اتخاذ القرار في الأنظمة الموزعة: نظرة معمقة على خوارزميات الإجماع

في المشهد الرقمي الحديث، تُعد الأنظمة الموزعة العمود الفقري لعدد لا يحصى من التطبيقات، بدءًا من الخدمات المصرفية عبر الإنترنت ومنصات التجارة الإلكترونية وصولًا إلى شبكات التواصل الاجتماعي وتقنيات البلوكتشين. تتميز هذه الأنظمة، بطبيعتها، بأنها لا مركزية، مما يعني أن البيانات والمعالجة موزعة على عدة أجهزة. يتمثل التحدي الأساسي في مثل هذه الأنظمة في تحقيق الإجماع – ضمان اتفاق جميع العقد في الشبكة على حالة واحدة ومتسقة، حتى في مواجهة الأعطال والجهات الخبيثة. وهنا يأتي دور خوارزميات الإجماع.

ما هي خوارزميات الإجماع؟

خوارزميات الإجماع هي بروتوكولات تُمكّن النظام الموزع من الوصول إلى اتفاق على قيمة بيانات أو حالة واحدة، على الرغم من الأعطال المحتملة أو السلوك العدائي. إنها توفر آلية للعقد في النظام للتنسيق واتخاذ القرارات بشكل جماعي، مما يضمن اتساق البيانات وموثوقيتها.

تخيل سيناريو حيث تحتاج عدة خوادم بنكية إلى تحديث رصيد حساب عميل. بدون آلية إجماع، قد يقوم أحد الخوادم بمعالجة إيداع بينما يقوم خادم آخر بمعالجة سحب في نفس الوقت، مما يؤدي إلى بيانات غير متسقة. تمنع خوارزميات الإجماع مثل هذه التناقضات من خلال ضمان اتفاق جميع الخوادم على ترتيب ونتائج هذه المعاملات.

لماذا تعتبر خوارزميات الإجماع مهمة؟

تُعد خوارزميات الإجماع حيوية لبناء أنظمة موزعة قوية وموثوقة لعدة أسباب:

• تحمل الأخطاء: تسمح للنظام بالاستمرار في العمل بشكل صحيح حتى لو فشلت بعض العقد أو أصبحت غير متاحة. هذا مهم بشكل خاص في الأنظمة التي تحتاج إلى توافر عالٍ، مثل المؤسسات المالية أو أنظمة الاستجابة للطوارئ. على سبيل المثال، إذا تعطل خادم واحد في مركز بيانات، لا يزال بإمكان الخوادم الأخرى الوصول إلى إجماع والحفاظ على سلامة البيانات.
• اتساق البيانات: تضمن أن جميع العقد في النظام لديها نفس الرؤية للبيانات، مما يمنع التناقضات والنزاعات. هذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تتطلب مستويات عالية من دقة البيانات، مثل السجلات الطبية أو إدارة سلسلة التوريد.
• تحمل الأخطاء البيزنطية: يمكن لبعض خوارزميات الإجماع المتقدمة تحمل الأخطاء البيزنطية، حيث يمكن للعقد إظهار سلوك عشوائي، بما في ذلك إرسال معلومات غير صحيحة أو خبيثة. هذا مهم بشكل خاص في الأنظمة التي لا يكون فيها الثقة مضمونة، مثل شبكات البلوكتشين.
• الأمان: من خلال فرض الاتفاق بين العقد، يمكن لخوارزميات الإجماع المساعدة في منع الهجمات التي تحاول التلاعب بالبيانات أو إفسادها. إنها توفر أساسًا آمنًا لبناء تطبيقات موزعة موثوقة.

أنواع خوارزميات الإجماع

هناك العديد من الأنواع المختلفة من خوارزميات الإجماع، لكل منها نقاط قوة وضعف خاصة بها. فيما يلي بعض الخوارزميات الأكثر استخدامًا:

1. Paxos

Paxos هي عائلة من خوارزميات الإجماع التي تستخدم على نطاق واسع في الأنظمة الموزعة. تشتهر بمتانتها وقدرتها على تحمل الأعطال، ولكنها قد تكون أيضًا معقدة في التنفيذ والفهم.

