مقیاس‌پذیری چیست؟ بررسی مقیاس پذیری در بلاکچین به زبان ساده

فناوری بلاک‌چین ایجاد شبکه‌هایی را امکان‌پذیر کرده است که کاربران بتوانند بدون نیاز به قدرت مرکزی، در آن‌ها با یکدیگر تعامل داشته باشند. اداره و مدیریت تراکنش‌ها در شبکه بلاک‌چین بر عهده گره‌هاست. هرکدام از این گره‌ها یکی از اعضای اکوسیستم‌اند که به صورت مجزا از دیگران فعالیت می‌کنند. در ابتدای راه شبکه‌های بلاک‌چین، همه‌چیز عالی به نظر می‌رسید؛ تراکنش‌ها به‌سرعت پردازش می‌شد و ترافیک چندانی در آن وجود نداشت.

غافل از اینکه بلاک‌چین روزبه‌روز در حال بزرگ‌تر شدن بود. در برهه خاصی، به دلیل افزایش ترافیک تراکنش‌ها در شبکه‌های بلاک‌چین، مشکل مقیاس‌پذیری در کریپتوکارنسی (Cryptocurrency) نمود پیدا کرد. فناوری بلاک‌چین با چند چالش اساسی دست‌وپنجه نرم می‌کند؛ بدون تردید، مقیاس‌پذیری یکی از مهم‌ترین آن‌هاست که نگرانی‌های زیادی را به دنبال دارد.

در این مطلب قصد داریم به‌طور مفصل مفهوم مقیاس‌پذیری را بررسی کنیم. در کنار آن، موانع ارتقای مقیاس‌پذیری بلاک‌چین را با هم مرور خواهیم کرد. در پایان نیز تعدادی از بهترین راه‌حل‌هایی را که تاکنون برای این منظور ابداع شده است، معرفی می‌کنیم. با ما همراه باشید.

مفهوم مقیاس‌پذیری چیست؟

اجازه دهید بحث را با مثالی آغاز کنیم. در حال حاضر، بلاک‌چین بیت‌کوین می‌تواند هفت تراکنش را در ثانیه پردازش کند؛ این در حالی است که ویزاکارت (Visa Card) به‌طور میانگین ۱۷۰۰ تراکنش را در ثانیه پردازش می‌کند. همان‌طور که مشاهده می‌شود، اختلاف معناداری در این بین وجود دارد.

برای درک هر پدیده‌ای لازم است اجزا و عوامل تشکیل‌دهنده آن را بشناسیم. این موضوع درباره مقیاس‌پذیری هم صدق می‌کند. به‌طور کلی، سه مؤلفه اساسی در تعریف مفهوم مقیاس‌پذیری ایفای نقش می‌کنند که عبارت‌اند از:

۱. ظرفیت (Capacity)

در هر شبکه بلاک‌چین باید حجم زیادی از داده‌ها در زنجیره بلوکی ذخیره شوند؛ به عبارت دیگر، اطلاعات مربوط به تمام تراکنش‌ها از زمان ایجاد شبکه بلاک‌چین تا به امروز، باید نگهداری شوند. هریک از گره‌های فعال در شبکه نسخه‌ای از داده‌ها را در اختیار دارد. گره‌ها با مشکل محدودیت ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات مواجه‌اند؛ به همین دلیل، به‌مرور زمان با مشکل روبه‌رو می‌شوند.

بیشتر بخوانید: گره یا نود در بلاکچین

۲. شبکه‌سازی (Networking)

فرایند تأیید تراکنش‌ها و تشکیل بلوک‌ها در زنجیره بلاک‌چین باید زیرنظر تمام گره‌ها صورت بگیرد. ایجاد شبکه‌ای هماهنگ بین گره‌ها در بلاک‌چین به مکانیزم کارآمد و قابل اعتمادی نیازمند است که ارتباط بین آن‌ها را در کوتاه‌ترین زمان ممکن میسر کند. در حال حاضر، چالش شبکه‌سازی نیز سبب ایجاد تأخیر در انتقال داده‌ها در بستر بلاک‌چین می‌شود.

