یک مکانیسم اثبات کار جدید برای بیت‌کوین: تقویت تمرکززدایی و امنیت

1. مقدمه و پیشینه

امنیت بنیادین بیت‌کوین بر ماهیت غیرمتمرکز آن و مکانیسم اجماع اثبات کار (PoW) استوار است. با این حال، این مقاله یک نقص حیاتی را شناسایی می‌کند: انگیزه‌های اقتصادی ذاتی اثبات کار منجر به تمرکز قدرت محاسباتی می‌شود. نویسنده استدلال می‌کند که اگر استخراج‌کنندگان برای حداکثر کردن سود خود به‌صورت عقلایی عمل کنند، قدرت استخراج به‌ناگزیر در دستان تعداد کمتری متمرکز خواهد شد و خطر یک «حمله ۵۱٪» فاجعه‌بار را افزایش می‌دهد، حمله‌ای که در آن یک نهاد واحد می‌تواند بلاک‌چین را دستکاری کند.

2. مشکل تمرکز در استخراج بیت‌کوین

این مقاله یک اثبات منطقی ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد تحت طراحی فعلی اثبات کار، بازی استخراج یک بازار برنده-بیشتر-می‌برد است. صرفه‌های مقیاس در سخت‌افزار (ایسیک‌ها)، دسترسی به برق ارزان و ساختار پاداش بلاک، موانع غیرقابل‌عبوری برای استخراج‌کنندگان کوچک ایجاد می‌کند و قدرت را به استخرهای استخراج بزرگ هدایت می‌کند.

2.1 تهدید حمله ۵۱٪

حمله ۵۱٪ صرفاً نظری نیست. مقاله به مدل اصلی پیاده‌روی تصادفی دوجمله‌ای ساتوشی ناکاموتو ارجاع می‌دهد تا آستانه امنیتی را تعیین کند. کنترل اکثریت قدرت هش به مهاجم اجازه می‌دهد تا سکه‌ها را دوبار خرج کند و تأیید تراکنش‌ها را مسدود کند، که اساساً اعتماد به شبکه را از بین می‌برد. روند تمرکز مستقیماً هزینه و امکان‌پذیری چنین حمله‌ای را کاهش می‌دهد.

2.2 عقلانیت اقتصادی و تمرکز قدرت

نویسنده رفتار استخراج‌کننده را با استفاده از فرض‌های کنشگر اقتصادی عقلانی مدل می‌کند. تابع سود برای یک استخراج‌کننده i را می‌توان به این صورت ساده کرد: $Π_i = \frac{h_i}{H} \cdot R - C(h_i)$، که در آن $h_i$ نرخ هش استخراج‌کننده، $H$ نرخ هش کل شبکه، $R$ پاداش بلاک و $C$ تابع هزینه است. این یک حلقه بازخورد ایجاد می‌کند که در آن $h_i$ بالاتر منجر به پاداش‌های مورد انتظار بالاتر می‌شود، امکان سرمایه‌گذاری مجدد را فراهم می‌کند و $h_i$ را بیشتر افزایش می‌دهد و در نهایت به تمرکز منجر می‌شود.

3. مکانیسم اثبات کار پیشنهادی جدید

برای مقابله با این مشکل، مقاله یک مکانیسم اثبات کار نوآورانه را پیشنهاد می‌کند که بر اصولی با عنوان‌های «حرفه‌ای باز برای همه استعدادها»، «توزیع بر اساس کار» و «همه انسان‌ها برابر آفریده شده‌اند» بنا شده است.

3.1 اصول بنیادین

• کاهش مانع ورود: این مکانیسم هدف دارد در برابر ایسیک مقاوم‌تر باشد و مشارکت طیف وسیع‌تری از سخت‌افزارها (مانند استفاده کارآمد از پردازنده‌های گرافیکی مصرفی) را ممکن سازد.
• بازده نزولی در مقیاس عظیم: الگوریتم پیشنهادی تابع پاداش را تغییر می‌دهد تا غیرخطی‌هایی را معرفی کند و سود نهایی افزایش نمایی قدرت هش را کاهش دهد.
• مقاومت در برابر حمله سیبیل: این طراحی ضمن دلسرد کردن از سلطه یک نهاد واحد، مقاومت در برابر مهاجمانی که هویت‌های جعلی زیادی ایجاد می‌کنند (حملات سیبیل) را حفظ می‌کند.

3.2 طراحی فنی و مبانی ریاضی

اگرچه فایل PDF فاقد جزئیات الگوریتمی جامع است، مکانیسم پیشنهادی دلالت بر یک تابع پاداش اصلاح‌شده دارد. یک فرمول‌بندی بالقوه الهام‌گرفته از اصول می‌تواند این باشد: $R_i = R \cdot \frac{f(h_i)}{\sum_{j=1}^{N} f(h_j)}$، که در آن $f(h_i)$ یک تابع زیرخطی است (مانند $f(h_i) = \log(1 + h_i)$ یا $f(h_i) = \sqrt{h_i}$). این در تضاد با پاداش خطی بیت‌کوین $\frac{h_i}{H}$ است. تابع زیرخطی $f(h_i)$ مزیت $h_i$ بسیار بزرگ را محدود می‌کند.

