معماری تازه تراکنش های اتریوم برای مقیاس پذیری

معماری جدید تراکنش برای اتریوم

در ۶ سپتامبر، ویتالیک بوترین چشم‌اندازی بلندمدت را برای بازطراحی مدل تراکنش در اتریوم مطرح کرد؛ مدلی که می‌تواند پردازش موازی را بهبود دهد، راستی‌آزمایی‌های تکراری را کاهش دهد و مسیرهای تازه‌ای برای انتزاع حساب و آمادگی در برابر رایانش کوانتومی باز کند. محور این پیشنهاد، جدا کردن تراکنش‌ها به دو بخش متمایز است: کنش‌ها و وابستگی‌ها، تا شبکه‌ها، کلاینت‌ها و مم‌پول‌ها بتوانند بخش‌های مهم را مستقل‌تر و کارآمدتر اعتبارسنجی کنند.

کنش‌ها در برابر وابستگی‌ها: ایده اصلی

بوترین این بازطراحی را بر پایه دو مفهوم مکمل توضیح می‌دهد. کنش‌ها همان عملیات‌هایی هستند که وضعیت را تغییر می‌دهند: انتقال اتر یا توکن‌های ERC-20، فراخوانی قراردادهایی که فضای ذخیره‌سازی را تغییر می‌دهند و دیگر اثرهایی که وضعیت بلاکچین را به‌روزرسانی می‌کنند. وابستگی‌ها شرایطی هستند که پیش از اجرای ایمن آن کنش‌ها باید برقرار باشند: امضاها، اثبات‌های مرکل یا اثبات‌های وضعیت، بررسی‌های اعتبار با دانش صفر و هر نوع محدودیت دیگر مربوط به مجوز یا پیش‌شرط اجرا.

امروزه تراکنش‌های اتریوم، مجوزدهی، پرداخت کارمزد و اجرا را در یک جریان واحد بسته‌بندی می‌کنند. نودها امضا را بررسی می‌کنند، توانایی پرداخت کارمزد را تأیید می‌کنند و سپس تراکنش را اجرا می‌کنند. اما بسیاری از این بررسی‌ها، به‌ویژه بررسی‌های رمزنگاری خالص، به وضعیت نهایی وابسته نیستند و می‌توان آن‌ها را مستقل یا زودتر از موعد اعتبارسنجی کرد. با جداسازی صریح این دو مؤلفه، اتریوم می‌تواند راستی‌آزمایی را موازی‌سازی کند، کارهای تکراری را فشرده سازد و مسیرهای ارزان‌تری برای عملیات قابل پیش‌بینی فراهم کند.

نمونه‌های کاربردی

• راستی‌آزمایی امضا: یک امضای رمزنگاری معمولا از اثر تراکنش‌های دیگر مستقل است و می‌توان آن را جداگانه بررسی کرد.
• اثبات‌های وضعیت: اثبات‌های مرکل یا سایر بررسی‌های اعتبار که به وضعیت وابسته نیستند، می‌توانند یک‌بار اعتبارسنجی و سپس بازاستفاده شوند.
• بررسی‌های وابسته به وضعیت: شرایطی که به موجودی یک حساب یا یک اسلات ذخیره‌سازی گره خورده‌اند، همچنان باید ترتیب اجرا و تعارض‌های احتمالی را در نظر بگیرند.

پیشنهاد EIP-8141: تراکنش‌های فریم و ساختاری برنامه‌پذیر

یک گام مشخص در مسیر این چشم‌انداز، پیشنهاد EIP-8141 است؛ یک پیش‌نویس هسته‌ای که قالب تازه‌ای برای تراکنش با نام تراکنش فریم تعریف می‌کند. به‌جای یک پاکت یکپارچه و سنگین، تراکنش فریم دنباله‌ای از فریم‌هاست. هر فریم می‌تواند نقشی مشخص داشته باشد: راستی‌آزمایی مجوز، اعلام پرداخت‌کننده کارمزد یا اجرای عملیات کاربر. این ساختار ماژولار با جداسازی کنش‌ها و وابستگی‌ها همسو است و انتزاع حساب را انعطاف‌پذیرتر می‌کند.

