحتاج جميع المعدنين إلى مزامنة حالتهم. ولكل عامل تعدين سرعة اتصال مختلفة، مما يمنح الشبكة سرعة اتصال متوسطة. لكي تتمكن الشبكة من إنتاج كتلة جديدة كل دقيقتين، يجب أن تكون سرعة الاتصال سريعة بما يكفي لتحميل جميع البيانات المتوقع تخزينها في هاتين الدقيقتين. إذا قام المستخدمون بتحميل بيانات تتجاوز متوسط ​​سرعة الاتصال بالشبكة، فسيؤدي ذلك إلى حدوث ازدحام وتقليل فعالية الشبكة. سيصبح هذا حجر عثرة أمام تطوير Arweave. ولذلك، يستخدم الإصدار المحدث اللاحق 1.9 البنية الأساسية مثل SQL lite لتحسين أداء الشبكة.
Arweave 2.0: SPoA
في مارس 2020، قدم تحديث Arweave 2.0 تحديثين مهمين للشبكة، وبالتالي رفع أغلال قابلية التوسع في الشبكة وكسر القيود المفروضة على قابلية التوسع في الشبكة. لقدرات تخزين البيانات على Arweave.
التحديث الأول هو دليل مقتضب. تم بناء هذا على بنية تشفير شجرة Merkle، والتي تمكن القائمين بالتعدين من إثبات أنهم قاموا بتخزين جميع البايتات في كتلة من خلال توفير مسار فرعي مضغوط بسيط يشبه شجرة Merkle. التغيير الذي يجلبه هو أن القائمين بالتعدين يحتاجون فقط إلى حزم دليل موجز أقل من 1 كيلو بايت في الكتلة، بدلاً من تعبئة كتلة تتبع قد تكون 10 جيجا بايت.
التحديث الثاني هو "تنسيق المعاملات 2". يعمل هذا الإصدار على تحسين تنسيق المعاملة من أجل تقليص كتل نقل البيانات المشتركة بين العقد. بالمقارنة مع وضع "معاملة التنسيق 1" الذي يتطلب إضافة رأس المعاملة والبيانات إلى الكتلة في نفس الوقت، يسمح وضع "معاملة التنسيق 2" بفصل رأس المعاملة والبيانات، أي في المشاركة و نقل بيانات معلومات الكتلة بين عقد التعدين، بالإضافة إلى الدليل المختصر للكتل التراجعية، تحتاج جميع المعاملات فقط إلى إضافة رؤوس المعاملات إلى الكتلة، ويمكن إضافة بيانات المعاملة إلى الكتلة بعد انتهاء المنافسة. سيؤدي هذا إلى تقليل متطلبات النقل بشكل كبير عند مزامنة المعاملات داخل الكتلة بين عقد التعدين.
تمثلت نتيجة هذه التحديثات في إنشاء كتل أخف وأسهل في الإرسال مما كانت عليه في الماضي، مما يؤدي إلى تحرير النطاق الترددي الزائد في الشبكة. سيستخدم القائمون بالتعدين هذا النطاق الترددي الزائد لنقل بيانات "معاملات التنسيق 2" لأن هذه البيانات ستصبح كتل استرجاع في المستقبل. وبالتالي، تم حل مشكلة قابلية التوسع.
Arweave 2.4: SPoRA

هل تم حل جميع المشكلات في شبكة Arweave حتى الآن؟ ومن الواضح ان الجواب لا. تنشأ مشكلة أخرى بسبب آلية SPoA الجديدة.
