غیر هم‌ زمانی چیست؟ بررسی مفاهیم، دلایل و بلاکچین‌های Asynchronous

در ادامه این مطلب، ساختار فناوری غیر همزمانی را بدون درگیر شدن با اصطلاحات پیچیده برنامه‌نویسی و به شکلی کاملا روان بررسی می‌کنیم. با مطالعه این مقاله، متوجه خواهید شد که شبکه‌های مدرن چگونه با استفاده از پردازش موازی و مستقل نودها (Nodes)، سد مقیاس‌پذیری را شکسته‌اند و سرعت تراکنش‌ها (TPS) را حتی در شلوغ‌ترین روزهای بازار، بالا و کارمزدها را پایین نگه می‌دارند.

مفهوم غیر هم‌زمانی (Asynchronous) به زبان ساده

وقتی وارد دنیای فناوری و به خصوص شبکه‌ی بلاکچین می‌شویم، با کلمات انگلیسی زیادی برخورد می‌کنیم که شاید در نگاه اول کمی پیچیده به نظر برسند. اما پشت بیشتر این کلمات، مفاهیم بسیار ساده‌ای پنهان شده است. کلمه‌ی Asynchronous (که اصطلاحا اسینکرونوس یا غیر هم‌زمان خوانده می‌شود) دقیقا یکی از همین موارد است. برای درک بهتر این موضوع، بیایید ابتدا ببینیم این کلمه در زبان برنامه‌نویسی و شبکه‌های کامپیوتری دقیقا چه کاربردی دارد.

عبارت Asynchronous در دنیای فناوری چه معنایی دارد؟

در دنیای فناوری اطلاعات، غیر هم‌زمانی به زبان خیلی ساده یعنی عدم وابستگی وظایف به یکدیگر. در یک سیستم غیر هم‌زمان، کامپیوتر برای انجام دادن یک تسک (وظیفه یا دستور پردازشی) منتظر تمام شدن دستور قبلی نمی‌ماند.

به عبارت دیگر، اجزای مختلف سیستم می‌توانند کار خودشان را به صورت کاملا مستقل و موازی پیش ببرند. وقتی یک درخواست زمان‌بر به سیستم ارسال می‌شود، سیستم آن درخواست را در پس‌زمینه پردازش می‌کند و در همان لحظه سراغ انجام دادن کارهای دیگر می‌رود. وقتی آن کار طولانی تمام شد، سیستم فقط نتیجه‌ی نهایی را اعلام می‌کند. این معماری باعث می‌شود که کل سیستم به خاطر یک پردازش کند متوقف نشود و اصطلاحا فریز (هنگ کردن و از کار افتادن موقت سیستم) اتفاق نیفتد.

مقایسه سیستم‌های هم‌زمان و غیر هم‌زمان

برای این که این مفهوم تکنیکال را بهتر درک کنیم، بیایید آن را با یک مثال ملموس از زندگی روزمره‌ی خودمان مقایسه کنیم. تفاوت سیستم هم‌زمان و غیر هم‌زمان دقیقا مثل تفاوت صف یک باجه‌ی بانکی و پیشخوان یک رستوران فست‌فود است:

• مدل هم‌زمان (Synchronous): تصور کنید در یک بانک فقط یک باجه‌ی فعال وجود دارد و افراد در یک صف ایستاده‌اند. نفر اول به باجه می‌رود تا کار بانکی خود را انجام دهد. اگر کار این شخص ده دقیقه طول بکشد، نفر دوم و تمام افراد پشت سر او باید دقیقا ده دقیقه منتظر بمانند. در این حالت، سیستم به صورت خطی کار می‌کند و تا کار نفر اول تمام نشود، کار نفر بعدی شروع نخواهد شد. در شبکه‌های قدیمی، این حالت باعث ایجاد گلوگاه (نقطه‌ای که ترافیک داده‌ها گیر می‌کند و سرعت کل شبکه به شدت افت می‌کند) می‌شود.
• مدل غیر هم‌زمان (Asynchronous): حالا یک رستوران فست‌فود شلوغ را در نظر بگیرید. شما سفارش خود را به صندوق‌دار می‌دهید، هزینه را پرداخت می‌کنید و یک پیجر (دستگاه اعلام نوبت) می‌گیرید. صندوق‌دار منتظر نمی‌ماند تا غذای شما آماده شود؛ او بلافاصله سفارش نفر بعدی را ثبت می‌کند. در همین حین، آشپزخانه‌ی رستوران در حال آماده کردن سفارش شما و چندین نفر دیگر به صورت هم‌زمان است. هر زمان غذای شما آماده شد، پیجر زنگ می‌خورد و شما غذای خود را تحویل می‌گیرید.

