ما المقصود بقابلية التوسع وكيف تتمكن تقنيات البلوكشين من تحقيقها؟

ما المقصود بقابلية التوسع؟

تشير قابلية التوسع في تقنية البلوكشين إلى قدرة الشبكة على معالجة عدد متزايد من المعاملات بكفاءة، مع الحفاظ على الأداء والأمان واللامركزية. ومع انتقال البلوكشين من فكرة مبتكرة إلى بنية تحتية أساسية للأصول الرقمية والتطبيقات اللامركزية، أصبحت قابلية التوسع واحدة من أبرز التحديات التقنية في القطاع.

يعمل البلوكشين كسجل عام للمعاملات دون الحاجة إلى طرف ثالث مركزي، حيث تتولى العقد الموزعة عبر الشبكة مهمة التحقق من سجلات المعاملات المخزنة. إلا أن نمط التحقق اللامركزي هذا يفرض قيوداً على قابلية التوسع، إذ تتطلب بعض شبكات البلوكشين وقتاً طويلاً لتأكيد المعاملات.

عادةً ما يكون معدل المعاملات في الثانية (TPS) للبلوكشين أقل كثيراً من المؤسسات المركزية. فمثلاً، تستطيع شبكات الدفع التقليدية التحقق من المعاملات بمعدلات تفوق 17,000 TPS، بينما غالبية شبكات البلوكشين تعالج معاملات بمعدلات أحادية أو ثنائية الرقم. بعض الشبكات الكبرى لا تتجاوز 4.6 TPS، ما يؤدي إلى بطء المعاملات وارتفاع الرسوم في أوقات الذروة.

تتفاقم مشكلة قابلية التوسع بسبب قيود تقنية مثل حجم الكتلة المحدود. غالباً ما يكون حجم الكتلة حوالي 1 MB، ما يقلل عدد المعاملات الممكن إدراجها لكل كتلة. إضافة لذلك، في العديد من هياكل البلوكشين، تحتاج العقد عند التحقق من معاملات جديدة إلى الرجوع أو تحميل أجزاء من سجل المعاملات السابق، كلما زاد حجم البلوكشين أصبحت عملية التوسع أكثر استهلاكاً للوقت والذاكرة عبر الشبكة.

ولا يمكن لشبكات البلوكشين ببساطة التوسع بإضافة المزيد من العقد، حيث قد يؤدي ذلك إلى تراجع الأداء نتيجة زيادة عبء الاتصالات وتعقيد الإجماع. تحدد البنية الأساسية وآلية الإجماع لكل بلوكشين حدود الأداء الخاصة به. لذلك، تم تطوير حلول مختلفة لقابلية التوسع وفق احتياجات وقيود كل شبكة لتحسين الأداء. تُصنف هذه الحلول حسب نوع الأداء الذي تعالجه: أداء القراءة، أداء الكتابة، وسعة التخزين. وتختلف الحلول أيضاً حسب طبقات البلوكشين: الطبقة 0 (الشبكة)، الطبقة 1 (على السلسلة)، والطبقة 2 (خارج السلسلة). ونظراً لتعقيد وتنوع الحلول، يركز هذا المقال تحديداً على حلول قابلية التوسع في طبقة البيانات، بما يشمل النهج على السلسلة وخارج السلسلة.

ما العوامل المسببة لمشاكل قابلية التوسع؟

يبذل المطورون والباحثون جهوداً كبيرة لتوسعة شبكات البلوكشين، لكنهم يواجهون دائماً ما يعرف بثلاثية البلوكشين، التي تشير إلى صعوبة تحقيق الأمان واللامركزية وقابلية التوسع جميعاً في نفس الوقت — وعادةً ما يمكن تحسين اثنتين فقط على حساب الثالثة. فمثلاً، تحقق البلوكشينات الخاصة قابلية التوسع والأمان لكن على حساب اللامركزية، إذ تعتمد على مدققين محدودين. بينما يمكن لبلوكشينات DAG تحقيق قابلية التوسع واللامركزية، لكنها غالباً ما تكون أقل أماناً. أما البلوكشينات العامة فتركز على الأمان واللامركزية، لكنها تضحي بقابلية التوسع.

