مخطط عمل برهاني تعاوني لبروتوكولات الإجماع الموزع

جدول المحتويات

1. المقدمة

تقدم هذه الورقة تحسينًا لمخطط العمل البرهاني التقليدي، الذي يتضمن عادةً العثور على رقم عشوائي ينتج عنه مخرج تجزئة تشفيري بعدد مطلوب من الأصفار البادئة. الابتكار الأساسي هو مخطط عمل برهاني تعاوني مصمم للسماح لمستخدمين مستقلين متعددين بالتعاون في توليد البرهان لمعاملاتهم الخاصة. يهدف هذا التعاون إلى إقامة إجماع على ترتيب المعاملات داخل سجل موزع دون الاعتماد على تجمعات التعدين المركزية.

يسعى المخطط المقترح إلى معالجة القضايا المتأصلة في العمل البرهاني القياسي، مثل سوء محاذاة الحوافز في تجمعات التعدين والسباق التنافسي كثيف الاستهلاك للطاقة بين المعدّنين. من خلال تمكين التعاون المباشر، يتصور المخطط استبدال رسوم المعاملات (التي تُدفع للمعدّنين) بـ ضرائب المعاملات (التي يدفعها المستخدمون المتعاملون أنفسهم). يحمل هذا التحول إمكانية التخفيف من "التأثير التضخمي على استخدام الطاقة" المرتبط بالتعدين التنافسي وتعزيز استراتيجيات أكثر اقتصادًا وتعاونًا.

تشمل الفوائد المحتملة المحددة ما يلي:

• تعزيز الدفاع ضد التمييز بين المستخدمين من قبل معدّني المعاملات.
• زيادة إنتاجية النظام بسبب تقليل المنافسة بين المعدّنين.
• ردع أكبر ضد هجمات حجب الخدمة، حيث ستتكبد الهجمات تكلفة ضريبة المعاملة.

2. الإجماع

تضع الورقة المشكلة في سياق شبكات الند للند التي تتطلب سجلاً موزعًا. يجب أن يتفق جميع الأقران على حالة السجل دون سلطة مركزية أو انتخاب مسبق لقائد.

التحدي الأساسي هو تأخير انتشار الرسائل. في بيئة معاملات مثالية منخفضة التردد، يمكن تحقيق الإجماع من خلال مراقبة توقف في حركة مرور الشبكة—"توقف كامل"—يشير إلى أن جميع الأقران قد شاهدوا على الأرجح نفس مجموعة الرسائل. يمكن بعد ذلك ترتيب هذه الرسائل بشكل قياسي (على سبيل المثال، حسب التجزئة) وإلحاقها بالسجل.

ومع ذلك، فإن ترددات المعاملات في العالم الحقيقي مرتفعة جدًا بالنسبة لهذا المخطط البسيط. هنا يصبح العمل البرهاني حاسمًا. من خلال مطالبة بجهد حسابي (حل لغز تشفيري)، يخفض العمل البرهاني بشكل مصطنع المعدل الفعال الذي يمكن لأي قرين واحد من خلاله اقتراح إدخالات جديدة في السجل. يمكن معايرة صعوبة اللغز لتحديد حد أعلى لتردد المعاملات، مما يخلق "فترات هدوء" ضرورية لظهور إجماع فعلي.

3. العمل البرهاني التعاوني

تقوم الورقة بصياغة المخطط التعاوني لكن المقتطف المقدم مقطوع. بناءً على المقدمة، من المحتمل أن تتضمن الصياغة آلية حيث:

1. يمكن للمستخدمين المساهمين في معاملة أن يساهموا أيضًا بقوة حسابية لحل لغز العمل البرهاني المرتبط.
2. يحل الجهد الجماعي محل عمل المعدّن الفردي.
3. يُشتق الإجماع على ترتيب المعاملات من هذا الجهد التعاوني، وربطًا بمجموعة المستخدمين المتعاونين.
4. "الضريبة" هي مساهمة إلزامية (في الجهد الحسابي أو تكلفة مشتقة) يدفعها أطراف المعاملة، مما يجعل تكلفة الإجماع داخلية.

هذا على النقيض من النموذج التقليدي حيث يتنافس المعدّنون الخارجيون لحل العمل البرهاني للحصول على رسوم، مما يؤدي إلى تجمعات وتَمركز محتمل.

4. الفكرة الأساسية ومنظور المحلل

الفكرة الأساسية: ورقة كويبر ليست مجرد تعديل على خوارزميات التجزئة؛ إنها تدخل اقتصادي ونظري للألعاب أساسي في تصميم سلسلة الكتل. الابتكار الحقيقي هو فصل جهد الإجماع عن التعدين الساعي للربح وربطه مباشرة بفائدة المعاملة. التحول من الرسوم للمعدّن إلى الضريبة من المستخدم يقلب هيكل الحوافز رأسًا على عقب، بهدف محاذاة صحة الشبكة مع تعاون المستخدمين بدلاً من منافسة المعدّنين. هذا يردد مبادئ شوهدت في أبحاث تصميم الآليات من مؤسسات مثل مختبر ستانفورد للاقتصاد التشفيري، التي تستكشف كيفية هيكلة الحوافز لتحقيق نتائج النظام المرجوة.