ظهرت مرة أخرى استراتيجية تعدين مشابهة لاستراتيجية التعدين التي يقوم بها عمال المناجم الذين يقومون بتكديس قوة حوسبة وحدة معالجة الرسومات. على الرغم من أن هذه المرة ليست مشكلة مركزية طاقة الحوسبة في تكديس وحدة معالجة الرسومات، إلا أنها تجلب استراتيجية سائدة قد تكون أكثر تركيزًا على الحوسبة. هذا هو المكان الذي تأتي فيه مجمعات التخزين ذات الوصول السريع. يتم تخزين جميع الكتل التاريخية في مجمعات التخزين هذه، وعندما تنشئ إثباتات الوصول كتلة مراجعة عشوائية، يمكنها إنشاء إثباتات بسرعة ثم المزامنة بين القائمين بالتعدين بسرعات عالية للغاية.
على الرغم من أن هذا لا يبدو مشكلة كبيرة، إلا أنه لا يزال من الممكن أن تحصل البيانات على ما يكفي من النسخ الاحتياطي والتخزين في مثل هذه الإستراتيجية. ولكن المشكلة هي أن هذه الاستراتيجية سوف تحول بمهارة تركيز القائمين بالتعدين. ولم يعد القائمون بالتعدين لديهم الحافز للحصول على وصول عالي السرعة إلى البيانات، لأنه أصبح الآن من السهل والسريع للغاية نقل الأدلة، لذا فسوف يستثمرون معظم طاقتهم. في إثبات العمل، في عملية التجزئة، وليس تخزين البيانات. أليس هذا مجرد شكل آخر من أشكال الاستراتيجية الفاسدة؟

ونتيجة لذلك، خضعت Arweave للعديد من الترقيات الوظيفية، مثل تكرار فهرس البيانات (الفهرسة)، وضغط قائمة المحفظة (قائمة المحفظة)، وترحيل بيانات معاملات الإصدار V1، إلخ. . أخيرًا تم الدخول في تكرار إصدار رئيسي آخر - SPoRA، وهو دليل موجز للوصول العشوائي.
تقدم SPoRA بالفعل Arweave إلى عصر جديد. ومن خلال تكرار الآلية، يتحول اهتمام القائمين بالتعدين من حساب التجزئة إلى تخزين البيانات.
إذن، ما الفرق الذي يحدثه الدليل الموجز للوصول العشوائي؟
يحتوي أولاً على شرطين أساسيين،
·مجموعة البيانات المفهرسة. بفضل ميزة الفهرسة التكرارية في الإصدار 2.1، فإنها تحدد كل قطعة بيانات (قطعة) في شبكة النسيج بإزاحة عالمية بحيث يمكن الوصول إلى كل قطعة بيانات بسرعة من خلال هذه الإزاحة العامة. يقودنا هذا إلى الآلية الأساسية لـ SPoRA - الاسترداد المستمر لكتل ​​البيانات. ومن الجدير بالذكر أن كتلة البيانات (Chunk) المذكورة هنا هي أصغر وحدة بيانات بعد تقسيم ملف كبير، ويبلغ حجمها 256 كيلو بايت. إنه ليس مفهوم الكتلة.
·التجزئة البطيئة. يتم استخدام هذا التجزئة لاختيار القطع المرشحة بشكل عشوائي. بفضل خوارزمية RandomX المقدمة في الإصدار 1.7، لا يستطيع القائمون بالتعدين استخدام تكديس طاقة الحوسبة للمضي قدمًا ويمكنهم فقط استخدام وحدة المعالجة المركزية لإجراء العمليات الحسابية.
بناءً على هذين الشرطين الأساسيين، تتكون آلية SPoRA من 4 خطوات
الخطوة الأولى هي إنشاء رقم عشوائي واستخدام الرقم العشوائي ومعلومات الكتلة السابقة لإنشاء تجزئة بطيئة من خلال RandomX؛
الثانية في الخطوة الأولى، استخدم هذا التجزئة البطيئة لحساب بايت التتبع الفريد (استدعاء البايت، وهو الإزاحة العامة لكتلة البيانات)؛
في الخطوة الثالثة، يستخدم المُعدِّن بايت التتبع هذا للعثور على التتبع المقابل بايت في مساحة التخزين الخاصة به.كتلة البيانات. إذا لم يقم المُعدن بتخزين كتلة البيانات، فارجع إلى الخطوة الأولى وابدأ مرة أخرى؛
 
الخطوة الرابعة هي استخدام التجزئة البطيئة التي تم إنشاؤها في الخطوة الأولى وكتلة البيانات التي تم العثور عليها حديثًا لإجراء عملية التجزئة السريعة؛
الخطوة الخامسة، إذا كانت نتيجة التجزئة المحسوبة أكبر من قيمة صعوبة التعدين الحالية، فسيتم الانتهاء من تعدين الكتلة وتوزيعها. وإلا فارجع إلى الخطوة الأولى وابدأ من جديد.
