طرح اثبات کار مشارکتی برای پروتکل‌های اجماع توزیع‌شده

فهرست مطالب

1. مقدمه

این مقاله یک اصلاح برای طرح سنتی اثبات کار (PoW) پیشنهاد می‌دهد که معمولاً شامل یافتن یک نانس است که خروجی هش رمزنگاری با تعداد صفرهای ابتدایی مورد نیاز را تولید کند. نوآوری اصلی، یک طرح اثبات کار مشارکتی است که برای امکان همکاری چندین کاربر مستقل در تولید اثبات برای تراکنش‌های خودشان طراحی شده است. این همکاری با هدف ایجاد اجماع بر روی ترتیب تراکنش‌ها در یک دفترکل توزیع‌شده، بدون اتکا به استخرهای متمرکز استخراج، صورت می‌گیرد.

طرح پیشنهادی در پی پرداختن به مسائل ذاتی در PoW استاندارد است، مانند ناهماهنگی انگیزشی در استخرهای استخراج و رقابت پرهزینه انرژی‌بر بین ماینرها. با فعال‌سازی همکاری مستقیم، این طرح جایگزینی کارمزد تراکنش (پرداختی به ماینرها) با مالیات تراکنش (پرداختی توسط خود کاربران تراکنش‌دهنده) را تصور می‌کند. این تغییر پتانسیل کاهش «اثر تورمی بر مصرف انرژی» مرتبط با استخراج رقابتی و ترویج راهبردهای مشارکتی و صرفه‌جویانه‌تر را دارد.

مزایای بالقوه برشمرده شده شامل موارد زیر است:

• تقویت دفاع در برابر تبعیض علیه کاربران توسط ماینرهای تراکنش.
• افزایش توان عملیاتی سیستم به دلیل کاهش رقابت بین ماینرها.
• بازدارندگی بیشتر در برابر حملات محروم‌سازی از سرویس (DoS)، زیرا حملات متحمل هزینه مالیات تراکنش خواهند شد.

2. اجماع

مقاله مسئله را در چارچوب شبکه‌های همتا به همتا (P2P) که نیازمند یک دفترکل توزیع‌شده هستند، قرار می‌دهد. همه همتاها باید بدون وجود یک مرجع مرکزی یا انتخاب پیشینی رهبر، بر وضعیت دفترکل توافق کنند.

چالش اساسی، تأخیر انتشار پیام است. در یک محیط ایده‌آل با فرکانس پایین تراکنش، اجماع می‌توانست با مشاهده یک وقفه در ترافیک شبکه — یک «توقف کامل» — که نشان می‌دهد احتمالاً همه همتاها مجموعه یکسانی از پیام‌ها را دیده‌اند، حاصل شود. سپس این پیام‌ها می‌توانستند به صورت متعارف (مثلاً بر اساس هش) مرتب شده و به دفترکل اضافه شوند.

با این حال، فرکانس تراکنش‌ها در دنیای واقعی برای این طرح ساده بسیار زیاد است. اینجاست که اثبات کار حیاتی می‌شود. با الزام به تلاش محاسباتی (حل یک معمای رمزنگاری)، PoW به طور مصنوعی نرخ مؤثری را که هر همتای منفرد می‌تواند ورودی‌های جدید دفترکل را پیشنهاد دهد، کاهش می‌دهد. سختی معما می‌تواند برای تعیین یک کران بالا برای فرکانس تراکنش‌ها تنظیم شود و «دوره‌های سکوت» لازم برای ظهور اجماع بالفعل را ایجاد کند.

3. اثبات کار مشارکتی

مقاله طرح مشارکتی را صوری می‌کند اما بخش ارائه شده ناتمام است. بر اساس مقدمه، صوری‌سازی احتمالاً شامل مکانیزمی است که در آن:

1. کاربرانی که در یک تراکنش مشارکت دارند، می‌توانند قدرت محاسباتی خود را نیز برای حل معمای PoW مرتبط اختصاص دهند.
2. تلاش جمعی جایگزین کار یک ماینر منفرد می‌شود.
3. اجماع بر ترتیب تراکنش از این تلاش مشارکتی ناشی می‌شود، احتمالاً مرتبط با مجموعه کاربران همکار.
4. «مالیات» یک مشارکت اجباری (در قالب تلاش محاسباتی یا هزینه مشتق شده) است که توسط طرفین تراکنش پرداخت می‌شود و هزینه اجماع را درونی می‌کند.