ویژگی‌های کلیدی پیشنهادی در EIP-8141 شامل موارد زیر است:

• قواعد برنامه‌پذیر برای اعتبارسنجی و کارمزد: کد حساب می‌تواند تعیین کند مجوز چگونه اثبات شود و گس چگونه پرداخت گردد؛ از جمله امکان کارمزدهای اسپانسری یا پرداخت با توکن‌های ERC-20.
• پشتیبانی از انتزاع حساب: حساب‌های مالکیت خارجی می‌توانند بدون نیاز به استقرار قراردادهای یکسان در شبکه‌های مختلف، مدل‌های مجوزدهی پیشرفته‌تری به دست آورند.
• هم‌کنش‌پذیری میان زنجیره‌های سازگار با EVM: تراکنش‌های فریم ساختاری حداقلی و قابل حمل ارائه می‌کنند که زنجیره‌های گوناگون می‌توانند آن را بپذیرند و هم‌زمان منطق پیش‌کامپایل یا راستی‌آزمایی خود را اعمال کنند.

فریم‌ها چگونه با وابستگی‌ها و کنش‌ها منطبق می‌شوند

فریم‌های راستی‌آزمایی وابستگی‌های خالص، مانند امضاها و اثبات‌های ایستا را مدیریت می‌کنند، در حالی که فریم‌های اجرا کنش‌های تغییردهنده وضعیت را انجام می‌دهند. یک تراکنش همچنین می‌تواند شامل پرچم‌هایی باشد که هر فراخوانی را به‌عنوان وابستگی خالص، راستی‌آزمایی وابسته به وضعیت یا کنش مشخص می‌کند. تراکنش همچنان مبدأ، نانس و دیگر فراداده‌های استاندارد را در خود دارد، اما سازمان‌دهی داخلی آن امکان پردازش متفاوت توسط مم‌پول‌ها و اعتبارسنج‌ها را فراهم می‌سازد.

چرا این موضوع برای مقیاس‌پذیری و کارمزدها مهم است

جداسازی وابستگی‌ها از کنش‌ها چند مزیت عملی برای مقیاس‌پذیری اتریوم و بهینه‌سازی هزینه تراکنش آزاد می‌کند:

• راستی‌آزمایی موازی: بررسی‌های مستقل می‌توانند میان پردازنده‌ها یا ماشین‌های مختلف توزیع شوند تا چندین اعتبارسنجی به‌طور هم‌زمان اجرا شود.
• کاهش تکرار: وابستگی‌های خالص ممکن است دیگر لازم نباشد در زمان اجرا توسط هر اعتبارسنج دوباره تکرار شوند.
• تمایز کارمزد: تراکنش‌های قابل پیش‌بینی و قابل تحلیل ایستا می‌توانند ارزان‌تر باشند، زیرا به کار کمتری در زمان اجرا نیاز دارند؛ فراخوانی‌های قراردادی پویا و غیرقابل پیش‌بینی همچنان پشتیبانی می‌شوند، اما ممکن است گس بیشتری متناسب با هزینه منابع خود داشته باشند.

بوترین برآورد می‌کند، البته به‌عنوان یک ارزیابی آگاهانه و نه یک اندازه‌گیری قطعی شبکه، که بیش از ۹۰ درصد فعالیت اتریوم از نظر حجم می‌تواند در قالب‌های ساده‌تر و کمتر پویا جای بگیرد. اگر این برداشت درست باشد، شبکه می‌تواند بدون محدود کردن قراردادهای هوشمند پیچیده، با ارائه قالب‌های ارزان‌تر برای موارد رایج به بهره‌وری بیشتری برسد.

اثبات‌های بازگشتی STARK: فشرده‌سازی کار راستی‌آزمایی

فراتر از EIP-8141، بوترین درباره استفاده از STARKهای بازگشتی، یعنی استدلال‌های شفاف و مقیاس‌پذیر دانش، برای تجمیع و فشرده‌سازی بررسی وابستگی‌ها صحبت کرد. در این مدل، وابستگی‌های خالصی که در مم‌پول اعتبارسنجی می‌شوند، مانند امضاها و اثبات‌های اعتبار، در یک اثبات بازگشتی واحد تجمیع می‌گردند. سپس اعتبارسنج‌ها به‌جای اجرای دوباره هر بررسی اولیه، همان STARK بازگشتی را اعتبارسنجی می‌کنند؛ رویکردی که می‌تواند چرخه‌های پردازنده را ذخیره کند و داده‌های راستی‌آزمایی روی زنجیره را کاهش دهد.

STARKها چه چیزی را تغییر می‌دهند و چه چالش‌هایی باقی می‌ماند

STARKها به یک طرف امکان می‌دهند ثابت کند یک محاسبه به‌درستی انجام شده است؛ STARKهای بازگشتی نیز می‌توانند ثابت کنند مجموعه‌ای از اثبات‌ها همگی معتبرند. اگر این مفهوم روی وابستگی‌های تراکنش اعمال شود، مم‌پول یک اثبات تجمیعی می‌سازد که نشان می‌دهد همه بررسی‌های وابستگی با موفقیت گذرانده شده‌اند. اعتبارسنج‌ها پیش از اجرای کنش‌ها، یک اثبات فشرده را اعتبارسنجی می‌کنند.