كيف تعمل Paxos:

تتضمن Paxos ثلاثة أنواع من الفاعلين: المقترحون (Proposers)، والمقبلون (Acceptors)، والمتعلمون (Learners). تتقدم الخوارزمية على مرحلتين:

• المرحلة 1 (التحضير - Prepare): يرسل المقترح طلب تحضير إلى أغلبية المقبلين، مقترحًا قيمة ما. يعد المقبلون بتجاهل أي طلبات تحضير مستقبلية بأرقام اقتراح أقل.
• المرحلة 2 (القبول - Accept): إذا تلقى المقترح وعودًا من أغلبية المقبلين، فإنه يرسل طلب قبول بالقيمة المقترحة. يقبل المقبلون القيمة إذا لم يكونوا قد قبلوا بالفعل قيمة برقم اقتراح أعلى.

بمجرد أن تقبل أغلبية المقبلين قيمة ما، يتم إخطار المتعلمين، وتعتبر القيمة قد تم اختيارها.

مثال: تستخدم خدمة القفل Chubby من Google خوارزمية شبيهة بـ Paxos لتحقيق الإجماع بين خوادمها. هذا يضمن أن جميع خدمات Google لديها رؤية متسقة لحالة القفل، مما يمنع تلف البيانات والنزاعات.

2. Raft

Raft هي خوارزمية إجماع مصممة لتكون أسهل في الفهم من Paxos. تحقق الإجماع من خلال عملية انتخاب القائد وسجل منسوخ.

كيف تعمل Raft:

تقسم Raft النظام إلى ثلاثة أدوار: القادة (Leaders)، والأتباع (Followers)، والمرشحون (Candidates). تعمل الخوارزمية في ثلاث حالات:

• انتخاب القائد: إذا لم يتلق التابع نبضة قلب (heartbeat) من القائد خلال مهلة معينة، يصبح مرشحًا ويبدأ عملية انتخاب.
• نسخ السجل: ينسخ القائد إدخالات سجله إلى الأتباع. إذا كان سجل التابع متأخرًا، يتم تحديثه بواسطة القائد.
• السلامة: تضمن Raft أن القائد فقط هو من يمكنه تثبيت إدخالات سجل جديدة وأن جميع الإدخالات المثبتة يتم نسخها في النهاية إلى جميع الأتباع.

مثال: يعتمد etcd، وهو مخزن بيانات موزع من نوع مفتاح-قيمة يستخدمه Kubernetes، على Raft لآلية الإجماع الخاصة به. هذا يضمن أن حالة مجموعة Kubernetes متسقة عبر جميع العقد.

3. إثبات العمل (PoW)

إثبات العمل (PoW) هو خوارزمية إجماع تستخدم في العديد من العملات المشفرة، مثل البيتكوين. يتضمن قيام المعدّنين بحل ألغاز حسابية معقدة للتحقق من صحة المعاملات وإضافة كتل جديدة إلى البلوكتشين.

كيف يعمل إثبات العمل:

يتنافس المعدّنون لحل لغز تشفيري. أول معدّن يجد الحل يقوم ببثه إلى الشبكة. تقوم العقد الأخرى بالتحقق من الحل، وإذا كان صالحًا، تضيف الكتلة إلى البلوكتشين.

يتم تعديل صعوبة اللغز بشكل دوري للحفاظ على وقت إنشاء كتلة ثابت. هذا يمنع المهاجمين من السيطرة بسهولة على الشبكة.

مثال: يستخدم البيتكوين إثبات العمل (PoW) لتأمين البلوكتشين الخاص به. ينفق المعدّنون موارد حسابية كبيرة لحل الألغاز، مما يجعل من المكلف والصعب على المهاجمين التلاعب بالبلوكتشين.

4. إثبات الحصة (PoS)

إثبات الحصة (PoS) هو بديل لإثبات العمل يهدف إلى أن يكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. في إثبات الحصة، يتم اختيار المدققين لإنشاء كتل جديدة بناءً على كمية العملة المشفرة التي يمتلكونها ويرغبون في "تخزينها" كضمان.

كيف يعمل إثبات الحصة:

يتم اختيار المدققين بشكل عشوائي أو بناءً على عوامل مثل عمر الحصة وعمر العملة. يقترح المدقق المختار كتلة جديدة، ويشهد المدققون الآخرون على صحتها.

إذا كانت الكتلة صالحة، يتم إضافتها إلى البلوكتشين، ويتلقى المدقق مكافأة. إذا حاول المدقق إنشاء كتلة غير صالحة، فقد يفقد حصته.

مثال: تنتقل إيثريوم إلى آلية إجماع إثبات الحصة، بهدف تقليل استهلاكها للطاقة وتحسين قابليتها للتوسع.

5. تحمل الأخطاء البيزنطية العملي (PBFT)

تحمل الأخطاء البيزنطية العملي (PBFT) هو خوارزمية إجماع يمكنها تحمل الأخطاء البيزنطية، حيث يمكن للعقد إظهار سلوك عشوائي، بما في ذلك إرسال معلومات غير صحيحة أو خبيثة.