در یک شبکه‌ی بلاکچین غیر هم‌زمان نیز دقیقا همین اتفاق می‌افتد. نود ها (کامپیوترهای متصل به شبکه که وظیفه‌ی تایید اطلاعات را دارند) برای پردازش تراکنش‌ها در صف منتظر نمی‌مانند و داده‌ها را به صورت مستقل پردازش می‌کنند. این طراحی هوشمندانه باعث می‌شود تا کاربران برای دریافت خدمات با کندی آزاردهنده‌ی شبکه مواجه نشوند و تجربه‌ی کاربری بسیار روانی داشته باشند.

فناوری غیر هم‌زمان در بلاکچین چیست و چگونه کار می‌کند؟

حالا که با مفهوم پایه‌ای عدم وابستگی زمانی آشنا شدیم، بیایید بررسی کنیم که این فناوری در دنیای رمزارزها چطور عمل می‌کند. شبکه‌ی بلاکچین در واقع یک دفتر کل توزیع‌شده (یک دفتر ثبت اطلاعات عمومی که نسخه‌ای از آن در دست همه‌ی کامپیوترهای متصل به شبکه قرار دارد) است. برای ثبت اطلاعات جدید در این دفتر، تمام اعضا باید با هم به توافق برسند تا امنیت حفظ شود. اما نحوه‌ی رسیدن به این توافق و سرعت پردازش آن، تفاوت اصلی شبکه‌های نسل قدیم و جدید را رقم می‌زند.

چالش شبکه‌های سنتی: چرا بلاکچین‌های قدیمی کند می‌شوند؟

در بلاکچین‌های قدیمی‌تر و شناخته‌شده‌تر، ساختار پردازش اطلاعات به صورت هم‌زمان است. فرآیند کار در این شبکه‌ها به این شکل است که هر تراکنش جدید ابتدا وارد یک اتاق انتظار به نام ممپول (Mempool - فضای موقتی برای نگهداری تراکنش‌هایی که هنوز تایید نشده‌اند) می‌شود. سپس اعتبارسنج‌ها این تراکنش‌ها را برمی‌دارند و در قالب یک بلاک (بسته‌ای رمزنگاری‌شده از داده‌ها که تراکنش‌ها در آن ذخیره می‌شوند) دسته‌بندی می‌کنند.

مشکل اصلی این شبکه‌ها خطی بودن آن‌هاست. یعنی تا زمانی که بلاک فعلی به طور کامل توسط تمام اعضای شبکه بررسی و تایید نشود، هیچ‌کس نمی‌تواند سراغ ساخت و تایید بلاک بعدی برود. این ساختار خطی و پشت سر هم، دو چالش بزرگ ایجاد می‌کند:

• ایجاد گلوگاه: وقتی تعداد کاربران بالا می‌رود، این ساختار باعث ایجاد گلوگاه (نقطه‌ای از شبکه که به دلیل ترافیک بالای داده‌ها، سرعت کل سیستم در آنجا به شدت افت می‌کند) می‌شود.
• افت سرعت و افزایش هزینه: در زمان هجوم کاربران، تراکنش‌ها در صف‌های طولانی منتظر می‌مانند و کاربران برای اینکه تراکنش آن‌ها زودتر تایید شود، مجبورند کارمزد بیشتری پرداخت کنند.

راهکار Asynchronous: پردازش مستقل و موازی تراکنش‌ها

اینجا است که فناوری غیر هم‌زمان وارد میدان می‌شود تا شبکه‌ی بلاکچین را از ترافیک‌های سنگین و کندی نجات دهد. در یک معماری Asynchronous، نودها (Nodes - کامپیوترهای داوطلب متصل به شبکه که وظیفه‌ی پردازش، تایید و حفظ امنیت داده‌ها را بر عهده دارند) مجبور نیستند برای تایید یک مجموعه‌ از تراکنش‌ها، منتظر هماهنگی فوری و تایید تک‌تک اعضای دیگر در همان ثانیه بمانند.