این در تضاد با مدل سنتی است که در آن ماینرهای خارجی برای دریافت کارمزد بر سر حل PoW رقابت می‌کنند و منجر به تشکیل استخرها و تمرکزگرایی بالقوه می‌شوند.

4. بینش کلیدی و دیدگاه تحلیلی

بینش کلیدی: مقاله کویپر فقط یک تغییر جزئی در الگوریتم‌های هش نیست؛ بلکه یک مداخله اساسی اقتصادی و نظریه بازی در طراحی بلاکچین است. نوآوری واقعی، جداسازی تلاش اجماع از استخراج سودجویانه و اتصال مستقیم آن به سودمندی تراکنش است. تغییر از کارمزد به ماینر به مالیات توسط کاربر، ساختار انگیزشی را وارونه می‌کند و هدف آن همسو کردن سلامت شبکه با همکاری کاربران به جای رقابت ماینرها است. این امر بازتاب اصولی است که در تحقیقات طراحی مکانیزم در مؤسساتی مانند آزمایشگاه اقتصاد رمزنگاری استنفورد مشاهده می‌شود، که چگونگی ساختاردهی انگیزه‌ها برای دستیابی به نتایج مطلوب سیستم را بررسی می‌کنند.

جریان منطقی: استدلال از نظر منطقی مستحکم است اما بر یک فرض حیاتی و اثبات‌نشده استوار است: اینکه کاربران به طور کارآمد و صادقانه همکاری خواهند کرد بدون اینکه سربار هماهنگی جدید یا بردارهای حمله جدیدی معرفی کنند. مقاله به درستی اتلاف انرژی و فشار تمرکزگرایی (از طریق استخرها) در PoW بیت‌کوین را شناسایی می‌کند، همانطور که در مطالعات متعدد (مانند شاخص مصرف برق بیت‌کوین کمبریج) مستند شده است. سپس همکاری را به عنوان پادزهر مطرح می‌کند. با این حال، جهش منطقی این است که فرض کنیم هماهنگی همکاری در یک محیط بدون اعتماد ساده‌تر از رقابت است. تاریخچه سیستم‌های P2P نشان می‌دهد که همکاری اغلب نیازمند پروتکل‌های پیچیده (مانند تیت‌فور-تت بیت‌تورنت) برای جلوگیری از سواری مجانی است — مشکلی که این طرح باید حل کند.

نقاط قوت و ضعف: نقاط قوت: چشم‌انداز قانع‌کننده است. کاهش تورم انرژی و تبعیض ناشی از ماینرها اهداف والایی هستند. مفهوم «مالیات تراکنش» که اثرات خارجی را درونی می‌کند، از نظر اقتصادی ظریف است، مشابه مفاهیم مالیات کربن که برای اتلاف محاسباتی اعمال می‌شود. نقاط ضعف: مقاله به طور محسوسی در مورد «چگونگی» کم‌گویی کرده است. صوری‌سازی ناتمام است، اما حتی فرضیه نیز فاقد یک مکانیزم مشخص برای جلوگیری از حملات سیبیل است که در آن یک کاربر هویت‌های جعلی زیادی ایجاد می‌کند تا از مشارکت سهم عادلانه خود در کار شانه خالی کند. «کار مشارکتی» چگونه تأیید و نسبت داده می‌شود؟ بدون این، سیستم می‌تواند آسیب‌پذیرتر باشد، نه کمتر. علاوه بر این، جایگزینی یک مدل رقابتی شناخته شده و آزموده شده با یک مدل مشارکتی جدید، ریسک و موانع پذیرش قابل توجهی را معرفی می‌کند، چالشی که نوآوری‌های اجماع دیگر مانند اثبات سهام نیز در دوره‌های انتقادی اولیه خود با آن مواجه بودند.

