कल्पना कीजिए कि एक ऐसी दुनिया है जहाँ लाखों लोग एक विशाल, साझा डायरी को पूरी तरह से सिंक (sync) रखने की कोशिश कर रहे हैं। यह सिर्फ कोई साधारण डायरी नहीं है; यह एक डिजिटल लेजर (ledger) है जो सब कुछ रिकॉर्ड करता है—जैसे कि एक डिजिटल बिल्ली का मालिक कौन है या किसने किसे पैसे भेजे। पेच क्या है? हर एक प्रविष्टि (entry) पर सभी को सहमत होना होगा, और समूह में कुछ लोग शरारती झूठे भी हो सकते हैं जो सिस्टम को धोखा देने की कोशिश कर रहे हैं। यह ब्लॉकचेन (blockchain) की रोमांचक दुनिया है, जो क्रिप्टोकरेंसी और विकेंद्रीकृत ऐप्स (decentralized apps) के पीछे की तकनीक है।

लंबे समय तक, इन डिजिटल डायरियों में एक बड़ा ट्रैफिक जाम लगा रहा। सबको ईमानदार बनाए रखने के लिए, समूह के हर एक व्यक्ति को डायरी का पूरा नया पन्ना पढ़ना पड़ता था, हर शब्द की जांच करनी पड़ती थी और उसे खुद एक-एक करके लिखना पड़ता था। यह एक क्लासरूम की तरह था जहाँ बोर्ड पर दिए गए हर गणित के सवाल को हर छात्र को हल करना पड़ता था, भले ही उन्हें केवल एक सवाल दिया गया हो। इसने सिस्टम को धीमा और महंगा बना दिया, खासकर जब अधिक लोग इसमें शामिल हुए। वैज्ञानिक इसे "बाइजेंटाइन फॉल्ट टॉलरेंस" (Byzantine Fault Tolerance) कहते हैं, जो एक फैंसी तरीका है यह कहने का कि सिस्टम सुरक्षित रहता है भले ही कुछ सदस्य धोखाधड़ी करने की कोशिश कर रहे हों। शोधकर्ता एक सवाल पूछ रहे थे: क्या हम इस समूह को बिना धोखेबाजों को पार्टी खराब करने दिए, अधिक तेज़ी से काम करने के लायक बना सकते हैं?

यहाँ OPERA आता है, जो हन्यांग यूनिवर्सिटी (Hanyang University) के शोधकर्ताओं का एक नया विचार है, जो इस काम को बांटकर इस ट्रैफिक जाम को हल करने की कोशिश करता है। हर किसी को पूरा पन्ना पढ़ने के बजाय, OPERA पन्ने के अलग-अलग हिस्सों को अलग-अलग छात्रों को सौंप देता है। यह एक बड़े 'पॉटलक' (potluck) जैसा है जहाँ हर कोई एक अलग व्यंजन लाता है, लेकिन वे एक-दूसरे के खाने को चखते भी हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि किसी ने ज़हरीला सेब तो नहीं परोसा। शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए OPERA-PBFT नामक एक सिस्टम बनाया। उन्होंने पाया कि नोड्स (वे कंप्यूटर जो ब्लॉकचेन चला रहे हैं) को लेनदेन के केवल एक छोटे हिस्से को निष्पादित करने और फिर एक-दूसरे के काम की दोबारा जांच करने की अनुमति देकर, वे सिस्टम को बहुत तेज़ बना सकते हैं। अपने परीक्षणों में, इस नई पद्धति ने 33,787 लेनदेन प्रति सेकंड से अधिक को संभाला, जो मौजूदा तेज़ प्रणालियों जैसे कि एप्टोस (Aptos) से लगभग 2.4 गुना तेज़ है। यहाँ तक कि जब काम अव्यवस्थित और अराजक हो गया, जहाँ कई लेनदेन एक ही डेटा के लिए आपस में लड़ रहे थे, तब भी OPERA केवल 7% धीमा हुआ, जबकि अन्य सिस्टम क्रैश हो गए या नाटकीय रूप से धीमे हो गए।

समस्या: "हर कोई सब कुछ करता है" वाला बॉटलनेक (Bottleneck)