التدفق المنطقي: الحجة منطقية سليمة لكنها ترتكز على افتراض حاسم غير مثبت: أن المستخدمين سيتعاونون بكفاءة وأمانة دون إدخال عبء تنسيق جديد أو نواقل هجوم. تحدد الورقة بشكل صحيح هدر الطاقة وضغط التمركز (عبر التجمعات) في العمل البرهاني للبيتكوين، كما هو موثق في دراسات عديدة (مثل مؤشر كامبريدج لاستهلاك الكهرباء للبيتكوين). ثم تضع التعاون كترياق. ومع ذلك، القفزة المنطقية هي افتراض أن التعاون أسهل في التنسيق في بيئة عديمة الثقة من المنافسة. يظهر تاريخ أنظمة الند للند أن التعاون غالبًا ما يتطلب بروتوكولات معقدة (مثل المقابل بالمثل في BitTorrent) لمنع الركوب المجاني—وهي مشكلة يجب أن يحلها هذا المخطط.

نقاط القوة والضعف: نقاط القوة: الرؤية مقنعة. تقليل تضخم الطاقة والتمييز الذي يقوده المعدّنون أهداف نبيلة. مفهوم "ضريبة المعاملة" الذي يجعل العوامل الخارجية داخلية أنيق اقتصاديًا، يشبه مفاهيم ضريبة الكربون المطبقة على الهدر الحسابي. نقاط الضعف: الورقة خفيفة بشكل ملحوظ في "الكيفية". الصياغة مقطوعة، لكن حتى الفرضية تفتقر إلى آلية ملموسة لمنع هجمات سايبيل حيث ينشئ المستخدم العديد من الهويات المزيفة لتجنب المساهمة بنصيبهم العادل من العمل. كيف يتم التحقق من "العمل التعاوني" وإسناده؟ بدون هذا، قد يكون النظام أكثر عرضة للخطر، وليس أقل. علاوة على ذلك، فإن استبدال نموذج تنافسي معروف ومختبر جيدًا بنموذج تعاوني جديد يقدم مخاطر كبيرة وعقبات في الاعتماد، وهو تحدٍ واجهته أيضًا ابتكارات إجماع أخرى مثل إثبات الحصة خلال فترات النقد المبكرة لها.

رؤى قابلة للتنفيذ: بالنسبة للباحثين، هذه الورقة منجم ذهب للعمل اللاحق. الخطوة التالية المباشرة هي تصميم ومحاكاة لعبة عمل برهاني تعاوني محددة، وتحليل توازنات ناش فيها. هل تؤدي حتمًا إلى التعاون، أم يمكن التلاعب بها؟ بالنسبة للممارسين، الوجبة الجاهزة الرئيسية هي المبدأ، وليس التنفيذ الفوري. فكر في كيفية تطبيق "تدويل التكلفة التعاونية" في تصميم نظامك. هل يمكن أن يعمل نموذج هجين، حيث تمول ضريبة معاملة أساسية مجموعة لا مركزية من المدققين، ممزجًا أفكارًا من هذه الورقة مع إثبات الحصة المفوض؟ يجب استكشاف الفكرة الأساسية—جعل مصدر المعاملة مسؤولاً عن تكاليف الإجماع—في حلول الطبقة الثانية أو تصميمات السجلات الجديدة حيث نموذج التهديد يختلف عن إعداد البيتكوين الخالي تمامًا من الأذونات.

5. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

بينما الصياغة الكاملة مقطوعة، فإن المخطط المقترح يبني على العمل البرهاني القياسي القائم على التجزئة التشفيرية. يتطلب العمل البرهاني التقليدي العثور على رقم عشوائي $n$ بحيث بالنسبة لبيانات الكتلة $B$، ودالة التجزئة $H$، وهدف الصعوبة $T$:

$H(B, n) < T$

في إعداد تعاوني، من المحتمل أن يتحول هذا. لنفترض مجموعة معاملات $\tau$ مقترحة من قبل مجموعة من المستخدمين $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$. كل مستخدم $u_i$ يساهم بحل عمل جزئي $w_i$. قد يتطلب العمل البرهاني التعاوني:

$H(\tau, \text{Aggregate}(w_1, w_2, ..., w_k)) < T$

حيث $\text{Aggregate}$ هي دالة تجمع المساهمات الفردية. تشير آلية الضريبة إلى أن كل $u_i$ يجب أن ينفق موارد متناسبة مع حصته أو دوره في $\tau$، مما يضمن أن العمل الجماعي يلبي الصعوبة $T$. ستحتاج عملية التحقق إلى تأكيد أن كل $w_i$ صالح ومساهم به بشكل فريد، لمنع هجمات إعادة التشغيل أو التزوير.

