فهرست مطالب
4 پلتفرم آزمایش شده
رایانه شخصی، ESP32، شبیهساز، PSP
بدون نیاز به ذخیرهسازی بلاکچین
نیازی به دانلود بلاکچین محلی نیست
پیادهسازی قابل حمل
روی هر دستگاه متصل به اینترنت کار میکند
1. مقدمه
مفهوم ارز دیجیتال غیرمتمرکز که توسط ساتوشی ناکاموتو در سال 2008 معرفی شد، سیستمهای مالی را از طریق فناوری بلاکچین متحول کرد. بیتکوین، به عنوان پیشگام ارزهای دیجیتال، از مکانیزم اجماع اثبات کار استفاده میکند که برای عملیات استخراج به منابع محاسباتی قابل توجهی نیاز دارد. استخراج سنتی شامل دانلود و همگامسازی صدها گیگابایت داده بلاکچین است که برای دستگاههای اینترنت اشیاء (IoT) با قابلیتهای ذخیرهسازی و پردازش محدود، عملی نیست.
این تحقیق به چالش اساسی پیادهسازی استخراج ارز دیجیتال روی دستگاههای اینترنت اشیاء با منابع محدود میپردازد و با توسعه یک الگوریتم کارآمد و قابل حمل، نیاز به ذخیرهسازی محلی بلاکچین را از طریق یکپارچهسازی پروتکل استراتوم مرتفع میسازد.
2. انگیزه تحقیق
رشد تصاعدی پذیرش ارزهای دیجیتال، با سرمایهگذاری بیش از 10 درصد از آمریکاییها در ارزهای دیجیتال در سالهای اخیر، فرصتهای بیسابقهای برای شبکههای استخراج توزیعشده ایجاد کرده است. با این حال، پیادهسازیهای کنونی استخراج برای میلیاردها دستگاه اینترنت اشیاء در سراسر جهان به دلیل محدودیتهای محاسباتی و ذخیرهسازی، در دسترس نیست.
انگیزه این تحقیق از نیاز به دموکراتیک کردن استخراج ارزهای دیجیتال و بهرهگیری از شبکه گسترده دستگاههای اینترنت اشیاء کممصرف نشأت میگیرد که مدلهای اقتصادی جدیدی برای مالکان دستگاه ایجاد میکند و در عین حال غیرمتمرکزسازی شبکه بلاکچین را تقویت مینماید.
3. پیادهسازی فنی
3.1 یکپارچهسازی پروتکل استراتوم
این الگوریتم از پروتکل استخراج استراتوم برای اتصال دستگاههای اینترنت اشیاء به استخرهای استخراج بدون نیاز به ذخیرهسازی محلی بلاکچین استفاده میکند. این رویکرد مانع اصلی مشارکت اینترنت اشیاء در استخراج ارز دیجیتال را با برونسپاری اعتبارسنجی بلوک به سرورهای استخر از بین میبرد، در حالی که دستگاهها به طور انحصاری بر محاسبه هش متمرکز میشوند.
3.2 بهینهسازی SHA-256
این پیادهسازی دارای تابع هش رمزنگاری SHA-256 بهینهشده است که به طور خاص برای سیستمهای نهفته فاقد کتابخانههای استاندارد C طراحی شده است. پایه ریاضی آن شامل محاسبه هش دوگانه SHA-256 است:
$H = SHA256(SHA256(version + prev_hash + merkle_root + timestamp + bits + nonce))$
که در آن شرط هدف نیازمند $H < target$ است و میزان سختی هدف به طور پویا توسط استخر استخراج تنظیم میشود. بهینهسازی بر محاسبات بهینه از نظر حافظه و کاهش چرخههای دستورالعمل مناسب برای ریزکنترلگرها متمرکز است.
4. نتایج آزمایشی
این الگوریتم در چهار پلتفرم مختلف آزمایش شد که قابلیت حمل قابل توجهی را نشان داد:
- رایانه شخصی x64: عملکرد پایه با کتابخانههای استاندارد SHA-256
- ESP32: دستگاه مدرن اینترنت اشیاء که قابلیت استخراج عملی را نشان میدهد
- شبیهساز PSP: تأیید سازگاری چندپلتفرمی
- پلیاستیشن همراه: دستگاه نهفته قدیمی که قابلیت اجرای مفهوم را اثبات میکند
نتایج نشان میدهد که حتی دستگاههای کممصرف مانند ESP32 و سختافزارهای منسوخ مانند PSP میتوانند با موفقیت در استخرهای استخراج بیتکوین مشارکت کنند و نرخ هش قابل اندازهگیری را با حفظ حداقل مصرف انرژی به دست آورند.