چارچوب نمونه (غیرکد): یک شبیه‌سازی ساده‌شده با سه استخراج‌کننده را در نظر بگیرید: آلیس (۴۰٪ قدرت هش)، باب (۳۵٪) و کارول (۲۵٪). تحت اثبات کار استاندارد، احتمالات پاداش آن‌ها ۰.۴، ۰.۳۵، ۰.۲۵ است. تحت یک اثبات کار پیشنهادی مبتنی بر جذر، وزن‌های مؤثر به $√{0.4}≈0.63$، $√{0.35}≈0.59$، $√{0.25}=0.5$ تبدیل می‌شوند. پس از نرمال‌سازی، احتمالات آن‌ها به ترتیب حدود ۰.۳۷، ۰.۳۴، ۰.۲۹ می‌شود که به‌طور مؤثری نفوذ را از آلیس به کارول بازتوزیع می‌کند.

4. تحلیل و ارزیابی

4.1 نقاط قوت و بهبودهای نظری

• تمرکززدایی تقویت‌شده: با مسطح کردن منحنی پاداش، این مکانیسم می‌تواند منظر استخراج متنوع‌تر از نظر جغرافیایی و نهادی را پرورش دهد.
• کاهش سطح حمله ۵۱٪: غیرعقلانی کردن اقتصادی تمرکز بیش از ۵۱٪ از قدرت مؤثر، مستقیماً به تهدید امنیتی اصلی می‌پردازد.
• همسویی فلسفی: تلاش می‌کند بیت‌کوین را با اصول برابری‌طلبانه‌ای که با ریشه‌های سایفرپانک آن هم‌نواست، دوباره پیوند دهد.

4.2 نقاط ضعف بالقوه و چالش‌های پیاده‌سازی

• مبادله امنیت-کارایی: هر تغییری در اثبات کار باید به‌طور دقیق بررسی شود. همان‌طور که در مقاله CycleGAN (Zhu و همکاران، ۲۰۱۷) اشاره شده، معماری‌های نوآورانه نیازمند آزمایش‌های گسترده برای کشف حالت‌های شکست ناخواسته هستند. یک اثبات کار جدید می‌تواند آسیب‌پذیری‌های پیش‌بینی‌نشده‌ای را معرفی کند.
• مانع پذیرش: پیاده‌سازی این مکانیسم نیازمند یک هارد فورک است که با مخالفت شدید اتحادیه‌های استخراج موجود که از وضعیت موجود سود می‌برند، مواجه می‌شود؛ یک مشکل کلاسیک هماهنگی.
• پتانسیل برای بردارهای حمله جدید: توابع پاداش پیچیده ممکن است به روش‌های دیگری مورد سوءاستفاده قرار گیرند. تحلیل مستمر، مشابه آنچه توسط فدرال رزرو بر روی ثبات سیستم مالی انجام می‌شود، مورد نیاز خواهد بود.

5. کاربردهای آینده و جهت‌های پژوهشی

اصول مطرح شده پیامدهایی فراتر از بیت‌کوین دارند:

• ارزهای دیجیتال نسل بعدی: پروژه‌های جدیدتر (مانند آن‌هایی که از انواع اثبات سهام استفاده می‌کنند) می‌توانند «بازده نزولی بر نفوذ» را به‌عنوان یک پارامتر طراحی اصلی ادغام کنند.
• سازمان‌های خودمختار غیرمتمرکز (DAOها): مکانیسم‌های حکمرانی در DAOها با خطرات پلوتوکراتیک مشابهی مواجه هستند. مفهوم قدرت رأی‌دهی زیرخطی مبتنی بر دارایی توکن می‌تواند برای جلوگیری از سلطه نهنگ‌ها اعمال شود.
• مدل‌های اجماع ترکیبی: پژوهش‌های آینده می‌تواند ترکیب اهداف برابری‌طلبانه مکانیسم پیشنهادی با سایر ویژگی‌های امنیتی، مانند توابع تأخیر قابل تأیید (VDFها)، را برای ایجاد دفترکل‌های قوی و غیرمتمرکز برای کاربردهای باارزش در امور مالی و زنجیره تأمین بررسی کند.
• ملاحظات نظارتی: با کاوش بانک‌های مرکزی در مورد ارزهای دیجیتال بانک مرکزی (CBDC)، طراحی‌هایی که ذاتاً تمرکز را دلسرد می‌کنند، می‌توانند لایه‌های تسویه غیرمتمرکز را برای تنظیم‌کنندگانی که نگران ریسک سیستماتیک ناشی از کنترل خصوصی هستند، قابل‌قبول‌تر سازند.

6. منابع

1. Nakamoto, S. (2009). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Bonneau, J., Miller, A., Clark, J., Narayanan, A., Kroll, J. A., & Felten, E. W. (2015). SoK: Research Perspectives and Challenges for Bitcoin and Cryptocurrencies. IEEE Symposium on Security and Privacy.
3. Narayanan, A., Bonneau, J., Felten, E., Miller, A., & Goldfeder, S. (2016). Bitcoin and Cryptocurrency Technologies. Princeton University Press.
4. Gervais, A., Karame, G. O., Wüst, K., Glykantzis, V., Ritzdorf, H., & Capkun, S. (2014). On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains. ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security.
5. Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV).
6. Beikverdi, A., & Song, J. (2015). Trend of Centralization in Bitcoin's Distributed Network. IEEE/ACIS International Conference on Software Engineering, Artificial Intelligence, Networking and Parallel/Distributed Computing (SNPD).