كما ترون هنا، هناك حافز كبير للقائمين بالتعدين لتخزين أكبر قدر ممكن من البيانات على محركات الأقراص الثابتة التي يمكن توصيلها بوحدات المعالجة المركزية الخاصة بهم عبر ناقلات سريعة جدًا، بدلاً من مستودعات التخزين البعيدة. أكملت تحويل استراتيجية التعدين من الموجهة نحو الحساب إلى الموجهة نحو التخزين.
Arweave 2.5: التعبئة وانفجار البيانات
يجعل SPoRA القائمين بالتعدين يبدأون في تخزين البيانات بجنون لأن هذا هو أدنى ثمرة معلقة لتحسين كفاءة التعدين. إذن ماذا سيحدث بعد ذلك؟
أدرك بعض عمال المناجم الأذكياء أن عنق الزجاجة في ظل هذه الآلية كان في الواقع مدى سرعة الحصول على البيانات من القرص الصلب. كلما زاد عدد كتل البيانات التي تم الحصول عليها من القرص الصلب، كلما أمكن حساب البراهين الأكثر إيجازًا، وزاد عدد عمليات التجزئة التي يمكن تنفيذها، وزادت فرصة التعدين.
لذا، إذا أنفق المُعدن عشرة أضعاف التكلفة على القرص الصلب، مثل استخدام SSD مع سرعات قراءة وكتابة أسرع لتخزين البيانات، فإن قوة التجزئة التي يتمتع بها المُعدن ستكون أكبر بعشر مرات. وبطبيعة الحال، سيكون هناك أيضًا سباق تسلح مشابه لقوة الحوسبة الخاصة بوحدة معالجة الرسومات. ستظهر أيضًا تنسيقات تخزين أسرع من محركات أقراص SSD، مثل محركات أقراص RAM، وتنسيقات تخزين غريبة ذات سرعات نقل أسرع. ولكن كل هذا يتوقف على نسبة المدخلات والمخرجات.
الآن، أسرع سرعة يمكن للقائم بالتعدين من خلالها إنشاء التجزئات هي سرعة القراءة والكتابة لمحرك الأقراص الثابتة SSD، والذي يحدد حدًا أعلى أدنى لاستهلاك الطاقة مشابهًا لنموذج PoW، مما يجعله أكثر صداقة للبيئة.
هل هذا مثالي؟ بالطبع ليس بعد. يعتقد الفنيون أن بإمكانهم القيام بعمل أفضل على هذا الأساس.
من أجل تحميل كمية أكبر من البيانات، يقدم Arweave 2.5 آلية حزمة البيانات. على الرغم من أن هذه ليست ترقية للبروتوكول حقًا، إلا أنها كانت جزءًا مهمًا من خطة قابلية التوسع، مما سمح للشبكة بالتوسع في الحجم. لأنه يكسر 1000 معاملة لكل سقف كتلة تحدثنا عنه في البداية. تستهلك حزمة البيانات واحدة فقط من تلك المعاملات الـ 1000. وضع هذا الأساس لـ Arweave 2.6.