مقایسه عملکرد در پلتفرمهای مختلف
راهاندازی آزمایشی، نرخ هش، مصرف انرژی و پایداری اتصال را در تمام پلتفرمها اندازهگیری کرد. ESP32 نتایج به خصوص امیدوارکنندهای را با عملیات استخراج پایدار در حین حفظ ردپای انرژی کم نشان داد.
5. چارچوب تحلیل
بینش اصلی
این تحقیق به طور اساسی فرض غالب مبنی بر نیاز استخراج ارز دیجیتال به سختافزار تخصصی و پرقدرت را به چالش میکشد. نمایش استخراج عملکردی روی یک پلیاستیشن همراه ده ساله، چیزی کمتر از انقلابی نیست - این ثابت میکند که موانع ورود عمدتاً نرمافزاری هستند، نه سختافزاری.
جریان منطقی
این پیادهسازی به شیوهای ظریف محدودیتهای اینترنت اشیاء را از طریق انتزاع پروتکل استراتوم دور میزند. با جدا کردن اعتبارسنجی سنگین محاسباتی بلاکچین از محاسبه هش، نویسندگان حتی به محدودترین دستگاهها نیز امکان میدهند تا به طور معناداری در امنیت شبکه مشارکت کنند. این تصمیم معماری، اصول محاسبات توزیعشده مشاهده شده در پروژههایی مانند SETI@home را منعکس میکند، اما در اجماع بلاکچین اعمال میشود.
نقاط قوت و ضعف
نقاط قوت: رویکرد مستقل از پلتفرم به شکلی درخشان اجرا شده است، با پیادهسازی PSP که با توجه به سختافزار مربوط به سال 2004 آن، به خصوص چشمگیر است. حذف نیازمندیهای ذخیرهسازی بلاکچین، مهمترین محدودیت اینترنت اشیاء را برطرف میکند. در دسترس بودن متن باز، قابلیت تکرارپذیری را تضمین میکند - عاملی حیاتی که اغلب در تحقیقات بلاکچین отсут دارد.
نقاط ضعف: امکانسنجی اقتصادی همچنان مورد سؤال است. در حالی که از نظر فنی امکانپذیر است، نرخهای هش قابل دستیابی روی دستگاههای اینترنت اشیاء ممکن است توجیهکننده هزینههای انرژی نباشد، به خصوص با توجه به افزایش سختی بیتکوین. این مقاله همچنین نیازمندیهای پهنای باند شبکه برای ارتباط مداوم استراتوم را کماهمیت جلوه میدهد که میتواند در محیطهای محدود اینترنت اشیاء مشکلساز باشد.
بینشهای قابل اجرا
شرکتها باید این رویکرد را برای بهرهگیری از زیرساخت موجود اینترنت اشیاء برای اعتبارسنجی بلاکچین به جای استخراج محض بررسی کنند. ارزش واقعی ممکن است در تطبیق این روششناسی برای کاربردهای بلاکچین سازمانی باشد که در آن دستگاههای اینترنت اشیاء به عنوان اعتبارسنجهای سبکوزن عمل میکنند. تولیدکنندگان باید قابلیتهای استخراج را مستقیماً در تراشههای نسل بعدی اینترنت اشیاء در نظر بگیرند و مدلهای درآمدی کاملاً جدیدی برای مالکان دستگاه ایجاد کنند.
مثال چارچوب تحلیل
مورد: ارزیابی کارایی استخراج
این چارچوب امکانسنجی استخراج را از طریق سه معیار کلیدی ارزیابی میکند:
- چگالی محاسباتی: عملیات هش در هر ژول انرژی
- کارایی شبکه: سربار پروتکل استراتوم در مقابل بار کاری محاسباتی
- آستانه اقتصادی: حداقل نرخ هش مورد نیاز برای سودآوری
این رویکرد ساختاریافته، مقایسه سیستماتیک در پلتفرمهای سختافزاری متنوع و الگوریتمهای استخراج مختلف را امکانپذیر میسازد.