بینش‌های عملی: برای محققان، این مقاله یک معدن طلا برای کارهای پیگیری است. گام بعدی فوری، طراحی و شبیه‌سازی یک بازی PoW مشارکتی خاص و تحلیل تعادل‌های نش آن است. آیا این به ناگزیر منجر به همکاری می‌شود، یا می‌توان آن را دستکاری کرد؟ برای متخصصان، نکته کلیدی اصل است، نه پیاده‌سازی فوری. در نظر بگیرید که چگونه می‌توان «درونی‌سازی هزینه مشارکتی» را در طراحی سیستم خود اعمال کرد. آیا یک مدل ترکیبی می‌تواند کار کند، که در آن یک مالیات پایه تراکنش، مجموعه‌ای غیرمتمرکز از اعتبارسنج‌ها را تأمین مالی کند و ایده‌های این مقاله را با اثبات سهام تفویض شده ترکیب کند؟ ایده اصلی — مسئول کردن صادرکننده تراکنش در قبال هزینه‌های اجماع — باید در راه‌حل‌های لایه ۲ یا طراحی‌های جدید دفترکل که مدل تهدید آن با محیط کاملاً بدون مجوز بیت‌کوین متفاوت است، بررسی شود.

5. جزئیات فنی و صوری‌سازی ریاضی

در حالی که صوری‌سازی کامل ناتمام است، طرح پیشنهادی بر اساس PoW استاندارد مبتنی بر هش رمزنگاری بنا شده است. PoW سنتی نیازمند یافتن یک نانس $n$ است به طوری که برای داده بلوک $B$، تابع هش $H$، و هدف سختی $T$:

$H(B, n) < T$

در یک محیط مشارکتی، این احتمالاً دگرگون می‌شود. فرض کنید یک مجموعه تراکنش $\tau$ توسط گروهی از کاربران $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ پیشنهاد شده است. هر کاربر $u_i$ یک راه‌حل کار جزئی $w_i$ را مشارکت می‌دهد. PoW مشارکتی ممکن است نیاز داشته باشد:

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

جایی که $\text{Aggregate}$ تابعی برای ترکیب مشارکت‌های فردی است. مکانیزم مالیات دلالت بر این دارد که هر $u_i$ باید منابعی متناسب با سهم یا نقش خود در $\tau$ هزینه کند، تا اطمینان حاصل شود که کار جمعی سختی $T$ را برآورده می‌کند. تأیید نیازمند این خواهد بود که هر $w_i$ معتبر و منحصراً مشارکت شده باشد تا از حملات بازپخش یا جعل جلوگیری شود.

6. چارچوب تحلیل و مثال مفهومی

سناریو: آلیس، باب و چارلی می‌خواهند تراکنش‌هایشان ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) در بلوک بعدی گنجانده شوند.

PoW سنتی (رقابتی): ماینرهای M1، M2، M3 برای حل $H(block, n) < T$ برای یک بلوک حاوی این تراکنش‌ها به علاوه کارمزدها رقابت می‌کنند. برنده (مثلاً M2) کارمزدها را دریافت می‌کند. آلیس، باب و چارلی منفعل هستند.

PoW مشارکتی (پیشنهادی):

1. آلیس، باب و چارلی برای تراکنش‌هایشان یک گروه موقت تشکیل می‌دهند.
2. پروتکل یک معما مشترک به آن‌ها اختصاص می‌دهد: ورودی‌های $(w_a, w_b, w_c)$ را بیابید به طوری که $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$.
3. هر یک از آن‌ها به صورت محلی راه‌حل‌های جزئی را محاسبه می‌کنند. آلیس $w_a$ را پیدا می‌کند، باب $w_b$ را پیدا می‌کند، چارلی $w_c$ را پیدا می‌کند.
4. آن‌ها نتایج خود را ترکیب می‌کنند. کار ترکیبی سختی را برآورده می‌کند.
5. آن‌ها تراکنش‌ها را همراه با اثبات مشترک $(w_a, w_b, w_c)$ پخش می‌کنند.
6. شبکه هش و اینکه هر $w_i$ به صاحب تراکنش مربوطه خود پیوند خورده است را تأیید می‌کند.
7. به جای پرداخت کارمزد، هر یک «مالیات» را در قالب تلاش محاسباتی خود $w_i$ پرداخت کرده‌اند. تراکنش‌های آن‌ها اضافه می‌شود.