این سیستم به جای پردازش خطی، از پردازش موازی (Parallel Processing - انجام دادن چندین عملیات مختلف به صورت مستقل و در یک زمان واحد) استفاده می‌کند. این مکانیزم به شکل زیر عمل می‌کند:

• استقلال نودها: هر بخش از شبکه‌ی بلاکچین می‌تواند دسته‌ای از تراکنش‌ها را به صورت کاملا مستقل بررسی و تایید کند، بدون اینکه نگران وضعیت پردازش در بخش‌های دیگر شبکه باشد.
• همگام‌سازی نهایی: نودها پس از اینکه وظیفه‌ی خود را به پایان رساندند، نتایج نهایی را با کل شبکه به اشتراک می‌گذارند تا دفتر کل به‌روزرسانی شود.
• حذف زمان انتظار: از آنجایی که هیچ بخشی از شبکه معطل بخش دیگر نمی‌ماند، بلاک‌ها به صورت هم‌زمان در گوشه و کنار شبکه ساخته و تایید می‌شوند.

برای درک بهتر، تصور کنید که فناوری غیر هم‌زمان، یک جاده‌ی خاکی یک‌طرفه را به یک اتوبان چندباند‌ی بسیار عریض تبدیل می‌کند. در این اتوبان، تراکنش‌ها مثل ماشین‌هایی هستند که می‌توانند بدون گیر کردن در ترافیک و بدون معطلی برای عبور ماشین‌های جلویی، با سرعت بالا و به موازات هم حرکت کنند. این معماری هوشمندانه باعث می‌شود تا شبکه‌ی رمزارز بتواند حتی در شلوغ‌ترین روزهای بازار، سریع و ارزان باقی بماند.

چرا بلاکچین‌ها به معماری Asynchronous نیاز دارند؟

با رشد روزافزون دنیای رمزارزها و ورود کاربران جدید، شبکه‌های قدیمی دیگر توانایی پاسخگویی به این حجم عظیم از درخواست‌ها را ندارند. معماری غیر هم‌زمان دقیقا برای حل مشکلات همین شبکه‌های قدیمی طراحی شده است. تغییر ساختار از حالت خطی به حالت موازی، سه مزیت بسیار مهم و حیاتی را برای توسعه‌ی بلاکچین به همراه دارد که در ادامه آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

افزایش چشمگیر سرعت و مقیاس‌پذیری (TPS)

یکی از مهم‌ترین معیارهای ارزیابی قدرت یک شبکه‌ی بلاکچین، میزان مقیاس‌ پذیری (Scalability - توانایی سیستم برای رشد و مدیریت حجم بالایی از کارها بدون افت کیفیت) آن است. این مقیاس‌پذیری معمولا با شاخصی به نام تی‌پی‌اس یا TPS (تعداد تراکنش‌هایی که شبکه می‌تواند در یک ثانیه پردازش کند) اندازه‌گیری می‌شود.

در سیستم‌های هم‌زمان، چون همه باید منتظر تایید شدن بلاک قبلی بمانند، سرعت پردازش بسیار پایین است. اما در شبکه‌های Asynchronous، به دلیل این که چندین گروه از کامپیوترها به صورت هم‌زمان و مستقل در حال بررسی تراکنش‌های مختلف هستند، سرعت شبکه به شکل خیره‌کننده‌ای افزایش می‌یابد. به این ترتیب، شبکه‌ی مورد نظر می‌تواند به جای چند ده تراکنش در ثانیه، هزاران تراکنش را در کسری از ثانیه پردازش کند و تجربه‌ی بسیار روانی را برای کاربران رقم بزند.

کاهش هزینه‌ها و ثابت ماندن کارمزد تراکنش‌ها در اوج ترافیک

در شبکه‌های سنتی، زمانی که بازار نوسان شدیدی دارد و کاربران زیادی می‌خواهند به صورت هم‌زمان دارایی‌های خود را جابجا کنند، یک رقابت سنگین شکل می‌گیرد. در این حالت، کاربرانی که می‌خواهند تراکنش آن‌ها زودتر از بقیه تایید شود، باید گس فی یا Gas Fee (هزینه‌ای که کاربران به عنوان کارمزد برای تایید تراکنش خود به شبکه می‌پردازند) بیشتری پرداخت کنند. این موضوع باعث می‌شود در زمان‌های شلوغی بازار، هزینه‌ی کارمزدها به شدت گران شود.

