ترميز Erasure Coding

يُعد ترميز المحو من أحدث تقنيات تخزين البيانات، إذ يقسم المعلومات إلى أجزاء متعددة ويضيف بيانات زائدة، ما يتيح استعادة البيانات بالكامل حتى إذا فقدت بعض الأجزاء. في أنظمة البلوك تشين والتخزين الموزع، أصبح ترميز المحو تقنية أساسية لضمان موثوقية البيانات وكفاءة التخزين ومتانة الأنظمة. وبالمقارنة مع طرق النسخ الاحتياطي التقليدية، يمنح ترميز المحو نفس أو أعلى درجات الموثوقية مع تقليل كبير في حجم التخزين المطلوب، ما يجعله خيارًا مثاليًا في بيئات التخزين واسعة النطاق.

الخلفية: ما أصل ترميز المحو؟

انطلقت تقنية ترميز المحو من مجالي نظرية المعلومات ونظرية الترميز، حيث طورها مختصون في علوم الحاسوب لمعالجة فقدان البيانات في أنظمة الاتصالات. ويرجع أصل المفهوم إلى ستينيات القرن الماضي، لكن أهميته اكتسبت زخمًا واسعًا مؤخرًا مع انتشار الأنظمة الموزعة وتقنيات البلوك تشين.
تشمل مراحل تطور ترميز المحو:

1. المرحلة المبكرة: تطبيق في أنظمة الاتصالات ووسائط التخزين، مثل أكواد تصحيح الأخطاء في تقنيات الأقراص الضوئية المضغوطة والأقراص الرقمية
2. مرحلة النمو: إدخال خوارزميات مثل ترميز ريد-سولومون إلى مراكز البيانات الكبرى مع انتشار أنظمة التخزين الموزع
3. التكامل مع البلوك تشين: اعتماد تقنية ترميز المحو مؤخرًا في مشاريع البلوك تشين لتحسين كفاءة التخزين، مثل Filecoin وSia وشبكات التخزين اللامركزية الأخرى
4. التحسينات الحديثة: تطوير أنواع متقدمة من ترميز المحو مخصصة لبيئات البلوك تشين، للتغلب على مشكلات النطاق الترددي وسرعة الاستعادة

آلية العمل: كيف يعمل ترميز المحو؟

يعتمد ترميز المحو على تقسيم البيانات الأصلية وتحويلها إلى مجموعة مشفرة أكبر، بحيث يمكن لأي مجموعة فرعية ذات حجم كافٍ أن تعيد بناء البيانات الأصلية بالكامل. وتشمل العملية الرئيسية:

1. تقسيم البيانات: تقسيم البيانات الأصلية إلى k أجزاء متساوية
2. الحسابات الترميزية: إنتاج m أجزاء زائدة إضافية باستخدام خوارزميات الترميز
3. التخزين الموزع: توزيع جميع الأجزاء k+m على عقد الشبكة المختلفة
4. استعادة البيانات: استرجاع البيانات بالكامل عند توفر أي k أجزاء عشوائية، سواء كانت أصلية أو زائدة
   من أشهر خوارزميات ترميز المحو:
5. ترميز ريد-سولومون: الخوارزمية الأكثر استخدامًا، وتوفر أقصى كفاءة تخزين
6. أكواد النوافير: فئة خاصة من ترميز المحو، مثل أكواد LT وأكواد Raptor، مناسبة لنقل تدفقات البيانات
7. الأكواد القابلة للاستعادة محليًا: محسنة لتقليل النطاق الترددي اللازم لإصلاح جزء واحد
8. أكواد الاستعادة المتجددة: نوع حديث يعمل على تعزيز كفاءة استعادة البيانات
   تستخدم شبكات البلوك تشين عادة ترميز المحو بالتوازي مع تقنيات التجزئة لرفع كفاءة الشبكة وضمان توافر البيانات.

ما هي مخاطر وتحديات ترميز المحو؟

رغم المزايا الكبيرة لترميز المحو، إلا أنه يواجه عدة تحديات في تطبيقات البلوك تشين والأنظمة الموزعة:

1. التعقيد الحسابي:
   • يتطلب الترميز وفك الترميز موارد حسابية كبيرة، خاصة مع مجموعات البيانات الضخمة
   • قد يسبب اختناقات في الأداء في البيئات محدودة الموارد
2. مشكلات التأخير:
   • قد يؤدي استرجاع البيانات إلى زيادة التأخير
   • يشكل عائقًا في التطبيقات التي تتطلب وصولًا سريعًا للبيانات
3. تعقيد التنفيذ:
   • يحتاج النظام إلى تنفيذ أكثر تعقيدًا من النسخ الاحتياطي البسيط
   • يزيد من احتمال وجود أخطاء برمجية وثغرات أمنية
4. استهلاك النطاق الترددي:
   • تتطلب بعض أنواع ترميز المحو اتصالات كثيفة أثناء الإصلاح
   • تؤدي إلى ضغط على الشبكات ذات السعة المحدودة
5. تحديات التوافق:
   • يحتاج الاندماج مع بنى البلوك تشين الحالية إلى تصميم دقيق
   • قد يتطلب تعديلات على مستوى البروتوكول للاستفادة الكاملة من المزايا
     تتحدد ملاءمة ترميز المحو وفقًا لطبيعة كل تطبيق، ولا تصلح جميع مشاريع البلوك تشين لهذه التقنية. كما أن اختيار معايير الترميز الملائمة أمر حاسم، إذ أن الإعدادات غير الصحيحة قد تؤدي إلى تراجع الأداء أو مشاكل أمنية.
     يمثل ترميز المحو اتجاهًا استراتيجيًا في تطوير حلول تخزين بيانات البلوك تشين، لتحقيق التوازن بين النسخ الاحتياطي والكفاءة. ومع توسع شبكات التخزين اللامركزية والتطبيقات المعتمدة على البيانات، تزداد أهمية ترميز المحو باستمرار. إذ يعالج القيود التقليدية لطرق النسخ الاحتياطي، ويوفر دعمًا أساسيًا لبناء بنية تحتية للبلوك تشين أكثر اعتمادية وكفاءة، ويتيح آفاقًا جديدة لتطوير قابلية توسع الشبكة مستقبلًا.