با این حال، این رویکرد پرسش‌های پژوهشی و مهندسی مهمی ایجاد می‌کند که پیش از استفاده در شبکه اصلی باید حل شوند:

• هزینه و تأخیر تولید اثبات: ساخت اثبات‌های بازگشتی در وضعیت فعلی از نظر محاسباتی سنگین است و ممکن است به ابزارهای تخصصی و هماهنگی نیاز داشته باشد.
• هماهنگی و مشوق‌های مم‌پول: چه کسی اثبات‌های تجمیعی را می‌سازد و این اثبات‌ها چگونه منتشر و پاداش‌دهی می‌شوند؟
• دسترسی‌پذیری داده و امنیت: باید اطمینان حاصل شود که اثبات‌های تجمیعی درست، غیرقابل سانسور و در برابر تلاش‌های تجمیع مخرب مقاوم هستند.

اگرچه این رویکرد می‌تواند بار داده‌های راستی‌آزمایی روی زنجیره را نیز کاهش دهد، چنین کاهش‌هایی در مشخصات فعلی EIP-8141 گنجانده نشده و به پیشنهادهای تکمیلی و اجماع جداگانه نیاز دارد.

آمادگی پساکوانتومی و تکامل امضاها

یکی از انگیزه‌های عملی برای طراحی ماژولار تراکنش، رمزنگاری پساکوانتومی است. امضاهای مقاوم در برابر کوانتوم معمولا بزرگ‌تر هستند و راستی‌آزمایی آن‌ها پرهزینه‌تر از امضاهای ECDSA فعلی است. مدل مجوزدهی انعطاف‌پذیر EIP-8141 به حساب‌ها اجازه می‌دهد بدون جایگزینی استاندارد امضای کل شبکه، طرح‌های امضای جایگزین را بپذیرند. در ترکیب با تجمیع اثبات بازگشتی، شبکه‌ها می‌توانند با فشرده‌سازی تعداد زیادی بررسی سنگین در اثبات‌های موجز، هزینه‌های راستی‌آزمایی را جبران کنند.

همین ویژگی EIP-8141 را به مسیری بلندمدت و جذاب برای گسترش گزینه‌های مجوزدهی، از جمله طرح‌های احتمالی پساکوانتومی، تبدیل می‌کند؛ آن هم در حالی که سربار راستی‌آزمایی مدیریت می‌شود.

نانس‌های کلیددار: حذف گلوگاه‌های ترتیبی

نانس‌های ترتیبی اتریوم از بازپخش تراکنش جلوگیری می‌کنند و اجرای مرتب از یک حساب واحد را تضمین می‌کنند، اما هم‌زمان یک گلوگاه توان عملیاتی می‌سازند. اگر یک تراکنش در انتظار در نانس N متوقف شود، تراکنش‌های بعدی در N+1 و N+2 نیز معطل می‌مانند، حتی اگر مستقل باشند.

نانس‌های کلیددار چند دامنه نانس مستقل را برای هر حساب معرفی می‌کنند. به تراکنش‌ها یک کلید نانس اختصاص داده می‌شود، بنابراین جریان‌های کاری نامرتبط می‌توانند به‌صورت موازی پیش بروند. این موضوع به حساب‌های هوشمند، برنامه‌های دسته‌ای یا متمرکز بر حریم خصوصی و هر سناریویی کمک می‌کند که در آن چند عملیات مستقل به‌طور هم‌زمان از یک حساب واحد آغاز می‌شود.

با بخش‌بندی فضای نانس، نانس‌های کلیددار انسداد ابتدای صف را کاهش می‌دهند و تجربه کاربری را برای کیف پول‌های پیچیده و برنامه‌های غیرمتمرکزی که دنباله‌های هم‌زمانی از تراکنش‌ها ارسال می‌کنند، بهبود می‌بخشند.

مدل‌های وضعیت: ایده‌های UTXO و رویکردهای ترکیبی

بخشی از این بحث، تراکنش‌های فریم و نانس‌های کلیددار را به مدل‌های جایگزین وضعیت پیوند می‌دهد. مدل UTXO بیت‌کوین، یعنی خروجی خرج‌نشده تراکنش، به‌طور قابل پیش‌بینی قابل تحلیل است، زیرا تراکنش‌ها خروجی‌های خرج‌شده را به‌صراحت فهرست می‌کنند. مدل حسابی اتریوم انعطاف‌پذیرتر است، اما تحلیل ایستای آن دشوارتر می‌شود.