6. إطار التحليل ومثال مفاهيمي

السيناريو: تريد أليس وبوب وتشارلي إدراج معاملاتها ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) في الكتلة التالية.

العمل البرهاني التقليدي (تنافسي): يتنافس المعدّنون M1، M2، M3 لحل $H(block, n) < T$ لكتلة تحتوي على هذه المعاملات بالإضافة إلى الرسوم. الفائز (مثل M2) يحصل على الرسوم. أليس وبوب وتشارلي سلبيون.

العمل البرهاني التعاوني (المقترح):

1. تشكل أليس وبوب وتشارلي مجموعة مؤقتة لمعاملاتها.
2. يخصص لها البروتوكول لغزًا مشتركًا: ابحث عن مدخلات $(w_a, w_b, w_c)$ بحيث $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$.
3. يحسب كل منهم حلولاً جزئية محليًا. تجد أليس $w_a$، يجد بوب $w_b$، يجد تشارلي $w_c$.
4. يجمعون نتائجهم. العمل المجمع يلبي الصعوبة.
5. ينشرون المعاملات جنبًا إلى جنب مع البرهان المشترك $(w_a, w_b, w_c)$.
6. تحقق الشبكة من التجزئة وأن كل $w_i$ مرتبط بصاحب المعاملة المعني.
7. بدلاً من دفع رسوم، يكون كل منهم قد "دفع" ضريبة في شكل جهده الحسابي $w_i$. تُلحق معاملاتها.

التحدي الرئيسي في هذا الإطار: منع تشارلي من التكاسل واستخدام حل من فترة سابقة (هجوم إعادة التشغيل) أو نسخ عمل بوب. يحتاج البروتوكول إلى طريقة لربط $w_i$ بهوية $u_i$ ومجموعة المعاملات المحددة، ربما باستخدام التوقيعات الرقمية: $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$. هذا يضيف تعقيدًا.

7. آفاق التطبيق والاتجاهات المستقبلية

التطبيقات المباشرة: هذا المخطط أكثر قابلية للتطبيق في سلاسل الكتل الكونسورتيوم أو التطبيقات اللامركزية المتخصصة حيث يكون للمشاركين علاقة موجودة مسبقًا وشبه موثوقة. على سبيل المثال، كونسورتيوم سلسلة التوريد حيث جميع الأعضاء معروفون ويتفقون على تقاسم عبء صيانة السجل لمعاملاتهم المتبادلة.

اتجاهات البحث المستقبلية:

1. التحليل النظري للألعاب الرسمي: نمذجة المخطط كلعبة لتحديد توازنات تعاونية مستقرة واستراتيجيات تخريب محتملة.
2. النماذج الهجينة: الجمع بين العمل البرهاني التعاوني وآليات إجماع أخرى (مثل إثبات الحصة للنهائية، والعمل البرهاني التعاوني للترتيب).
3. تكامل الطبقة الثانية: تنفيذ نموذج الضريبة التعاونية على حزم الطبقة الثانية، حيث يتم إقرار دفعات المعاملات على سلسلة رئيسية. يمكن لمستخدمي الحزمة إثبات صحة دفعتهم بشكل تعاوني.
4. تكامل دالة التأخير القابلة للتحقق: استبدال أو تعزيز لغز التجزئة بمهمة قائمة على دالة التأخير القابلة للتحقق. يمكن أن يضمن هذا أن "العمل" قائم على الوقت وغير قابل للتوزيع المتوازي، مما قد يبسط قياس المساهمة العادلة.
5. توحيد براهين المساهمة: تطوير بروتوكولات تشفيرية خفيفة الوزن لإثبات المساهمة الفردية في برهان مشترك، وهي مشكلة مجاورة لأبحاث البرهان بمعرفة صفرية.

الرؤية طويلة المدى هي نظام بيئي لسلسلة الكتل حيث تتحمل التكاليف البيئية والاقتصادية للإجماع مباشرة من قبل أولئك الذين يستفيدون من المعاملة، مما يعزز الاستدامة والإنصاف—خطوة كبيرة تتجاوز نموذج التعدين من الجيل الأول "الفائز يأخذ كل شيء".

8. المراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
4. Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
5. Cambridge Centre for Alternative Finance. (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). [https://ccaf.io/cbeci/index](https://ccaf.io/cbeci/index)
6. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). [مذكور كمثال على ورقة تقدم منهجًا جديدًا مختلفًا هيكليًا (اتساق الدورة) لمشكلة معروفة (ترجمة الصور)، مشابه لمنهج هذه الورقة الجديد للعمل البرهاني].
7. Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [يسلط الضوء على عمق التحليل الاقتصادي المطلوب لتغييرات حوافز سلسلة الكتل الناجحة].