اما معماری غیر هم‌زمان این مشکل را به طور ریشه‌ای حل کرده است. از آنجا که تراکنش‌ها به صورت موازی پردازش می‌شوند و در واقع صف طولانی و واحدی وجود ندارد تا افراد برای رسیدن به ابتدای آن با هم رقابت کنند، هزینه‌ی تراکنش‌ها همیشه پایین و باثبات باقی می‌ماند. این ویژگی یک مزیت اقتصادی بسیار بزرگ محسوب می‌شود؛ به ویژه برای کاربرانی که سرمایه‌ی کمتری دارند یا روزانه تراکنش‌های متعددی انجام می‌دهند.

پایداری شبکه و جلوگیری از قطعی در زمان هجوم کاربران

گاهی اوقات در بازار اتفاقاتی رخ می‌دهد که باعث هجوم ناگهانی کاربران به یک شبکه می‌شود؛ برای مثال زمان عرضه‌ی یک توکن جدید یا هنگام انتشار اخبار مهم اقتصادی. در شبکه‌های خطی، این هجوم ناگهانی می‌تواند باعث اضافه بار (Overload - وارد شدن فشاری بیش از توان پردازشی سیستم به سرورها) شود که نتیجه‌ی آن، کندی شدید یا حتی قطعی و توقف موقت کل شبکه است.

در شبکه‌های مبتنی بر فناوری Asynchronous، پایداری سیستم بسیار بالاتر است. چون وظایف به صورت هوشمندانه بین بخش‌های مختلف شبکه تقسیم شده و هیچ بخشی منتظر بخش دیگر نیست. در نتیجه، حتی اگر یک قسمت از شبکه با ترافیک بالایی روبرو شود، سایر بخش‌ها بدون مشکل به کار عادی خود ادامه می‌دهند. این تقسیم کار باعث می‌شود تا خطر قطعی شبکه به حداقل ممکن برسد و معامله‌گران بتوانند با خیالی آسوده در هر شرایطی دارایی‌های خود را مدیریت کنند.

معرفی بلاکچین‌های مبتنی بر ساختار غیر هم‌زمان

تا به اینجا متوجه شدیم که فناوری غیر هم‌زمان چقدر می‌تواند برای آینده‌ی شبکه‌های غیرمتمرکز مفید و راهگشا باشد. اما شاید این سوال برای شما پیش بیاید که کدام پروژه‌ها در دنیای واقعی از این معماری استفاده می‌کنند؟ در حالی که غول‌های قدیمی بازار مانند بیت‌کوین بر اساس همان مدل سنتی و خطی کار می‌کنند، شبکه‌های نسل جدید برای حل مشکل ترافیک و کارمزد، از همان ابتدا به سمت مدل‌های موازی رفته‌اند.

یکی از بارزترین نمونه‌های این فناوری در حال حاضر، شبکه‌ی ونوم (Venom Foundation) است. این پروژه به طور ویژه بر پایه‌ی معماری غیر هم‌زمان ساخته شده است تا بتواند به مقیاس‌پذیری بی‌نهایت دست پیدا کند و محدودیت‌های شبکه‌های قدیمی را از بین ببرد.

در شبکه‌ی ونوم، قراردادهای هوشمند (Smart Contracts - کدهای برنامه‌نویسی شده‌ای که توافقات و دستورات را بدون نیاز به واسطه و به صورت خودکار روی بلاکچین اجرا می‌کنند) به جای اینکه در یک صف طولانی منتظر بمانند، به صورت کاملا مستقل و هم‌زمان با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و وظایف خود را انجام می‌دهند. برای اینکه شبکه‌هایی مانند ونوم بتوانند این سطح از سرعت و هماهنگی را ارائه دهند، معمولا ساختار خود را به بخش‌های مختلفی تقسیم می‌کنند:

• زنجیره‌ی اصلی یا لایه‌ی پایه: این بخش مانند هسته‌ی مرکزی سیستم عمل می‌کند و وظیفه‌ی حفظ امنیت کلی شبکه و هماهنگ کردن نهایی اطلاعات بین تمام بخش‌ها را بر عهده دارد.
• زنجیره‌های کاری (Workchains): این زنجیره‌ها مانند کارخانه‌های کوچکی هستند که به صورت موازی با یکدیگر فعالیت می‌کنند و هر کدام وظیفه‌ی پردازش دسته‌ی خاصی از تراکنش‌ها یا قراردادهای هوشمند را بر عهده دارند.