۳. توان عملیاتی (Throughput)

توان عملیاتی، مهم‌ترین مؤلفه در معرفی مقیاس‌پذیری بلاک‌چین است. به زبان ساده، منظور از توان عملیاتی زمان مورد نیاز برای تأیید تراکنش‌هاست. در کنار آن، اندازه بلوک‌ها در شبکه بلاک‌چین نیز در اینجا اهمیت پیدا می‌کند، زیرا با افزایش تراکنش‌های شبکه، اندازه بلوک‌ها نیز بزرگ‌تر می‌شود؛ بنابراین برای پردازش تراکنش‌ها به منابع اضافی نیاز داریم.

عوامل مؤثر بر مقیاس‌پذیری بلاک‌چین

تا اینجا مفهوم مقیاس‌پذیری را بررسی کردیم. در ادامه باید به پرسش اساسی دیگری پاسخ دهیم: چه عواملی برای مقیاس‌پذیری بلاک‌چین چالش ایجاد می‌کنند؟ به‌طور کلی، چهار عامل اساسی وجود دارد که روی مقیاس‌پذیری در ارز دیجیتال تأثیرگذار است. این عوامل عبارت‌اند از:

۱. محدودیت‌های سخت‌افزاری

مهم‌ترین عامل در ایجاد چالش مقیاس‌پذیری بلاک‌چین، محدودیت‌های سخت‌افزاری است. در ازای پردازش هر تراکنش جدید، گره‌ها باید اطلاعات مربوط به آن تراکنش را به دفتر کل توزیع‌شده اضافه کنند. به‌مرور زمان، سابقه ثبت و نگهداری تراکنش در شبکه افزایش پیدا می‌کند. از طرف دیگر، برای ایجاد امنیت در شبکه بلاک‌چین باید از تمام داده‌های موجود به‌دقت محافظت شود.

طبیعی است که بعد از مدتی، ذخیره داده‌ها مشکل سخت‌افزاری پیدا می‌کنند، زیرا عملاً تأمین زیرساخت مورد نیاز نگهداری داده‌ها برای گره‌ها دشوار می‌شود.

۲. هزینه‌های تراکنش

یکی دیگر از عواملی که سبب چالش مقیاس‌پذیری در کریپتو می‌شود، کارمزد بالای تراکنش‌هاست. با افزایش محبوبیت شبکه‌های بلاک‌چین، برای تأیید تراکنش‌ها و ایجاد بلوک‌ها، به قدرت محاسباتی بیشتری نیاز است؛ به همین دلیل، پیچیدگی‌ها در فرایند اعتبارسنجی تراکنش‌ها افزایش یافته است. کاربران برای تأیید تراکنش‌های خود باید هزینه خاصی بپردازند.

با افزایش ترافیک در شبکه، برخی از کاربران برای تسریع فرایند تأیید تراکنش‌های خود، هزینه‌های بیشتری می‌پردازند. به این ترتیب، کارمزد تراکنش‌ها در شبکه افزایش پیدا می‌کند. در پی این اتفاق، صف‌های طولانی‌تری هم برای تأیید تراکنش‌ها ایجاد می‌شود.

۳. اندازه بلوک

برای درک مفهوم مقیاس‌پذیری بلاک‌چین، توجه به اندازه بلوک بسیار مفید است. با افزایش تعداد تراکنش‌ها در شبکه بلاک‌چین، زمان اجرا برای تراکنش‌های بعدی بیشتر می‌شود. این اتفاق به دلیل اندازه بلوک‌هاست. برای مثال، در روزهای ابتدایی تشکیل شبکه بلاک‌چین بیت‌کوین، اندازه هر بلوک حدود یک مگابایت بود.

در همین زمان، تقریباً ۲۰۲۰ تراکنش در هر بلوک ذخیره می‌شد. به‌مرور زمان، با افزایش تعداد تراکنش‌ها در شبکه بیت‌کوین، اندازه بلوک‌ها نیز بزرگ‌تر شد؛ این مسئله برای مقیاس‌پذیری بیت‌کوین چالش ایجاد کرد.