एक पारंपरिक ब्लॉकचेन को एक बहुत सख्त लाइब्रेरी की तरह समझें। जब एक नई किताब (लेनदेन का एक ब्लॉक) आती है, तो इमारत में मौजूद हर एक लाइब्रेरियन (नोड) को शुरू से अंत तक पूरी किताब पढ़नी होती है, हर तथ्य की जांच करनी होती है, और उसे अपनी व्यक्तिगत प्रति में लिखना होता है। भले ही लाइब्रेरी में 100 लाइब्रेरियन हों, पूरी लाइब्रेरी की गति सबसे धीमे लाइब्रेरियन द्वारा सीमित होती है। यदि एक लाइब्रेरियन धीमा है या उसका ध्यान भटक गया है, तो पूरी लाइन रुक जाती है। इसे "फुल रेप्लिकेशन" (full replication) कहा जाता है। यह सुरक्षित है क्योंकि हर कोई सब कुछ जांचता है, लेकिन यह अविश्वसनीय रूप से बर्बादी भरा है। यह एक रसोई में 100 शेफ होने जैसा है, जहाँ हर एक शेफ को पूरा 10-कोर्स का भोजन बनाना पड़ता है, भले ही उन्हें केवल यह जानने के लिए एक व्यंजन चखने की आवश्यकता हो कि वह अच्छा है।

समाधान: "विशेषज्ञ पॉटलक" (Specialized Potluck)

इस पेपर के लेखकों, सुंगवूक चुंग (Sungwook Chung) और उनकी टीम ने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या होगा अगर हम सबको पूरा भोजन न बनाने दें?

उन्होंने OPERA का प्रस्ताव दिया, जो ब्लॉकचेन चलाने का एक नया तरीका है जो पार्शियल रेप्लिकेशन (partial replication) का उपयोग करता है। उसी रसोई की कल्पना करें, लेकिन इस बार मुख्य शेफ (लीडर) एक मेनू बांटता है। हर शेफ को पूरा 10-कोर्स का भोजन बनाने के बजाय, शेफ A केवल ऐपेटाइज़र (appetizers) बनाता है, शेफ B केवल सूप बनाता है, और शेफ C केवल डेज़र्ट (dessert) बनाता है।

लेकिन यहाँ पेच है: क्या होगा यदि शेफ A एक झूठा है और खराब सलाद परोस देता है? पुराने सिस्टम में, हर कोई इसे पकड़ लेता क्योंकि हर कोई सब कुछ चखता था। OPERA में, चूंकि शेफ B और C ने सलाद को छुआ भी नहीं, तो उन्हें कैसे पता चलेगा कि वह सुरक्षित है?

OPERA इसे एक चतुर दो-चरणीय नृत्य (two-step dance) के साथ हल करता है:

1. "भरोसा करें लेकिन जांचें" असाइनमेंट: प्रत्येक लेनदेन (व्यंजन) को पकाने के लिए शेफ (नोड्स) के एक छोटे समूह को सौंपा जाता है। विशेष रूप रूप से, इसे f + 1 प्राथमिक शेफ और f - k बैकअप शेफ को दिया जाता है। संख्या f उन अधिकतम झूठों को दर्शाता है जिन्हें सिस्टम संभाल सकता है। यदि सिस्टम 2 झूठों को संभाल सकता है, तो कम से कम 3 शेफों को खाना बनाना चाहिए और परिणाम पर सहमत होना चाहिए।
2. "टेस्ट-टेस्ट" सर्टिफिकेट: एक बार जब प्राथमिक शेफ अपना काम पूरा कर लेते हैं, तो वे केवल यह नहीं कहते कि "यह हो गया।" वे एक रीड/राइट सेट (read/write set) सौंपते हैं। इसे एक रसीद के रूप में समझें जो कहती है, "मैंने इन सामग्रियों को पढ़ा और इन स्वादों को बदला।" अन्य शेफ इन रसीदों को देखते हैं। यदि f + 1 शेफ (झूठों को हराने के लिए आवश्यक न्यूनतम संख्या) बिल्कुल एक जैसी रसीद सौंपते हैं, तो सिस्टम विश्वास करता है कि व्यंजन सुरक्षित है।

यदि कोई प्राथमिक शेफ झूठा है या गायब हो जाता है (एक "बाइजेंटाइन फॉल्ट"), तो बैकअप शेफ व्यंजन पकाने के लिए आगे आते हैं और अपनी रसीदें जनरेट करते हैं। एक बार में पर्याप्त मैचिंग रसीदें एकत्र हो जाने के बाद, व्यंजन को "सत्यापित" माना जाता है।

"टकराव" का नृत्य: जब व्यंजन टकराते हैं

कभी-कभी, दो अलग-अलग व्यंजनों को एक ही सामग्री की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, दो लेनदेन एक ही समय में एक ही वॉलेट से पैसे खर्च करने की कोशिश कर सकते हैं। पुराने "हर कोई सब कुछ पकाता है" वाले सिस्टम में, शेफ बस बारी-बारी से काम करते थे। OPERA में, चूंकि अलग-अलग शेफ अलग-अलग चीजें पका रहे हैं, वे अनजाने में एक ही समय में एक ही सामग्री का उपयोग करने की कोशिश कर सकते हैं।

