پروژه Paxos: ستون فقرات اعتماد در دنیای رمزارزها

تا به حال به این فکر کرده‌اید که چطور تراکنش‌های رمزارزی شما با اطمینان و بدون دستکاری ثبت می‌شوند؟ یا اینکه چه مکانیزم‌هایی پشت صحنه وجود دارند که این اطمینان را به ما می‌دهند؟ در این مقاله، قصد داریم به بررسی یکی از این مکانیزم‌های کلیدی به نام “Paxos” بپردازیم و ببینیم چگونه در دنیای رمزارزها، امنیت و اعتماد را تضمین می‌کند.

Paxos چیست و چرا اهمیت دارد؟

Paxos در اصل یک خانواده از پروتکل‌های اجماع است که برای حل مشکل دستیابی به توافق در یک سیستم توزیع‌شده طراحی شده‌اند. به بیان ساده‌تر، در یک سیستم توزیع‌شده که چندین گره (Node) در آن شرکت دارند، Paxos به این گره‌ها کمک می‌کند تا در مورد یک مقدار واحد به توافق برسند، حتی اگر برخی از این گره‌ها دچار خرابی شوند یا پیام‌ها در طول مسیر از بین بروند. این موضوع به خصوص در بلاکچین‌ها و سیستم‌های رمزارزی اهمیت زیادی دارد، زیرا:

• تضمین یکپارچگی داده‌ها: Paxos اطمینان می‌دهد که تمام گره‌های موجود در شبکه، دیدگاه یکسانی از تاریخچه تراکنش‌ها دارند.
• تحمل خطا: Paxos به سیستم اجازه می‌دهد تا در صورت خرابی برخی از گره‌ها، به کار خود ادامه دهد. این موضوع برای حفظ دسترس‌پذیری سیستم بسیار مهم است.
• جلوگیری از حملات: با دستیابی به اجماع، Paxos از دستکاری داده‌ها توسط بازیگران مخرب جلوگیری می‌کند.

در دنیای رمزارزها، جایی که امنیت و اعتماد حرف اول را می‌زند، Paxos نقشی حیاتی ایفا می‌کند. بدون مکانیزم‌های اجماع مانند Paxos، بلاکچین‌ها عملاً غیرقابل اعتماد خواهند بود.

معماری Paxos: گام به گام برای اجماع

برای درک بهتر Paxos، بیایید به معماری آن نگاهی دقیق‌تر بیندازیم. Paxos از سه نقش اصلی تشکیل شده است:

• پیشنهاددهنده (Proposer): گره‌ای که یک مقدار را برای تصویب پیشنهاد می‌دهد.
• پذیرنده (Acceptor): گره‌ای که تصمیم می‌گیرد یک پیشنهاد را بپذیرد یا رد کند.
• یادگیرنده (Learner): گره‌ای که نتیجه اجماع را یاد می‌گیرد و آن را به سایر قسمت‌های سیستم اطلاع می‌دهد.

فرایند اجماع در Paxos به دو فاز اصلی تقسیم می‌شود:

فاز آماده‌سازی (Prepare Phase)

در این فاز، پیشنهاددهنده یک شماره پیشنهاد (Proposal Number) منحصر به فرد و بزرگ‌تر از شماره‌های قبلی خود ایجاد می‌کند و آن را به همراه پیام “Prepare” برای اکثریت پذیرنده‌ها ارسال می‌کند. هدف از این فاز این است که پیشنهاددهنده مطمئن شود که هیچ پیشنهادی با شماره کوچکتر از شماره پیشنهاد او پذیرفته نشده است.

پذیرنده پس از دریافت پیام “Prepare”، دو حالت ممکن است داشته باشد:

• اگر قبلاً پیشنهادی با شماره بزرگتر از شماره پیشنهاد فعلی پذیرفته باشد: پذیرنده پیام “Promise” را با شماره پیشنهاد و مقدار پیشنهادی که قبلاً پذیرفته است، به پیشنهاددهنده برمی‌گرداند. این به پیشنهاددهنده اطلاع می‌دهد که باید مقدار پیشنهاد خود را با مقدار پیشنهادی که قبلاً پذیرفته شده است، جایگزین کند.
• اگر قبلاً پیشنهادی با شماره بزرگتر از شماره پیشنهاد فعلی نپذیرفته باشد: پذیرنده پیام “Promise” را بدون مقدار پیشنهادی به پیشنهاددهنده برمی‌گرداند. این به پیشنهاددهنده اطلاع می‌دهد که می‌تواند با خیال راحت مقدار پیشنهادی خود را ارسال کند.

فاز پذیرش (Accept Phase)

اگر پیشنهاددهنده از اکثریت پذیرنده‌ها پیام “Promise” دریافت کند، وارد فاز پذیرش می‌شود. در این فاز، پیشنهاددهنده یک پیام “Accept” را به همراه شماره پیشنهاد و مقدار پیشنهادی (که ممکن است با مقدار اولیه خودش متفاوت باشد) برای تمام پذیرنده‌ها ارسال می‌کند.

پذیرنده پس از دریافت پیام “Accept”، یک حالت ممکن دارد:

• اگر قبلاً پیشنهادی با شماره بزرگتر از شماره پیشنهاد فعلی نپذیرفته باشد: پذیرنده پیشنهاد را می‌پذیرد و پیام “Accepted” را به پیشنهاددهنده و سایر یادگیرنده‌ها ارسال می‌کند.
• اگر قبلاً پیشنهادی با شماره بزرگتر از شماره پیشنهاد فعلی پذیرفته باشد: پذیرنده پیشنهاد را رد می‌کند و هیچ پیامی ارسال نمی‌کند.