۴. زمان پاسخ (Response Time)

هر تراکنش برای ثبت شدن در بلاک‌چین باید فرایند اعتبارسنجی را طی کند. افزایش تقاضا برای ثبت تراکنش، مدت زمان انتظار برای اعتبارسنجی را طولانی می‌کند. در حال حاضر، شبکه بیت‌کوین برای ساخت بلوک جدید به حدود ده دقیقه زمان نیاز دارد. این زمان در برخی از مواقع که ترافیک در شبکه به اوج خود می‌رسد، افزایش پیدا می‌کند.

چهار عامل اساسی را که به چالش مقیاس‌پذیری بلاک‌چین منجر می‌شوند، بررسی کردیم. وجه اشتراک تمام این موارد، آن است که با افزایش تعداد تراکنش‌ها و کاربران، قطعاً شبکه‌های بلاک‌چین دچار چالش می‌شوند. این چالش زمانی خطرناک می‌شود که شبکه‌های بلاک‌چین نتوانند ظرفیت لازم برای پذیرش تراکنش‌ها و کاربران جدید را فراهم کنند؛ به همین دلیل، بسیاری از متخصصان در زمینه بلاک‌چین، برای مشکل مقیاس‌پذیری به دنبال راه‌حل‌اند.

مشکل اصلی از کجاست؟‌

فناوری بلاک‌چین بین عموم با ویژگی کلیدی تمرکززدایی مشهور شده است، اما در واقعیت در ذات این فناوری سه مؤلفه اساسی وجود دارد که رابطه آن‌ها به‌هیچ‌وجه از یکدیگر تفکیک‌پذیر نیست. این سه مؤلفه عبارت‌اند از:

• تمرکززدایی
• امنیت
• مقیاس‌پذیری

به اعتقاد کارشناسان، در حال حاضر، توسعه شبکه بلاک‌چین با هر سه ویژگی یادشده امکان‌پذیر نیست. در بهترین حالت، شبکه می‌تواند دو ویژگی را در کنار هم داشته باشد. اجازه دهید کمی عمیق‌تر به این بحث بپردازیم.

در شبکه بلاک‌چین، اعتبارسنجی تراکنش‌ها باید با توافق بیشتر گره‌ها صورت بگیرد. وقتی در اکوسیستمی، تعداد کاربران و گره‌ها افزایش پیدا می‌کند، دستیابی به توافق بیشتر به طول می‌انجامد؛ بنابراین، به‌وضوح مشخص است که مقیاس‌پذیری با افزایش تمرکززدایی کاهش پیدا می‌کند.

فرض کنید در شبکه‌ای تمرکززدایی بدون تغییر باقی بماند. ممکن است با ارتقای نرخ هش ریت (HashRate) در بلاک‌چین بتوان علاوه بر ارتقای مقیاس‌پذیری، امنیت شبکه را نیز تا سطح مطلوبی افزایش داد؛ بنابراین، با ثابت نگهداشتن تمرکززدایی، می‌توان نوعی رابطه مستقیم بین امنیت و مقیاس‌پذیری به وجود آورد.

آنچه در حال حاضر مسلم به نظر می‌رسد، این است که در شبکه بلاک‌چین نمی‌توان به‌طور هم‌زمان هر سه مؤلفه امنیت، مقیاس‌پذیری و تمرکززدایی را با هم بهینه کرد.

راهکارهای حل مشکل مقیاس‌پذیری بلاک‌چین

در ادامه به این سؤال می‌پردازیم که راه‌های پیش رو برای ارتقای مقیاس‌پذیری چیست؟ تا به امروز، راهکارهای مختلفی برای این منظور ارائه شده‌اند. بسیاری از آن‌ها چندان موفق نبوده‌اند، اما برخی نیز دستاوردهای چشمگیری به ارمغان آورده‌اند. ازجمله بهترین راه‌حل‌هایی که برای برطرف کردن مشکل مقیاس‌پذیری بلاک‌چین معرفی شده‌اند، عبارت‌اند از:

۱. معرفی مکانیزم‌های اجماع بهتر

یکی از رایج‌ترین راه‌های پیشنهادی برای چالش مقیاس‌پذیری در ارز دیجیتال، ارتقای پروتکل‌های اجماع است. برای مثال، در شبکه‌های معروف بلاک‌چین مانند بیت‌کوین و اتریوم، به‌ترتیب از مکانیزم‌های اثبات کار و اثبات سهام استفاده می‌شود. این دو پروتکل از نظر امنیت عملکرد فوق‌العاده‌ای دارند، اما به‌مرور زمان و با افزایش کاربران، مشخص شد بسیار کُندند.