يُعد معدل المعاملات أهم مؤشر عند مناقشة قابلية التوسع، لأنه يؤثر مباشرة على تجربة المستخدم وفائدة الشبكة. كما أن العوامل المؤثرة في قابلية التوسع تعتمد على بعضها البعض بشكل كبير، مما يصعب عملية التحسين الشامل. على سبيل المثال، يؤثر أداء الإجماع وحجم الكتلة على معدل المعاملات وزمن الاستجابة، وأي تعديل في أحد المعايير ينعكس غالباً على بقية مؤشرات الأداء. فيما يلي أبرز العوامل المؤثرة في قابلية التوسع:

• معدل المعاملات: هو العدد الإجمالي للمعاملات التي يمكن للبروتوكول معالجتها في الثانية (TPS)، وهو المعيار الأساسي لمقارنة قابلية التوسع بين الشبكات. أنظمة الدفع المركزية تحقق TPS مرتفع للغاية مقارنة بالبلوكشين اللامركزي، إذ تعالج حجم معاملات كبير دون ازدحام، لكن هذه المقارنة غير عادلة تماماً نظراً لاختلاف متطلبات الإجماع والأمان.

• زمن الاستجابة: هو الوقت اللازم منذ تقديم المعاملة حتى التأكيد النهائي الذي لا يمكن التراجع عنه. كلما كان أقل، كانت تجربة المستخدم أفضل، لكن تقليل الزمن غالباً ما يتطلب تنازلات في الأمان أو اللامركزية، إذ قد تصبح آليات الإجماع أسرع وأكثر عرضة للهجمات أو المركزية.

• حجم الكتلة: هو الحد الأقصى لحجم البيانات في كل كتلة، ويحدد عدد المعاملات الممكن إدراجها. الكتل الأكبر تسمح بمعاملات أكثر وتقلل الرسوم في فترات الطلب المرتفع، لكنها تتطلب موارد حسابية وباندويث أعلى، ويمكن رفض الكتل التي تتجاوز الحد المسموح، مما يؤدي لتراكم المعاملات.

• العقد: العقد الكاملة تخزن السجل الكامل، أما العقد الجزئية أو الخفيفة تخزن جزءاً منه فقط. زيادة عدد العقد ضروري للحفاظ على الأمان واللامركزية مع ارتفاع المعاملات، لكن زيادة العدد تعني أيضاً عبء اتصالات أكبر ومدة إجماع أطول، مما يمثل تحدياً آخر لقابلية التوسع.

• التخزين: هو سعة البلوكشين الإجمالية وحجم البيانات التاريخية المتراكمة. العقد الكاملة تتطلب تخزيناً أكبر بكثير من العقد الجزئية، والاعتماد على العقد الخفيفة يقلل متطلبات التخزين الفردي لكنه قد يؤثر سلباً على أمان الشبكة ومعدل المعاملات.

• الطاقة الحسابية: هي قوة المعالجة والطاقة الكهربائية اللازمة للتحقق من المعاملات وإنشاء الكتل (التعدين). يختلف الاستهلاك حسب آلية الإجماع، إذ تستهلك شبكات PoW طاقة أكبر بكثير من شبكات PoS، لأن الأولى تعتمد على عمليات حسابية مكثفة، أما الثانية على التخزين.

• التكلفة: هي التكلفة الاقتصادية الإجمالية للتحقق من المعاملات، وتشمل رسوم المستخدمين وتكاليف تشغيل العقد. غالباً ما يفضل المعدنون أو المدققون المعاملات ذات الرسوم الأعلى، ما يخلق سوقاً للرسوم. المعاملات منخفضة الرسوم قد تستغرق وقتاً أطول أو تُستبعد في فترات ازدحام الشبكة، وهو عنق زجاجة لقابلية التوسع.