بوترین پیشنهاد نمی‌کند مدل حسابی اتریوم با یک سیستم UTXO خالص جایگزین شود. در عوض، او طیفی را توصیف می‌کند که در آن عملیات ساده و اعلام‌شده می‌توانند از پیش‌بینی‌پذیری شبیه UTXO بهره ببرند، در حالی که قراردادهای پیچیده انعطاف‌پذیری کامل حساب را حفظ می‌کنند. این رویکرد ترکیبی می‌تواند پردازش چندلایه ارائه دهد: عملیات بسیار قابل پیش‌بینی ارزان و قابل موازی‌سازی هستند؛ فراخوانی‌های قراردادی پویا همچنان ممکن‌اند، اما منابع بیشتری می‌طلبند و در نتیجه کارمزد بالاتری خواهند داشت.

نگرانی‌های توسعه‌دهندگان و موانع پیاده‌سازی

EIP-8141 و معماری گسترده‌تر وابستگی و کنش هنوز در مرحله پژوهش پیش‌نویس قرار دارند. توسعه‌دهندگان هسته، تیم‌های کلاینت و ارائه‌دهندگان کیف پول پرسش‌های فنی مهمی مطرح کرده‌اند که پیش از استقرار باید حل شوند:

• بردارهای حمله منع سرویس: منطق جدید مم‌پول و پردازش فریم نباید سطح حمله‌ای باز کند که اسپم بدون گس یا فرسایش منابع را افزایش دهد.
• جایگزینی تراکنش و محدودیت‌های در انتظار: قواعد جایگزینی تراکنش‌های فریم در انتظار و محدودیت فریم‌های در انتظار برای هر حساب باید با دقت طراحی شود تا پس‌رفت ناخواسته در تجربه کاربری ایجاد نشود.
• پیچیدگی ابزارها: کیف پول‌ها، رابط‌های RPC، سازندگان بلاک و ایندکسرها همگی باید به‌روزرسانی شوند تا تراکنش‌های فریم را به‌درستی تولید، امضا و رله کنند.
• معنای مم‌پول: پیشنهادهایی مانند نگه داشتن تنها یک تراکنش فریم در انتظار برای هر فرستنده، پرسش‌هایی درباره سازگاری با کاربران حرفه‌ای ایجاد می‌کند که چندین تراکنش هم‌زمان ارسال می‌کنند.

این نگرانی‌ها سازنده‌اند، زیرا حجم کار یکپارچه‌سازی مورد نیاز میان کلاینت‌ها، از جمله Geth، Besu، Erigon و Nethermind، نرم‌افزارهای کیف پول، سازندگان بلاک و ابزارهای آگاه از MEV را نشان می‌دهند.

FOCIL و هم‌افزایی با مقاومت در برابر سانسور

به‌طور جداگانه، پیشنهاد FOCIL با امکان‌پذیر کردن فهرست‌های شمول تراکنش، به دنبال بهبود مقاومت در برابر سانسور است. در حالی که EIP-8141 ساختار تراکنش و مجوزدهی را هدف می‌گیرد، FOCIL به این می‌پردازد که کدام تراکنش‌ها باید توسط سازندگان گنجانده شوند. توسعه‌دهندگان پیشنهاد کرده‌اند تراکنش‌های فریم با FOCIL ترکیب شوند تا انتزاع حساب بومی قدرتمندتری ایجاد شود و هم‌زمان تضمین‌های شمول بهبود یابد؛ البته این بسته ترکیبی هنوز گمانه‌زنی است و بخشی از نقشه راه تأییدشده محسوب نمی‌شود.

مسیر پذیرش و جدول زمانی واقع‌بینانه

EIP-8141 پیش از آنکه بر کاربران اثر بگذارد باید چندین مرحله را پشت سر بگذارد: اجماع جامعه میان توسعه‌دهندگان هسته، پیاده‌سازی در کلاینت‌ها، استقرار در شبکه‌های آزمایشی، پشتیبانی کیف پول‌ها، یکپارچگی با سازندگان بلاک و ممیزی‌های رسمی امنیتی. در بحث‌های گذشته، EIP-8141 برای دامنه ارتقاهای آینده بررسی شده بود، اما در حال حاضر در مرحله بازبینی قرار دارد و زمان‌بندی نشده است.

