استراتيجيات التعدين الأنانية المثلى في البيتكوين: التحليل والتداعيات

1. المقدمة

يتناول هذا البحث عيبًا جوهريًا في توافق الحوافز في البيتكوين، والذي سلط عليه الضوء لأول مرة إيال وسيرر (2014). بينما أظهرت استراتيجيتهم SM1 ربحية التعدين الأناني، يثبت هذا العمل أنها ليست مثلى. نقدم نموذجًا معممًا وخوارزمية لإيجاد سياسات تعدين أنانية مثلى-ε، مما يحدد حدودًا أضيق للربحية ويكشف عن عتبة أقل لقوة الحوسبة اللازمة لهجمات ناجحة مقارنة بما كان معروفًا سابقًا.

2. الخلفية والأعمال ذات الصلة

يتطلب فهم التعدين الأناني أساسًا في آلية الإجماع في البيتكوين ونماذج الهجوم السابقة.

3. النموذج والمنهجية

نوسع نموذج التعدين الأناني إلى إطار عملية قرار ماركوف (MDP)، مما يسمح بالبحث بشكل أكثر شمولاً في فضاء الاستراتيجيات.

4. النتائج والتحليل

5. التفاصيل والصيغ التقنية

جوهر التحليل هو نموذج انتقال الحالة ودالة الإيرادات. الإيرادات النسبية $R$ لمهاجم بقوة تجزئة $\alpha$ يتبع سياسة $\pi$ هي:

$R(\alpha, \gamma, \pi) = \frac{\text{الكتل المكتسبة المتوقعة من قبل المهاجم}}{\text{إجمالي الكتل المتوقعة التي تم إنشاؤها}}$

الحالة هي التقدم $l$. تعتمد احتمالات الانتقال على $\alpha$ وإيجاد المعدنين النزهاء للكتل. على سبيل المثال، من الحالة $l=1$:

• يجد المهاجم الكتلة التالية: الاحتمال $\alpha$، الحالة الجديدة $l=2$.
• يجد المعدنون النزهاء الكتلة التالية: الاحتمال $(1-\alpha)$، مما يؤدي إلى تعادل. يمكن للمهاجم بعد ذلك المطابقة (النشر) أو عدم المطابقة، مما يؤدي إلى لعبة فرعية معقدة يتم تحليلها في MDP.

6. النتائج التجريبية والرسوم البيانية

الرسم البياني الرئيسي 1: الإيرادات النسبية مقابل قوة التجزئة (α)
رسم بياني خطي يقارن الإيرادات النسبية $R$ للسياسة المثلى (من خوارزميتنا) مقابل سياسة SM1 والتعدين النزيه. يقع منحنى السياسة المثلى بشكل صارم فوق منحنى SM1 لجميع $\alpha > 0$. تتقاطع المنحنيات مع خط التعدين النزيه (حيث $R = \alpha$) عند نقاط مختلفة، مما يوضح بصريًا العتبة الأقل للسياسة المثلى.

الرسم البياني الرئيسي 2: مخطط انتقال الحالة
رسم بياني موجه يوضح الحالات (l=0,1,2,...) والإجراءات المثلى (الموسومة على الحواف: انتظار، تجاوز، تبني، مطابقة) كما يحددها الخوارزمية لقيم محددة ($\alpha$, $\gamma$). يوضح هذا الرسم البياني بشكل ملموس منطق القرار غير البديهي، مثل التبني من تقدم قدره 1 تحت ظروف معينة - وهي خطوة غير بديهية غير موجودة في SM1.

7. إطار التحليل: حالة نظرية الألعاب

السيناريو: تتحكم مجموعة تعدين "AlphaPool" في $\alpha = 0.24$ من معدل تجزئة الشبكة. عامل انتشار الشبكة هو $\gamma=0.6$ (بمعنى أن AlphaPool تتعلم عن 60٪ من الكتل النزيهة على الفور).