ما هي الحلول المتوفرة لقابلية التوسع على مستوى طبقة البيانات؟

تم تطوير الحلول المتوفرة لمعالجة مسائل أساسية مثل وقت إنشاء الكتل، وتكاليف المعاملات، وازدحام الشبكة، وقيود الذاكرة. بناءً على هذه التحديات، ظهرت فئتان رئيسيتان: الحلول على السلسلة والحلول خارج السلسلة. يمكن تنفيذ حلول قابلية التوسع عبر طبقات الشبكة (Layer 0)، البلوكشين الأساسي (Layer 1)، والطبقات الثانوية (Layer 2)، حيث تُعد الحلول في الطبقة 1 والطبقة 2 الأكثر شيوعاً وانتشاراً.

تشمل الحلول على السلسلة تعديل عناصر البروتوكول الأساسي ومعاييره، مثل زيادة حجم الكتلة لرفع معدل المعاملات. لكن زيادة حجم الكتلة قد تؤدي إلى مركزية، إذ تتطلب موارد أكبر وتستبعد العقد الصغيرة، كما يمكن للمدققين أو المعدنين ذوي الموارد الأكبر معالجة الكتل بسرعة أعلى، مما يسبب مركزية إنتاج الكتل. من أمثلة الحلول على السلسلة: تقليص بيانات الكتلة عبر التحديثات البرمجية الناعمة، زيادة حجم الكتل بالتحديثات الصلبة، التقسيم الأفقي (Sharding)، وهياكل DAG. ويعد التقسيم الأفقي وهياكل DAG الأكثر ابتكاراً، ونستعرضهما فيما يلي:

• قابلية التوسع عبر DAG: هياكل DAG تمثل نهجاً مختلفاً في بنية البلوكشين، حيث يجري التحقق من المعاملات عبر الرجوع إلى معاملات سابقة في بنية رسومية وليس سلسلة خطية. لا تحتاج DAG إلى معدنين تقليديين أو تخزين كبير للتحقق، ما يقلل الرسوم ويستبعد التعدين كثيف الطاقة. يمكن لشبكات DAG نظرياً تحقيق TPS يتجاوز 10,000، وتمنع هجمات الإنفاق المزدوج بفضل بنية التحقق الفريدة. مثال: مشروع IOTA (MIOTA) الذي يعتمد Tangle. وكلما زاد عدد المشاركين في شبكة DAG زاد معدل التحقق، إذ تساعد كل معاملة جديدة في التحقق من السابقة. لكن شبكات DAG غالباً ما تكون أضعف أمنياً ضد أنواع معينة من الهجمات، خاصة لدى انخفاض حجم المعاملات، كما تواجه صعوبة في ضمان نهائية المعاملات.

• التقسيم الأفقي (Sharding): هو نهج توسعة عبر تقسيم الشبكة إلى وحدات معالجة متوازية تُسمى الشظايا، تعالج كل منها مجموعة معاملات بشكل مستقل، ما يقلل زمن المعالجة ويزيد معدل المعاملات. لكن تنفيذ التقسيم الأفقي بشكل آمن معقد، إذ يجب حماية كل شظية من المدققين الخبيثين، ويعمل بكفاءة أكبر للمعاملات ضمن الشظية نفسها، بينما تتطلب المعاملات العابرة للشظايا تنسيقاً إضافياً وقد تكون أبطأ. أمثلة: Ethereum (ETH) عبر ترقية Ethereum 2.0 ومشاريع مثل RapidChain. يُعد هذا النهج من أكثر حلول قابلية التوسع الواعدة ويتطلب تصميماً دقيقاً للأمان وخصائص المعاملات.