پس از اینکه اکثریت پذیرنده‌ها یک پیشنهاد را پذیرفتند، اجماع حاصل می‌شود و یادگیرنده‌ها از این نتیجه مطلع می‌شوند. این نتیجه به عنوان یک حقیقت قطعی در سیستم ثبت می‌شود.

مثال: فرض کنید سه گره (A، B و C) در یک شبکه بلاکچین وجود دارند و می‌خواهند در مورد اینکه کدام تراکنش باید به بلاک بعدی اضافه شود، به توافق برسند. گره A به عنوان پیشنهاددهنده، تراکنش X را پیشنهاد می‌دهد. گره‌های B و C به عنوان پذیرنده عمل می‌کنند. اگر هر دو گره B و C پیشنهاد گره A را بپذیرند، تراکنش X به عنوان تراکنش معتبر برای اضافه شدن به بلاک بعدی انتخاب می‌شود.

چالش‌ها و راهکارهای Paxos

Paxos با وجود مزایای فراوان، چالش‌هایی نیز دارد:

• پیچیدگی: درک و پیاده‌سازی Paxos می‌تواند بسیار پیچیده باشد.
• لِیدر لایو (Leader Liveness): در برخی از پیاده‌سازی‌های Paxos، نیاز به یک رهبر (Leader) وجود دارد. اگر رهبر از کار بیفتد، سیستم ممکن است متوقف شود.
• عملکرد: در برخی از سناریوها، Paxos می‌تواند سربار عملکردی زیادی داشته باشد.

برای مقابله با این چالش‌ها، نسخه‌های مختلفی از Paxos توسعه یافته‌اند، از جمله:

• Multi-Paxos: این نسخه از Paxos به گره‌ها اجازه می‌دهد تا به طور همزمان در مورد چندین مقدار به توافق برسند، که باعث بهبود عملکرد سیستم می‌شود.
• Raft: Raft یک پروتکل اجماع است که به عنوان جایگزینی ساده‌تر و قابل فهم‌تر برای Paxos طراحی شده است.
• Fast Paxos: این نسخه از Paxos تلاش می‌کند تا با کاهش تعداد پیام‌های مورد نیاز برای دستیابی به اجماع، عملکرد سیستم را بهبود بخشد.

مثال: Raft، یک پروتکل اجماع جایگزین برای Paxos، در پایگاه داده توزیع‌شده etcd استفاده می‌شود. etcd به عنوان یک حافظه کلید-مقدار توزیع‌شده عمل می‌کند و از Raft برای اطمینان از سازگاری و یکپارچگی داده‌ها در سراسر خوشه استفاده می‌کند.

Paxos در دنیای رمزارزها: کاربردها و پیاده‌سازی‌ها

Paxos و پروتکل‌های مشابه آن در بسیاری از پروژه‌های رمزارزی و بلاکچینی به کار گرفته شده‌اند:

• Consensus Algorithms: Paxos یا نسخه‌های بهبود یافته آن می‌تواند به عنوان پایه و اساس الگوریتم‌های اجماع در بلاکچین‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
• State Machine Replication: از Paxos می‌توان برای تکثیر ماشین‌های حالت (State Machines) در یک سیستم توزیع‌شده استفاده کرد. این امر برای اطمینان از اینکه تمام گره‌ها در شبکه، دیدگاه یکسانی از وضعیت سیستم دارند، بسیار مهم است.
• Distributed Key-Value Stores: از Paxos می‌توان برای ساخت فروشگاه‌های کلید-مقدار توزیع‌شده استفاده کرد که می‌توانند حجم زیادی از داده‌ها را با قابلیت اطمینان بالا ذخیره و بازیابی کنند.

مثال: در برخی از بلاکچین‌های خصوصی (Permissioned Blockchains)، که تعداد گره‌ها محدود و شناخته شده است، از پروتکل‌های اجماع مبتنی بر Paxos برای دستیابی به توافق استفاده می‌شود. این پروتکل‌ها می‌توانند سرعت و کارایی تراکنش‌ها را در مقایسه با بلاکچین‌های عمومی (Permissionless Blockchains) بهبود بخشند.

مثال: پلتفرم بلاکچین Corda، که برای برنامه‌های کاربردی سازمانی طراحی شده است، از یک الگوریتم اجماع سفارشی استفاده می‌کند که بر اساس اصول Paxos استوار است. Corda از این الگوریتم برای اطمینان از اعتبار و یکپارچگی قراردادهای هوشمند و داده‌های تراکنشی استفاده می‌کند.

جمع‌بندی

Paxos یک پروتکل اجماع قدرتمند و پایه‌ای است که نقش مهمی در تضمین امنیت و اعتماد در سیستم‌های توزیع‌شده، به ویژه در دنیای رمزارزها، ایفا می‌کند. با وجود پیچیدگی‌هایی که دارد، درک اصول Paxos برای هر کسی که به دنبال درک عمیق‌تر از نحوه کارکرد بلاکچین‌ها و سایر سیستم‌های رمزارزی است، ضروری است. از تضمین یکپارچگی داده‌ها گرفته تا تحمل خطا و جلوگیری از حملات، Paxos ستون فقرات اعتماد در این سیستم‌ها است. امید است این مقاله به شما کمک کرده باشد تا با این مفهوم کلیدی آشنا شوید و درک بهتری از نحوه عملکرد سیستم‌های رمزارزی به دست آورید.