با استفاده از این طراحی انعطاف‌پذیر، پروژه‌های مبتنی بر سیستم غیر هم‌زمان می‌توانند در زمان شلوغی بازار، به طور خودکار زنجیره‌های کاری جدیدی ایجاد کنند تا بار ترافیک بین آن‌ها تقسیم شود. به این ترتیب، هیچ‌گونه افت سرعتی در پردازش اطلاعات به وجود نمی‌آید. این دقیقا همان ویژگی جذابی است که به صرافی‌ها و پلتفرم‌های ارائه‌دهنده‌ی خدمات دیجیتال اجازه می‌دهد تا هزاران تراکنش کاربران خود را در لحظه، با کمترین هزینه و بالاترین پایداری پردازش کنند.

مقایسه بلاکچین هم‌زمان و غیر هم‌زمان

حالا که با مزایا و نحوه‌ی کارکرد این فناوری آشنا شدیم، بهترین راه برای مرور و تثبیت اطلاعات، مقایسه‌ی مستقیم این دو معماری است. برای تصویرسازی بهتر، شبکه‌های هم‌زمان را مانند یک خیابان باریک در نظر بگیرید که ماشین‌ها باید دقیقا یکی پس از دیگری از آن عبور کنند؛ در مقابل، شبکه‌های غیر هم‌زمان شبیه به یک بزرگراه وسیع و چند بانده هستند که صدها ماشین می‌توانند به موازات هم و بدون ایجاد مزاحمت برای یکدیگر در آن حرکت کنند. برای درک سریع‌تر و شفاف‌تر تفاوت‌ها، ویژگی‌های کلیدی این دو سیستم را در جدول زیر دسته‌بندی کرده‌ایم:

ویژگی اصلی	بلاکچین هم‌زمان (Synchronous)	بلاکچین غیر هم‌زمان (Asynchronous)
نحوه‌ی پردازش تراکنش‌ها	خطی و کاملا وابسته به تایید بلوک قبلی	موازی و کاملا مستقل از سایر بخش‌های شبکه
سرعت و مقیاس‌پذیری	محدود و نسبتا کند (مستعد ایجاد ترافیک داده)	بسیار بالا و با قابلیت پردازش هزاران تراکنش در ثانیه
وضعیت کارمزدها	افزایش شدید هزینه‌ها در زمان شلوغی بازار	کاملا ارزان و باثبات حتی در اوج ترافیک شبکه
پایداری سیستم	احتمال افت شدید سرعت در زمان هجوم کاربران	بسیار مقاوم و پایدار در برابر درخواست‌های ناگهانی
مثال واقعی	شبکه‌های نسل اول و دوم مانند بیت‌کوین	شبکه‌های نسل جدید مانند پروژه‌ی ونوم

همان‌طور که در جدول بالا می‌بینیم، ساختار هم‌زمان برای دورانی طراحی شده بود که تعداد کاربران دنیای رمزارزها محدود بود. اما امروزه با رشد چشمگیر بازار و استفاده‌ی گسترده از برنامه‌های غیرمتمرکز (DApps - اپلیکیشن‌هایی که روی شبکه‌ی بلاکچین اجرا می‌شوند و تحت کنترل هیچ شخص، نهاد مرکزی یا شرکتی نیستند)، به توان عملیاتی (Throughput - ظرفیت سیستم برای پردازش حجم مشخصی از اطلاعات در یک بازه‌ی زمانی معین) بسیار بالایی نیاز داریم.

معماری غیر هم‌زمان، راه‌حل قطعی و هوشمندانه‌ی دنیای فناوری برای پاسخ به این نیاز است. این ساختار مدرن به شبکه‌های بلاکچینی اجازه می‌دهد تا از نظر سرعت و کارایی با سیستم‌های مالی و بانکی سنتی رقابت کنند و تجربه‌ی کاربری بی‌نقصی را برای سرمایه‌گذاران رقم بزنند.

منابع:

Medium.com

Tangem.com

Coinmarketcap