حلول قابلية التوسع خارج السلسلة

تعالج هذه الحلول المعاملات خارج الشبكة الرئيسية، ما يقلل العبء على الطبقة الأساسية. في هذه البنية، يتم إرسال الحالة النهائية فقط للشبكة الرئيسية، وتسمى قنوات الحالة أو الدفع. مثال: شبكة Lightning تتطلب دفع رسوم على السلسلة فقط عند فتح أو إغلاق القناة، أما المعاملات الوسيطة فخارج السلسلة وبتكلفة منخفضة جداً. بذلك تنخفض رسوم معاملات البلوكشين ويزداد معدل المعاملات بشكل كبير. وتضم الحلول خارج السلسلة مجموعات فرعية متنوعة لكل منها حالات استخدام مختلفة، من أبرزها:

• قابلية التوسع عبر السلاسل الجانبية: تتيح نقل الأصول بشكل ثنائي الاتجاه بين السلسلة الرئيسية وسلاسل جانبية مستقلة بقواعد إجماعها. تعتمد عادة على آليات التحقق المبسط (SPV) أو إثباتات تشفيرية للتحقق من المعاملات بشكل مستقل. تحويل الأصول من السلسلة الرئيسية إلى الجانبية يعتمد على آلية قفل وإخراج تشفيري لا يُفتح إلا بإثباتات SPV، ما يضمن عدم الإنفاق المزدوج. كذلك يتيح إثبات SPV للمدققين في الجانبية إرسال الحالة للسلسلة الرئيسية للتسوية النهائية. تتيح السلاسل الجانبية تجربة آليات إجماع وميزات مختلفة دون التأثير على أمان السلسلة الرئيسية. مثال: Loom Network تعتمد سلاسل جانبية مخصصة للتطبيقات تسمح ببناء تطبيقات لامركزية قابلة للتوسع.

• قابلية التوسع عبر السلاسل الفرعية: تنشئ بنية هرمية تربط السلاسل الفرعية بعقد السلسلة الرئيسية وتؤمنها. تعالج كل سلسلة فرعية المعاملات عبر بروتوكول إجماع مخصص، وترسل التزامات الحالة للسلسلة الرئيسية كمصدر أمان، وتوفر السلسلة الرئيسية فض النزاعات وضمانات الأمان. أمثلة: Ethereum Plasma تتيح إنشاء هياكل هرمية مع إثباتات الاحتيال لضمان الأمان.

• قابلية التوسع بين السلاسل (Interchain): تبتكر حلول Interchain منظومة مترابطة تربط بلوكشينات مستقلة ببروتوكول اتصال موحد يحافظ على التوافق بين الجميع، ويضم سلاسل فرعية متعددة وعقد متخصصة لتسهيل التواصل ونقل الأصول. قد تستخدم السلاسل المختلفة آليات إجماع متنوعة حسب الحاجة، بينما يضمن البروتوكول البيني التشغيل المتداخل. مثال: Cosmos (ATOM) يستخدم بروتوكول IBC مع آلية PBFT ونظام إثبات التخزين (PoS) لبناء منظومة بلوكشين مترابطة وقابلة للتوسع. يتيح هذا النهج قابلية توسع غير محدودة نظرياً، إذ يمكن إضافة سلاسل جديدة دون التأثير على الأداء الحالي.

ما هو مستقبل قابلية التوسع؟

يركز تطوير حلول قابلية التوسع على تحقيق توازن بين ثلاثية البلوكشين: اللامركزية، التوسع، والأمان، إذ يؤدي التضحية بأي منها إلى تقليل فائدة واعتماد التقنية.

تستهدف تغييرات قابلية التوسع على السلسلة غالباً الشيفرة الأساسية للبلوكشين، ما ينتج تحديثات صلبة (Hard Fork) أو ناعمة (Soft Fork) متوافقة مع الإصدارات السابقة. لكن التوافق على تغييرات جوهرية صعب سياسياً وتقنياً، كما أظهرت بعض مقترحات الترقية. لذلك تميل الحلول مثل Segregated Witness (SegWit) أو التحديثات البرمجية الناعمة إلى أن تكون أكثر قابلية للتطبيق. تعتمد هذه الحلول على أن بيانات التوقيع تستهلك جزءاً كبيراً من الكتلة، وبالتالي فإن فصلها أو تحسين تخزينها يسمح بإدراج المزيد من المعاملات ضمن نفس الحجم، مع مراعاة بعض التنازلات الأمنية أو تغييرات في المحافظ والبنية التحتية.