كيف يعمل PBFT:

يتضمن PBFT عقدة قائدة ومجموعة من العقد المنسوخة. تتقدم الخوارزمية في ثلاث مراحل:

• ما قبل التحضير (Pre-prepare): يقترح القائد كتلة جديدة على النسخ المماثلة.
• التحضير (Prepare): تبث النسخ المماثلة أصواتها للكتلة.
• التثبيت (Commit): إذا وافق عدد كافٍ من النسخ المماثلة على الكتلة، يتم تثبيتها.

يتطلب PBFT أن تكون أغلبية ساحقة من العقد صادقة لكي يعمل النظام بشكل صحيح.

مثال: يستخدم Hyperledger Fabric، وهو إطار عمل بلوكتشين مرخص، PBFT لآلية الإجماع الخاصة به. هذا يضمن أن البلوكتشين يظل آمنًا حتى لو تم اختراق بعض العقد.

اختيار خوارزمية الإجماع المناسبة

يعتمد اختيار خوارزمية الإجماع المناسبة على المتطلبات المحددة للنظام الموزع. تشمل العوامل التي يجب مراعاتها ما يلي:

• تحمل الأخطاء: كم عدد الأعطال التي يمكن للنظام تحملها؟ هل يحتاج إلى تحمل الأخطاء البيزنطية؟
• الأداء: ما هو الإنتاجية المطلوبة وزمن الاستجابة؟
• قابلية التوسع: كم عدد العقد التي سيحتاج النظام إلى دعمها؟
• التعقيد: ما مدى صعوبة تنفيذ الخوارزمية وصيانتها؟
• الأمان: ما هي نواقل الهجوم المحتملة، ومدى جودة حماية الخوارزمية ضدها؟
• استهلاك الطاقة: هل كفاءة الطاقة مصدر قلق؟ (خاصة في تطبيقات البلوكتشين)

فيما يلي جدول يلخص الاختلافات الرئيسية بين الخوارزميات المذكورة أعلاه:

الخوارزمية	تحمل الأخطاء	الأداء	التعقيد	حالات الاستخدام
Paxos	تتحمل أعطال التوقف (crash failures)	معقدة نسبيًا في التحسين	عالي	قواعد البيانات الموزعة، خدمات القفل
Raft	تتحمل أعطال التوقف (crash failures)	أسهل في التنفيذ والفهم من Paxos	متوسط	مخازن المفتاح-القيمة الموزعة، إدارة التكوين
إثبات العمل	تتحمل الأخطاء البيزنطية	إنتاجية منخفضة، زمن استجابة عالٍ، استهلاك طاقة عالٍ	متوسط	العملات المشفرة (البيتكوين)
إثبات الحصة	تتحمل الأخطاء البيزنطية	إنتاجية أعلى، زمن استجابة أقل، استهلاك طاقة أقل من PoW	متوسط	العملات المشفرة (Ethereum 2.0)
PBFT	تتحمل الأخطاء البيزنطية	إنتاجية عالية، زمن استجابة منخفض، ولكن قابلية توسع محدودة	عالي	البلوكتشين المرخصة، نسخ آلة الحالة

أمثلة وتطبيقات من العالم الحقيقي

تُستخدم خوارزميات الإجماع في مجموعة واسعة من التطبيقات عبر مختلف الصناعات:

• البلوكتشين: تعتمد العملات المشفرة مثل البيتكوين والإيثريوم على خوارزميات الإجماع (PoW و PoS على التوالي) لتأمين شبكاتها والتحقق من صحة المعاملات.
• الحوسبة السحابية: تستخدم قواعد البيانات الموزعة مثل Google Spanner و Amazon DynamoDB خوارزميات الإجماع لضمان اتساق البيانات عبر خوادم متعددة.
• الخدمات المالية: تستخدم البنوك والمؤسسات المالية الأخرى خوارزميات الإجماع لمعالجة المعاملات والحفاظ على أرصدة حسابات دقيقة.
• صناعة الطيران: تعتمد الطائرات الحديثة على أنظمة موزعة للتحكم في الطيران والملاحة والاتصالات. تعتبر خوارزميات الإجماع حيوية لضمان سلامة وموثوقية هذه الأنظمة. تخيل حاجة العديد من أجهزة الكمبيوتر للتحكم في الطيران إلى الاتفاق على التصحيح المناسب للمسار استجابةً للاضطرابات الجوية.
• الرعاية الصحية: غالبًا ما يتم تخزين السجلات الصحية الإلكترونية (EHRs) في أنظمة موزعة لضمان التوافر وإمكانية الوصول. يمكن أن تساعد خوارزميات الإجماع في الحفاظ على سلامة واتساق بيانات المرضى عبر مواقع متعددة.
• إدارة سلسلة التوريد: يتطلب تتبع البضائع والمواد عبر سلسلة توريد معقدة نظامًا موزعًا يمكنه التعامل مع حجم كبير من البيانات وضمان اتساقها. يمكن أن تساعد خوارزميات الإجماع في ضمان أن جميع الأطراف لديها رؤية دقيقة لسلسلة التوريد.