همچنین بخوانید: الگوریتم اجماع اثبات سهام (PoS)

در حال حاضر، نسخه‌های بهبودیافته‌ای از الگوریتم اثبات سهام در شبکه‌های بلاک‌چین ابداع شده‌اند. این الگوریتم‌ها با حفظ ویژگی‌های مثبت مکانیزم اثبات سهام، در پی راه‌حلی برای ارتقای مقیاس‌پذیری آن هستند.

۲. شاردینگ (Sharding)

یکی دیگر راه حل‌های پُرسروصدا برای برطرف کردن مشکل مقیاس‌پذیری بلاک‌چین، شاردینگ نام دارد. به کمک شاردینگ، تراکنش‌ها به مجموعه‌داده‌هایی با حجم کوچک‌تر تقسیم می‌شوند. در ادامه، به هریک از گره‌های فعال در شبکه، بخشی از داده‌ها تخصیص داده می‌شود. سپس شبکه به صورت موازی و هم‌زمان، آن‌ها را پردازش می‌کند. این روش سبب می‌شود که امکان پردازش تعداد بیشتری تراکنش در لحظه فراهم شود.

در وهله اول، شاید این طور به نظر برسد که شاردینگ سبب کاهش سطح امنیت شبکه‌های بلاک‌چین می‌شود؛ درحالی‌که چنین نیست. در مقاله دیگری به‌طور مفصل فناوری شاردینگ را بررسی کرده‌ایم. برای مطالعه بیشتر به مقاله شاردینگ (Sharding) چیست مراجعه کنید.

۳. هارد فورک (Hard Fork)

ساختار شبکه بلاک‌چین مبتنی بر مجموعه‌ای از الگوریتم‌هاست. هارد فورک به فرایندی گفته می‌شود که در آن ساختارهای بلاک‌چین دستخوش تغییر می‌شوند. برای مثال، با اجرای هارد فورک می‌توان اندازه بلوک‌ها را افزایش داد یا زمان لازم برای تشکیل بلوک را کمتر کرد.

اجرای هارد فورک دردسرهای زیادیی دارد و سبب می‌شود جامعه ارز دیجیتال به دو یا چند دسته تقسیم شود. در مقاله دیگری درباره هارد فورک بحث کرده‌ایم. برای مطالعه بیشتر به مقاله هارد فورک چیست مراجعه کنید.

۴. راه‌حل لایه دوم یا بلاک‌چین‌های تودرتو

یکی از راه‌حل‌های امیدوارکننده برای حل مشکل مقیاس‌پذیری اتریوم، بلاک‌چین تودرتو است. به کمک این راه‌حل پردازش تراکنش‌ها در بستر بلاک‌چین اصلی اتفاق نمی‌افتد، بلکه داده‌ها به زنجیره‌ای دیگر منتقل می‌شوند. پس از پردازش، داده‌ها بار دیگر به شبکه اصلی برمی‌گردند. به این ترتیب، عملاً بار روی شبکه اصلی کاهش پیدا می‌کند. اتریوم ۲/۰ با استفاده از راه‌حل لایه دوم به دنبال برطرف کردن مشکل مقیاس‌پذیری است.

سریع‌ترین شبکه‌های بلاک‌چین

یکی از شاخص‌های مهم در بحث مقیاس‌پذیری بلاک‌چین، تعداد تراکنش‌هایی است که در یک ثانیه در شبکه پردازش می‌شود. از این شاخص با عنوان TPS یاد می‌کنند. TPS بیشتر در شبکه بلاک‌چین، نشان‌دهنده این است که مقیاس‌پذیری در وضعیت مطلوبی قرار دارد. TPS برخی از معروف‌ترین شبکه‌های بلاک‌چین به صورت زیر است:

• بیت‌کوین: ۱۰
• اتریوم: ۳۴
• لایت‌کوین: ۵۶
• بیت‌کوین کش: ۳۰۰
• تزوس: ۴۰
• دوج‌کوین: ۳۳

درعین‌حال، برخی از شبکه‌های بلاک‌چین در هر ثانیه تعداد تراکنش‌های به‌مراتب بیشتری را پردازش می‌کنند. توان عملیاتی قوی این شبکه‌ها سبب شده است تا توجهات زیادی را به خود جلب کنند. در حال حاضر، پنج شبکه برتر از نظر توان عملیاتی در پردازش تراکنش‌ها عبارت‌اند از:‌

۱. بیت گرت چین (Bitgert Chain)

گروه بیت گرت (Bitgert) در چهاردهم فوریه ۲۰۲۲ این شبکه را راه‌اندازی کرد. در این زنجیره از الگوریتم اجماع Proof-of-Authority استفاده می‌شود. توسعه‌دهندگان این شبکه ادعا می‌کنند که امکان پردازش صدهزار تراکنش در ثانیه در این شبکه وجود دارد. علاوه بر آن، کارمزد هر تراکنش در آن برابر ۰/۰۰۰۰۰۰۰۱ دلار است. این پلتفرم قراردادهای هوشمند را در اختیار کاربران قرار داده است و از پروژه‌های دیفای، برنامه‌های وب ۳ و… پشتیبانی می‌کند.

همچنین بخوانید: قرارداد هوشمند چیست

۲. سولانا (Solana)

بلاک‌چین سولانا در سال ۲۰۱۷ راه‌اندازی شد. در حال حاضر TPS این شبکه در حدود ۵۰ هزار برآورد می‌شود. کارمزد تراکنش‌ها در آن نیز حدود ۰/۰۰۰۰۰۱ تا ۰/۰۰۰۲۵ دلار است. در این شبکه از مکانیزم اجماع proof-of-history استفاده می‌شود. در سال‌های گذشته، بسیاری از پروژه‌های NFT روی سولانا تعریف شده‌اند.

۳. فانتوم (Fantom)

فانتوم در سال ۲۰۱۸ راه‌اندازی شد. این شبکه می‌تواند ۲۵ هزار تراکنش را در ثانیه پردازش کند.

۴. الگوراند (Algorand)

الگوراند در سال ۲۰۱۹ تأسیس شد. این شبکه می‌تواند حدود ۳۰۰۰ تراکنش را در ثانیه پردازش کند. در الگوراند از مکانیزم اجماع اثبات سهام خالص استفاده می‌شود. ساختار چند لایه الگوراند تضمین می‌کند که سرعت پردازش در این شبکه زیاد باشد و امنیت آن نیز به مخاطره نیفتد.

۵. کاردانو (Cardano)

کاردانو را می‌توان جزو معدود شبکه‌های بلاک‌چین دانست که به صورت آکادمیک توسعه یافته است. کاردانو در حال برنامه‌ریزی است تا بتواند ظرفیت پردازش ۱۰۰۰ تراکنش در ثانیه را ایجاد کند. کاردانو را می‌توان رهبر نسل سوم بلاک‌چین نیز نامید که بعد از بیت‌کوین و اتریوم معرفی شده‌ است.

کلام پایانی

در این مقاله مفهوم مقیاس‌پذیری را بررسی کردیم. مقیاس‌پذیری یکی از چالش‌های جدی بر سر راه توسعه فناوری بلاک‌چین در کاربردهای زندگی روزمره است. اگر قرار باشد تعداد کاربران شبکه‌های بلاک‌چین افزایش پیدا کند، نباید مشکلی در ارائه خدمات به وجود بیاید. چنین هدفی تنها در صورتی محقق می‌شود که مشکل مقیاس‌پذیری برطرف شود.

راه‌حل‌هایی که برای حل این مشکل ابداع شده‌اند، امیدوارکننده ارزیابی می‌شوند. با وجود این، نباید فراموش کرد که تقریباً همه آن‌ها در مرحله آزمایش‌اند. باید منتظر ماند و دید که در آینده راه‌حل‌های قطعی برای حل مشکل مقیاس‌پذیری تعریف می‌شود یا نه.