ومن الحلول الواعدة الأخرى: التقسيم الأفقي الذي يقسم البلوكشين إلى شظايا متوازية لمعالجة عدد كبير من المعاملات بشكل متزامن بدلاً من التتابع. بذلك تقل مشاكل زمن الاستجابة، ويزداد معدل المعاملات الكلي مع زيادة عدد الشظايا. لكن التنفيذ الآمن للتقسيم الأفقي يبقى تحدياً، خاصةً في الحفاظ على الأمان بين الشظايا ومعالجة المعاملات العابرة للشظايا بكفاءة.

أما الحلول خارج السلسلة، فقد أثبتت المشاريع إمكانية الوصول إلى TPS يتجاوز مليون بمعمارية مثل شبكة Lightning، وحتى TPS غير محدودة نظرياً مع سلاسل فرعية Plasma. تستطيع حلول الطبقة الثانية (Layer 2) تحسين تجربة المستخدم عبر معاملات فورية ومنخفضة التكلفة مع الاستفادة من أمان البلوكشين الأساسي. قد يؤدي دمج ونضج هذه الحلول إلى حل تحديات قابلية التوسع المتأصلة، ما يسرع تبني التقنية مع عدم تأثر المستخدمين ببطء المعاملات أو ارتفاع الرسوم.

مستقبلاً، من المرجح أن تعتمد منظومات البلوكشين الكبرى نهجاً متعدد الطبقات يجمع بين بروتوكولات طبقة أولى محسنة وحلول طبقة ثانية متطورة لتحقيق قابلية التوسع اللازمة للتبني العالمي مع الحفاظ على الأمان واللامركزية. تشير الأبحاث المستمرة في إثباتات المعرفة الصفرية، التجميع المتفائل (Optimistic Rollups)، وبروتوكولات التشغيل البيني إلى أن تحديات قابلية التوسع يتم التعامل معها فعلياً عبر ابتكارات تقنية جديدة.

الخلاصة

تواجه شبكات البلوكشين تحديات كبيرة في قابلية التوسع بسبب خصائص التقنية ذاتها، من توزيع العقد ومتطلبات الإجماع إلى قيود حجم الكتلة. لذا تظهر العديد من الشبكات TPS منخفض مقارنة بالأنظمة المركزية، ويصعب عليها معالجة عدد كبير من المعاملات بكفاءة، ما يسبب بطء في سرعة المعاملات وازدحام الشبكة وارتفاع الرسوم عند الطلب المرتفع.

ولتجاوز هذه القيود، تعتمد مشاريع البلوكشين حلولاً متعددة لتوسعة الشبكة وفق حالاتها الخاصة واحتياجاتها التقنية. إلا أن العوامل المؤثرة في قابلية التوسع مترابطة ومعقدة، لذا يصعب تحقيق تحسين شامل دون بعض التنازلات بين الأمان، اللامركزية، والأداء. وتبقى ثلاثية البلوكشين قيداً أساسياً في تصميم الحلول.

وتشمل الحلول المتوفرة على طبقة البيانات: النهج على السلسلة مثل DAG والتقسيم الأفقي، والحلول خارج السلسلة مثل السلاسل الجانبية والفرعية والبروتوكولات البينية. لكل حل مزايا وعيوب ترتبط بمواقف مختلفة على ثلاثية البلوكشين. عادةً ما تحافظ الحلول على السلسلة على الأمان مع تحديات في اللامركزية، بينما تحقق الحلول خارج السلسلة توسعة كبيرة مع تعقيدات إضافية وافتراضات ثقة جديدة.