التحديات والتوجهات المستقبلية

على الرغم من أن خوارزميات الإجماع قد حققت تقدمًا كبيرًا في السنوات الأخيرة، إلا أنه لا تزال هناك العديد من التحديات التي يجب التغلب عليها:

• قابلية التوسع: لا يزال توسيع نطاق خوارزميات الإجماع للتعامل مع عدد كبير من العقد يمثل تحديًا. تعاني العديد من الخوارزميات من تدهور الأداء مع زيادة عدد العقد.
• التعقيد: بعض خوارزميات الإجماع معقدة في التنفيذ والفهم، مما يجعل نشرها وصيانتها أمرًا صعبًا.
• استهلاك الطاقة: تستهلك خوارزميات إثبات العمل كمية كبيرة من الطاقة، مما يثير مخاوف بيئية.
• تحمل الأخطاء البيزنطية: يعد تطوير خوارزميات إجماع يمكنها تحمل نسبة عالية من الأخطاء البيزنطية مجال بحث مستمر.

تشمل الاتجاهات المستقبلية في خوارزميات الإجماع ما يلي:

• الإجماع الهجين: الجمع بين خوارزميات إجماع مختلفة للاستفادة من نقاط قوتها وتخفيف نقاط ضعفها.
• إثبات الحصة المفوض (DPoS): هو نوع مختلف من إثبات الحصة يسمح لأصحاب الرموز بتفويض حقوق التصويت الخاصة بهم لمجموعة أصغر من الممثلين.
• الاتفاق البيزنطي الموحد (FBA): خوارزمية إجماع تسمح للمؤسسات المختلفة بالمشاركة في نظام موزع دون الحاجة إلى سلطة مركزية. تستخدم Stellar و Ripple أشكالًا مختلفة من FBA.
• التجزئة (Sharding): تقسيم البلوكتشين إلى أجزاء أصغر وأكثر قابلية للإدارة لتحسين قابلية التوسع.

الخاتمة

تعد خوارزميات الإجماع لبنة أساسية للأنظمة الموزعة الموثوقة والمقاومة للأخطاء. فهي تُمكّن العقد في الشبكة من التنسيق واتخاذ القرارات بشكل جماعي، مما يضمن اتساق البيانات وأمانها. على الرغم من وجود العديد من الأنواع المختلفة من خوارزميات الإجماع، لكل منها نقاط قوة وضعف خاصة بها، فإن اختيار الخوارزمية يعتمد على المتطلبات المحددة للتطبيق.

مع استمرار تطور الأنظمة الموزعة، ستلعب خوارزميات الإجماع دورًا متزايد الأهمية في ضمان موثوقية وأمان هذه الأنظمة. إن فهم مبادئ ومقايضات خوارزميات الإجماع المختلفة أمر ضروري لأي شخص يبني أنظمة موزعة أو يعمل معها.

رؤى قابلة للتنفيذ:

• قيّم متطلبات نظامك: ضع في اعتبارك بعناية احتياجات تحمل الأخطاء والأداء وقابلية التوسع والأمان لنظامك الموزع قبل اختيار خوارزمية إجماع.
• ابدأ بالخوارزميات الراسخة: إذا كنت جديدًا في عالم خوارزميات الإجماع، فابدأ بالخوارزميات الراسخة مثل Raft أو Paxos. تم اختبار هذه الخوارزميات بدقة ولديها مجموعة واسعة من الموارد والدعم المتاح.
• فكر في الأساليب الهجينة: استكشف إمكانية الجمع بين خوارزميات الإجماع المختلفة للاستفادة من نقاط قوتها وتخفيف نقاط ضعفها.
• ابق على اطلاع بأحدث الأبحاث: يتطور مجال خوارزميات الإجماع باستمرار، لذا ابق على اطلاع بأحدث الأبحاث والتطورات.