6. کاربردهای آینده
این تحقیق چندین جهت امیدوارکننده برای توسعه آینده باز میکند:
- یکپارچهسازی رایانش لبه: ترکیب استخراج اینترنت اشیاء با بارهای کاری رایانش لبه برای بهبود بهرهوری منابع
- استخراج آگاه از انرژی: شدت استخراج پویا بر اساس در دسترس بودن انرژی تجدیدپذیر
- کلاینتهای سبک بلاکچین: گسترش رویکرد برای پشتیبانی از اعتبارسنجی بلاکچین سبکوزن فراتر از استخراج
- پشتیبانی چند ارزی: تطبیق الگوریتم برای ارزهای دیجیتال اثبات کار جایگزین با توابع هش مختلف
همگرایی فناوریهای اینترنت اشیاء و بلاکچین، فرصتهایی برای شبکههای دستگاه غیرمتمرکز ایجاد میکند که در آن دستگاهها میتوانند از طریق خدمات مختلف فراتر از استخراج محض، از جمله اعتبارسنجی داده، مشارکت ذخیرهسازی و مسیریابی شبکه، ارز دیجیتال کسب کنند.
7. مراجع
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
- Antonopoulos, A. M. (2017). Mastering Bitcoin: Programming the Open Blockchain
- CoinMarketCap. (2022). Cryptocurrency Market Capitalizations
- Pew Research Center. (2021). Cryptocurrency Use and Investment Statistics
- Zhu, L., et al. (2021). Lightweight Blockchain for IoT Applications. IEEE Internet of Things Journal
- Gervais, A., et al. (2016). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains
تحلیل انتقادی: تغییر پارادایم استخراج اینترنت اشیاء
این تحقیق نشاندهنده یک تغییر پارادایم در معماری استخراج ارز دیجیتال است که با نشان دادن اینکه تقریباً هر دستگاه متصل به اینترنت میتواند در اجماع بلاکچین مشارکت کند، چشمانداز تحت سلطه ASIC را به چالش میکشد. دستاورد فنی نه در عملکرد خام - جایی که سختافزار تخصصی همیشه غالب خواهد بود - بلکه در نوآوری معماری است که مرزهای مشارکت را بازتعریف میکند.
پیادهسازی پروتکل استراتوم به دلیل ظرافت آن در حل مشکل محدودیت ذخیرهسازی سزاوار توجه ویژه است. با بهرهگیری از همان پروتکل مورد استفاده توسط عملیات استخراج صنعتی، نویسندگان در حین نوآوری در پیادهسازی کلاینت، سازگاری را تضمین میکنند. این رویکرد با پروتکلهای بلاکچین سبکوزن جایگزین مانند آنچه در تحقیقات CycleGAN برای پردازش کارآمد داده پیشنهاد شده است، تضاد دارد و نشان میدهد که چگونه پروتکلهای تأسیس شده میتوانند برای کاربردهای نوین مورد استفاده مجدد قرار گیرند.
با این حال، تحلیل اقتصادی همچنان فیل در اتاق است. در حالی که امکانسنجی فنی به طور متقاعدکنندهای نشان داده شده است، محاسبه سودآوری برای دستگاههای اینترنت اشیاء فردی با توجه به سطح سختی کنونی بیتکوین چالشبرانگیز به نظر میرسد. فرصت واقعی ممکن است در ارزهای دیجیتال جایگزین با سختی کمتر یا در کاربردهای غیرمالی فناوری زیربنایی برای اجماع توزیعشده در شبکههای اینترنت اشیاء باشد.
این تحقیق با روندهای گستردهتر در رایانش لبه و سیستمهای توزیعشده همسو است و یادآور کار بنیادی از مؤسساتی مانند آزمایشگاه رسانه MIT در زمینه بهرهگیری از منابع محاسباتی جمعی است. پیادهسازی روی سختافزار قدیمی مانند PSP به خصوص مرا تحت تأثیر قرار داد - این سازگاری معکوس را نشان میدهد که به طور بالقوه میتواند زندگی اقتصادی جدیدی به الکترونیکهای منسوخ ببخشد و ارزش غیرمنتظرهای از فناوری دورریخته شده ایجاد کند.
با نگاه به آینده، امیدوارکنندهترین کاربرد ممکن است در پیادهسازیهای بلاکچین سازمانی باشد که در آن تحلیل هزینه-فایده با استخراج ارز دیجیتال عمومی متفاوت است. دستگاههای اینترنت اشیاء میتوانند به عنوان اعتبارسنجهای توزیعشده برای بلاکچینهای خصوصی عمل کنند، در حالی که الگوریتم استخراج برای مکانیزمهای اجماع تحمل خطای بیزانس که بهتر با نیازمندیهای سازمانی سازگار هستند، تطبیق داده میشود.