इसे ठीक करने के लिए, OPERA कॉन्फ्लिक्ट-रिजॉल्विंग डिटरमिनिस्टिक री-एग्जीक्यूशन (Conflict-Resolving Deterministic Re-execution - CRDR) नामक तकनीक का उपयोग करता है। यह एक रेफरी की तरह है जो खाना पकाने पर नज़र रखता है।

• पहले, सिस्टम सभी रसीदों को देखता है कि कौन से व्यंजन आपस में टकरा रहे हैं।
• यह गैर-टकराव वाले व्यंजनों को एक साथ समूहबद्ध करता है और उन्हें तुरंत परोसने देता है।
• टकराने वाले व्यंजनों के लिए, सिस्टम उन्हें एक विशिष्ट क्रम में एक-एक करके फिर से चलाता है, ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि अंतिम परिणाम एकदम सही हो।

यह सुनिश्चित करता है कि भले ही काम को विभाजित किया गया था, अंतिम परिणाम बिल्कुल वैसा ही होगा जैसे किसी एक व्यक्ति ने इसे अकेले किया हो। यह गारंटी देता है कि "डायरी" सुसंगत बनी रहती है और कोई भी धोखाधड़ी नहीं कर सकता।

परिणाम: पार्टी को तेज़ बनाना

शोधकर्ताओं ने इस विचार का परीक्षण करने के लिए OPERA-PBFT बनाया, जो इस नए विभाजित-कार्य पद्धति का उपयोग करने वाला ब्लॉकचेन संस्करण है। उन्होंने विभिन्न संख्या में कंप्यूटरों और विभिन्न प्रकार के वर्कलोड के साथ सिमुलेशन चलाए।

• बड़ी जीत: अपने परीक्षणों में, OPERA-PBFT ने 33,787 लेनदेन प्रति सेकंड (TPS) की गति प्राप्त की। यह एप्टोस (Aptos) से 2.4 गुना तेज़ है, जो गति के वर्तमान लीडरों में से एक है।
• "मेसी" टेस्ट: उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि जब काम अराजक हो जाता है (जिसे "स्क्यूड वर्कलोड्स" कहा जाता है, जहाँ कई लेनदेन एक ही डेटा के लिए लड़ते हैं), तो क्या होता है। अधिकांश सिस्टम इस परिदृश्य में नाटकीय रूप रूप से धीमे हो जाते हैं। OPERA-PBFT केवल 7% धीमा हुआ, जबकि एप्टोस जैसे अन्य सिस्टम 77% तक धीमे हो गए।
• लागत: उन्होंने यह भी मापा कि सिस्टम कितना "काम" करता है। एक पारंपरिक सिस्टम में, हर कंप्यूटर हर कार्य करता है। OPERA में, कुल कार्य में 44% तक की कमी आई। इसका मतलब है कि सिस्टम न केवल तेज़ है, बल्कि अधिक कुशल भी है, जो कम ऊर्जा और कंप्यूटिंग शक्ति का उपयोग करता है।

यह क्यों मायने रखता है

यह पेपर सुझाव देता है कि हमें सुरक्षा और गति के बीच चुनाव करने की आवश्यकता नहीं है। लंबे समय तक, लोगों को लगता था कि ब्लॉकचेन को झूठों से सुरक्षित रखने के लिए, सभी को सब कुछ करना होगा। OPERA दिखाता है कि आप काम को विभाजित कर सकते हैं, अलग-अलग कंप्यूटरों को अलग-अलग हिस्से संभालने दे सकते हैं, और फिर भी सिस्टम को सुरक्षित और तेज़ रख सकते हैं।

यह यह समझने जैसा है कि एक विशाल ऑर्केस्ट्रा को सुंदर संगीत बनाने के लिए हर संगीतकार को हर वाद्य यंत्र बजाने की आवश्यकता नहीं होती है। यदि कंडक्टर (प्रोटोकॉल) सही खिलाड़ियों को सही हिस्से सौंपता है और यह सुनिश्चित करता है कि वे एक-दूसरे को सुनें, तो संगीत को पहले से कहीं अधिक तेज़ी से और ज़ोर से बजाया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह दृष्टिकोण तब भी काम करता है जब कुछ खिलाड़ी गलत नोट बजाने की कोशिश करते हैं, जो यह साबित करता है कि एक ब्लॉकचेन एक सुपर-सिक्योर वॉल्ट (vault) और एक हाई-स्पीड हाईवे दोनों हो सकता है।