استراتيجية SM1: ستتبع AlphaPool قاعدة صارمة: التعدين بشكل خاص مع تقدم، والنشر للتجاوز عند التقدم بمقدار 2. يظهر التحليل أن هذا ينتج $R_{SM1} \approx 0.239$، وهو أقل من حصتها من التجزئة (0.24)، مما يجعلها غير مربحة مقابل التعدين النزيه.

السياسة المثلى (من خوارزميتنا): قد تملي السياسة المحسوبة $\pi^*$: من تقدم قدره 1، إذا تم العثور على كتلة نزيهة، المطابقة (النشر) على الفور لخلق تعادل والمنافسة في الجولة التالية، بدلاً من الانتظار. هذا التغيير الدقيق يغير احتمالات الانتقال. الإيرادات الناتجة هي $R_{opt} \approx 0.242$، وهي أكبر من 0.24. يصبح الهجوم مربحًا.

الرؤية: توضح هذه الحالة كيف يمكن لصنع القرار الأمثل المعتمد على الحالة أن يحول حصة تجزئة غير مربحة نظريًا إلى حصة مربحة، وذلك فقط من خلال النشر الاستراتيجي للكتل.

8. آفاق التطبيق والاتجاهات المستقبلية

تصميم البروتوكول وإجراءات التصدي: يوفر هذا العمل أداة لاختبار الضغط للتحسينات المقترحة للبيتكوين (مثل GHOST، بروتوكولات سلسلة الكتل الشاملة) ضد التعدين الأناني الأمثل، وليس فقط SM1. يظهر تحليل إجراء التصدي المقترح من إيال وسيرر أنه أقل فعالية مما كان مأمولًا، مما يوجه البحث المستقبلي نحو إصلاحات أكثر قوة.

ما وراء البيتكوين: إطار MDP قابل للتطبيق على سلاسل الكتل الأخرى القائمة على إثبات العمل (مثل لايتكوين، بيتكوين كاش) ويمكن تكييفه لدراسة السلوك الاستراتيجي في أنظمة إثبات الحصة (PoS)، حيث قد توجد هجمات مماثلة "لحجب الكتل" أو "التردد".

الهجمات المجمعة: يجب على العمل المستقبلي نمذجة التفاعل بين التعدين الأناني وهجمات الإنفاق المزدوج. لدى المُعدّن الأناني بسلسلة خاصة منصة طبيعية لمحاولة الإنفاق المزدوج، مما قد يزيد من فائدة المهاجم ويخفض الحاجز لكلا الهجومين.

اللامركزية وديناميكيات المجموعات: تزيد العتبة المنخفضة من ضغط المركزية. يتم تحفيز المجموعات الكبيرة لاستخدام هذه الاستراتيجيات المثلى، ويتم تحفيز المعدنين الأصغر للانضمام إليهم للحصول على عوائد مستقرة، مما يخلق حلقة تغذية مرتدة تقوض اللامركزية - وهي فرضية أمنية أساسية للبيتكوين.

9. المراجع

1. Sapirshtein, A., Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2015). Optimal Selfish Mining Strategies in Bitcoin. arXiv preprint arXiv:1507.06183.
2. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not enough: Bitcoin mining is vulnerable. In International conference on financial cryptography and data security (pp. 436-454). Springer, Berlin, Heidelberg.
3. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system. Decentralized Business Review, 21260.
4. Gervais, A., Karame, G. O., Wüst, K., Glykantzis, V., Ritzdorf, H., & Capkun, S. (2016). On the security and performance of proof of work blockchains. In Proceedings of the 2016 ACM SIGSAC conference on computer and communications security (pp. 3-16).
5. Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired image-to-image translation using cycle-consistent adversarial networks. In Proceedings of the IEEE international conference on computer vision (pp. 2223-2232). (تم الاستشهاد به كمثال لأطر الخوارزميات المتقدمة، المشابهة لنهج MDP المستخدم هنا).

10. التحليل الأصلي ورؤى الخبراء