چالش کلیدی در این چارچوب: جلوگیری از تنبلی چارلی و استفاده از یک راه‌حل از دوره قبلی (حمله بازپخش) یا کپی کردن کار باب. پروتکل نیازمند راهی برای پیوند $w_i$ به هویت $u_i$ و دسته تراکنش خاص است، احتمالاً با استفاده از امضای دیجیتال: $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$. این پیچیدگی را اضافه می‌کند.

7. چشم‌انداز کاربرد و جهت‌های آینده

کاربردهای فوری: این طرح در بلاکچین‌های کنسرسیومی یا برنامه‌های غیرمتمرکز تخصصی (dApps) که شرکت‌کنندگان رابطه پیشینی و نیمه‌مطمئنی دارند، بیشتر قابل اجرا است. به عنوان مثال، یک کنسرسیوم زنجیره تأمین که همه اعضا شناخته شده هستند و موافقت می‌کنند بار نگهداری دفترکل را برای تراکنش‌های متقابل خود به اشتراک بگذارند.

جهت‌های تحقیقاتی آینده:

1. تحلیل صوری نظریه بازی: مدل‌سازی طرح به عنوان یک بازی برای شناسایی تعادل‌های پایدار مشارکتی و راهبردهای بالقوه خرابکارانه.
2. مدل‌های ترکیبی: ترکیب PoW مشارکتی با سایر مکانیزم‌های اجماع (مثلاً اثبات سهام برای قطعیت، PoW مشارکتی برای ترتیب‌دهی).
3. ادغام لایه ۲: پیاده‌سازی مدل مالیات مشارکتی در رول‌آپ‌های لایه ۲، که در آن دسته‌های تراکنش در یک زنجیره اصلی نهایی می‌شوند. کاربران رول‌آپ می‌توانند اعتبار دسته خود را به صورت مشارکتی اثبات کنند.
4. ادغام تابع تأخیر قابل تأیید (VDF): جایگزینی یا تکمیل معمای هش با یک کار مبتنی بر VDF. این می‌تواند اطمینان حاصل کند که «کار» مبتنی بر زمان و غیرموازی‌پذیر است و به طور بالقوه اندازه‌گیری مشارکت عادلانه را ساده می‌کند.
5. استانداردسازی اثبات‌های مشارکت: توسعه پروتکل‌های رمزنگاری سبک‌وزن برای اثبات مشارکت فردی در یک اثبات مشترک، مسئله‌ای مجاور تحقیقات اثبات دانش صفر.

چشم‌انداز بلندمدت، یک اکوسیستم بلاکچینی است که در آن هزینه‌های زیست‌محیطی و اقتصادی اجماع مستقیماً توسط کسانی که از تراکنش سود می‌برند تحمل می‌شود و پایداری و عدالت را ترویج می‌دهد — گامی قابل توجه فراتر از پارادایم استخراج نسل اول «برنده همه چیز را می‌برد».

8. منابع

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). [به عنوان نمونه‌ای از مقاله‌ای که رویکردی نوآورانه و از نظر ساختاری متفاوت (تطابق چرخه‌ای) به یک مسئله شناخته شده (ترجمه تصویر) معرفی می‌کند، مشابه رویکرد نوآورانه این مقاله به PoW، ذکر شده است].
7. Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [عمق تحلیل اقتصادی مورد نیاز برای تغییرات موفق انگیزشی بلاکچین را برجسته می‌کند].