بشكل عام، يتجه تطوير قابلية التوسع في البلوكشين نحو مسارات واعدة، خاصةً التقسيم الأفقي للطبقة الأولى وقنوات الدفع وتقنيات التجميع للطبقة الثانية. ويشير الجمع بين هذه الحلول واستمرار البحث في آليات الإجماع والتشفير إلى أن قابلية التوسع ستتحسن كثيراً في السنوات القادمة، ومع نضج وانتشار هذه الحلول، قد تحقق تقنية البلوكشين أخيراً إمكاناتها كأساس للتطبيقات المالية اللامركزية على مستوى العالم، مع تقديم اللامركزية والأمان دون التضحية بالأداء الذي يتوقعه المستخدمون من البنية الرقمية الحديثة.

الأسئلة الشائعة

ما هي قابلية التوسع في البلوكشين ولماذا تعتبر مهمة للعملات الرقمية؟

تشير قابلية التوسع في البلوكشين إلى القدرة على معالجة عدد كبير من المعاملات بكفاءة. وهي ضرورية للعملات الرقمية لأنها ترفع سرعة ومعدل المعاملات، ما ييسر الانتشار الواسع ويقلل ازدحام الشبكة.

ما التحديات المحددة التي تواجهها Bitcoin وEthereum في قابلية التوسع؟

تواجه Bitcoin وEthereum بطء في معالجة المعاملات وارتفاع الرسوم. ومع توسع قاعدة المستخدمين، يتفاقم ازدحام الشبكة، ما يستدعي حلول الطبقة الثانية وتحديثات البروتوكول لتحسين الأداء وخفض التكاليف.

ما هي حلول الطبقة الثانية (Layer 2) وما هي أمثلتها مثل Lightning Network وRollups؟

حلول الطبقة الثانية هي بروتوكولات خارج السلسلة تعزز سرعة وكفاءة المعاملات. تتيح شبكة Lightning مدفوعات سريعة عبر قنوات الدفع، بينما تعالج حلول Rollups المعاملات خارج السلسلة وتجمعها على السلسلة، مما يرفع معدل المعاملات ويخفض التكاليف.

كيف تُحسّن تقنية التقسيم الأفقي (Sharding) قابلية التوسع؟

يقسم Sharding البلوكشين إلى سلاسل فرعية متوازية صغيرة تعالج المعاملات بشكل مستقل، ما يزيد معدل المعاملات وسرعتها ويقلل ازدحام الشبكة ويحسن قابلية التوسع الكلية.

ما الفرق بين السلاسل الجانبية والسلاسل الرئيسية (Mainnet)، وكيف تساهم في تحسين قابلية التوسع؟

تعالج السلاسل الجانبية المعاملات والعمليات الثانوية بشكل منفصل عن السلسلة الرئيسية، ما يقلل ازدحام السلسلة الرئيسية ويرفع معدل المعاملات وسعة المعالجة، ويسمح للشبكة بمعالجة المزيد من المعاملات مع الحفاظ على الأمان واللامركزية.

كيف يؤثر تحسين قابلية التوسع على لامركزية وأمان البلوكشين؟

حلول التوسع تتطلب توازنات دقيقة. تحافظ حلول الطبقة الثانية والسلاسل الجانبية على الأمان مع تعزيز الأداء دون المساس باللامركزية، أما مركزية المدققين الزائدة فقد تضعف كليهما. التصميم الجيد يحافظ على الأمان عبر إثباتات تشفيرية وآليات إجماع موزعة.

ما الحلول التي اعتمدتها مشاريع مثل Solana وPolygon وArbitrum في قابلية التوسع؟

تعتمد Solana على Proof-of-History لتحقيق معدل معاملات مرتفع. تستخدم Polygon إثبات التخزين والسلاسل الجانبية. أما Arbitrum فتطبق Optimistic Rollups كحل طبقة ثانية لرفع السعة وخفض التكاليف.