Arweave 2.6
يعد Arweave 2.6 ترقية رئيسية للإصدار منذ SPoRA. لقد اتخذت خطوة أخرى نحو رؤيتها المتمثلة في جعل تعدين Arweave أكثر فعالية من حيث التكلفة لتعزيز توزيع أكثر لا مركزية للقائمين بالتعدين.
فما هو الفرق بالضبط؟ نظرًا لقضايا المساحة، سيتم تقديم مقدمة مختصرة فقط هنا، وفي المستقبل، سيتم شرح تصميم آلية Arweave 2.6 بمزيد من التفصيل.
لتبسيط الأمر، فإن Arweave 2.6 هو الإصدار محدود السرعة من SPoRA. فهو يقدم ساعة تشفير يمكن التحقق منها إلى SPoRA والتي يمكن أن تحدد مرة واحدة في الثانية، وهو ما نسميه Hash Chain.
·يقوم بإنشاء تجزئة التعدين (تجزئة التعدين) كل علامة،
·يختار القائمون بالتعدين فهرسًا لقسم البيانات المخزنة لديهم للمشاركة في التعدين،
·يجمع تجزئة التعدين هذا مع فهرس القسم، نطاق تتبع يمكن إنشاؤها في قسم البيانات المخزنة الذي حدده القائم بالتعدين. يتضمن نطاق التتبع هذا 400 كتلة تتبع. هذه هي كتل التتبع التي يمكن للمعدن استخدامها للتعدين. بالإضافة إلى نطاق التتبع هذا، سيتم إنشاء نطاق تتبع آخر 2 بشكل عشوائي في شبكة النسج (Weave). إذا قام القائم بالتعدين بتخزين أقسام بيانات كافية، فيمكنه الحصول على هذا النطاق 2، وهو عبارة عن 400 كتلة تتبع أخرى. فرص التعدين لزيادة فرصة النصر النهائي. وهذا يخلق حافزًا جيدًا لعمال المناجم لتخزين نسخ كافية من أقسام البيانات.
·يستخدم القائمون بالتعدين كتل البيانات ضمن نطاق التتبع لاختبارها واحدة تلو الأخرى. إذا كانت النتيجة أكبر من صعوبة الشبكة المعطاة حاليًا، فإنهم يفوزون بالحق في التعدين. وإذا لم يكن الأمر كذلك، فسيتم استخدام كتلة البيانات التالية للاختبار.

وهذا يعني أن الحد الأقصى لعدد التجزئة التي سيتم إنشاؤها في الثانية ثابت، ويتحكم الإصدار 2.6 في هذا العدد إلى مستوى يمكن التعامل معه بواسطة القرص الصلب الميكانيكي العادي الأداء.ضمن النطاق. وهذا يجعل السرعة القصوى لمحرك الأقراص الصلبة SSD الأصلي، والتي تبلغ آلاف أو مئات الآلاف من التجزئات في الثانية، تصبح عرضًا، ولا يمكنها التنافس إلا مع محركات الأقراص الصلبة الميكانيكية بسرعة عدة مئات من التجزئات في الثانية. إنه مثل سيارة لامبورغيني تتنافس مع سيارة تويوتا بريوس في سباق تبلغ السرعة القصوى فيه 60 كيلومترا في الساعة، وميزة لامبورغيني محدودة إلى حد كبير. ولذلك، فإن أكبر مساهم في أداء التعدين الآن هو عدد مجموعات البيانات المخزنة بواسطة القائمين بالتعدين.
ما سبق هو بعض المعالم التكرارية المهمة في تاريخ تطوير Arweave. من PoA إلى SPoA إلى SPoRA إلى الإصدار المحدود السرعة من Arweave 2.6، SPoRA، تم دائمًا اتباع الرؤية الأصلية. في 26 ديسمبر 2023، أصدرت Arweave رسميًا الإصدار 2.7 من الورقة البيضاء، والتي أجرت تعديلات كبيرة بناءً على هذه الآليات وطورت آلية الإجماع إلى دليل النسخ البسيط لـ SPoRes.