نقاط عطف مهمی که باید دنبال شوند:

• حمایت رسمی توسعه‌دهندگان هسته از تراکنش‌های فریم به‌عنوان رویکرد ترجیحی برای انتزاع حساب.
• ادغام در کلاینت‌ها و پیاده‌سازی پایدار در شبکه آزمایشی با رفتار کامل مم‌پول، RPC و حسابداری گس.
• آزمایش هم‌کنش‌پذیری میان شبکه‌های سازگار با EVM و شبکه‌های آزمایشی عمومی.
• پشتیبانی کیف پول‌ها و ابزارهای توسعه‌دهندگان برای ساخت، امضا و پخش پیوسته تراکنش‌های فریم.

تا زمانی که این مراحل انجام نشود، EIP-8141 و مم‌پول‌های مبتنی بر STARK بازگشتی همچنان پیشنهادهای پژوهشی هستند، نه ارتقاهای تضمین‌شده. با این حال، جهت طراحی، یعنی جداسازی وابستگی‌ها و کنش‌ها، استفاده از نانس‌های کلیددار و بررسی تجمیع بازگشتی، راهبردی منسجم برای افزایش موازی‌سازی و کاهش راستی‌آزمایی تکراری در اتریوم ارائه می‌دهد.

این تغییرات برای کاربران، توسعه‌دهندگان و اعتبارسنج‌ها چه معنایی دارد

اگر کلاینت‌ها و سازندگان بلاک برای تراکنش‌های سبک فریم بهینه‌سازی شوند، کاربران می‌توانند تأییدهای ارزان‌تر و سریع‌تری را برای انتقال‌های قابل پیش‌بینی و فراخوانی‌های معمول قرارداد تجربه کنند. توسعه‌دهندگان باید ابزارهای قرارداد هوشمند و کیف پول‌ها را برای پشتیبانی از ساختار فریم جدید سازگار کنند و هرجا ممکن است وابستگی‌ها را صریح اعلام کنند. اعتبارسنج‌ها و سازندگان بلاک نیز در صورت پیاده‌سازی ایمن تجمیع مم‌پول و راستی‌آزمایی بازگشتی، می‌توانند از کاهش هزینه راستی‌آزمایی و بهبود توان عملیاتی بهره‌مند شوند.

در همین حال، برنامه‌های غیرمتمرکز تخصصی و پویا آزادی اجرای منطق پیچیده را با انعطاف‌پذیری فعلی مدل حساب حفظ خواهند کرد. هدف جایگزینی قدرت بیان‌گری EVM اتریوم نیست، بلکه فراهم کردن راهی برای شبکه است تا عملیات ساده را به مسیر پردازشی ارزان‌تر و موازی‌تر هدایت کند.

جمع‌بندی: مسیری عمل‌گرایانه برای مقیاس‌پذیری و انعطاف

بازطراحی تراکنش از سوی ویتالیک بوترین تلاشی جاه‌طلبانه اما عمل‌گرایانه برای آشتی دادن نیاز اتریوم به قراردادهای هوشمند انعطاف‌پذیر با مزایای قالب‌های تراکنش قابل پیش‌بینی و قابل موازی‌سازی است. تراکنش‌های فریم در EIP-8141، نانس‌های کلیددار و مسیر احتمالی به‌سوی تجمیع STARK بازگشتی، مجموعه‌ای از ابزارها را شکل می‌دهند که می‌تواند کار تکراری را به‌طور معناداری کاهش دهد، گزینه‌های مجوزدهی پساکوانتومی را پشتیبانی کند و ساختارهای کارمزد متمایز را ممکن سازد.

با این حال، هنوز پژوهش، مهندسی و هماهنگی میان تیم‌های مختلف به‌طور قابل توجهی لازم است. جامعه باید میان دستاوردهای عملکردی، پیچیدگی ابزارها و ریسک‌های امنیتی تعادل برقرار کند. اگر اکوسیستم بتواند این مسائل را حل کند، تراکنش‌های فریم و تجمیع در سطح مم‌پول می‌توانند به اجزای مهم پردازش تراکنش نسل بعدی اتریوم تبدیل شوند.

تا آن زمان، این ایده‌ها باید پژوهشی آینده‌نگرانه تلقی شوند: مسیرهایی امیدبخش، نه تغییرات فوری در پروتکل. گام‌های قابل راستی‌آزمایی بعدی، اجماع توسعه‌دهندگان، پیاده‌سازی‌های مرجع در کلاینت‌ها و آزمایش موفق در شبکه‌های عمومی توسعه خواهد بود.