Mekanisme Bukti Kerja Baharu untuk Bitcoin: Meningkatkan Desentralisasi dan Keselamatan

1. Pengenalan & Latar Belakang

Keselamatan asas Bitcoin bergantung pada sifatnya yang terdesentralisasi dan mekanisme konsensus Bukti Kerja (PoW). Walau bagaimanapun, kertas kerja ini mengenal pasti satu kelemahan kritikal: insentif ekonomi semula jadi PoW membawa kepada pemusatan kuasa pengiraan. Penulis berhujah bahawa jika pelombong bertindak secara rasional untuk memaksimumkan keuntungan, kuasa perlombongan pasti akan tertumpu kepada pihak yang lebih sedikit, meningkatkan risiko "serangan 51%" yang katastrofik di mana satu entiti boleh memanipulasi rantaian blok.

2. Masalah Pemusatan dalam Perlombongan Bitcoin

Kertas kerja ini memberikan bukti logik yang menunjukkan bahawa di bawah reka bentuk PoW semasa, permainan perlombongan adalah pasaran pemenang-ambil-sebahagian-besar. Ekonomi skala dalam perkakasan (ASIC), akses kepada elektrik murah, dan struktur ganjaran blok mewujudkan halangan yang tidak dapat diatasi untuk pelombong kecil, menyalurkan kuasa kepada kolam perlombongan besar.

2.1 Ancaman Serangan 51%

Serangan 51% bukan sekadar teori. Kertas kerja ini merujuk model jalan rawak binomial asal Satoshi Nakamoto untuk menetapkan ambang keselamatan. Mengawal kuasa hash majoriti membolehkan penyerang melakukan perbelanjaan berganda duit syiling dan menghalang pengesahan transaksi, secara asasnya memecahkan kepercayaan terhadap rangkaian. Trend pemusatan secara langsung menurunkan kos dan kebolehjadian serangan sedemikian.

2.2 Rasionaliti Ekonomi dan Pemusatan Kuasa

Penulis memodelkan tingkah laku pelombong menggunakan andaian pelaku ekonomi rasional. Fungsi keuntungan untuk pelombong i boleh dipermudahkan sebagai: $\Pi_i = \frac{h_i}{H} \cdot R - C(h_i)$, di mana $h_i$ ialah kadar hash pelombong, $H$ ialah jumlah kadar hash rangkaian, $R$ ialah ganjaran blok, dan $C$ ialah fungsi kos. Ini mewujudkan gelung suap balik di mana $h_i$ yang lebih tinggi membawa kepada jangkaan ganjaran yang lebih tinggi, membolehkan pelaburan semula dan seterusnya meningkatkan $h_i$, membawa kepada pemusatan.

3. Mekanisme Bukti Kerja Baharu yang Dicadangkan

Untuk menangani ini, kertas kerja ini mencadangkan mekanisme PoW baharu yang dibina berdasarkan prinsip yang dilabelkan sebagai "Kerjaya terbuka untuk semua bakat," "Pengagihan mengikut kerja," dan "Semua manusia dilahirkan sama rata."

3.1 Prinsip Teras

• Halangan Kemasukan Lebih Rendah: Mekanisme ini bertujuan untuk lebih tahan ASIC, membolehkan penyertaan daripada set perkakasan yang lebih luas (cth., penggunaan GPU pengguna yang cekap).
• Hasil Berkurangan pada Skala Besar: Algoritma yang dicadangkan mengubah suai fungsi ganjaran untuk memperkenalkan ketaklinearan, mengurangkan manfaat marginal peningkatan kuasa hash secara eksponen.
• Rintangan Serangan Sybil: Reka bentuk ini mengekalkan rintangan terhadap penyerang yang mencipta banyak identiti palsu (serangan Sybil) sambil menggalakkan dominasi entiti tunggal.

3.2 Reka Bentuk Teknikal & Asas Matematik

Walaupun PDF kekurangan butiran algoritma yang lengkap, mekanisme yang dicadangkan membayangkan fungsi ganjaran yang diubah suai. Satu formulasi potensi yang diilhamkan oleh prinsip-prinsip tersebut boleh jadi: $R_i = R \cdot \frac{f(h_i)}{\sum_{j=1}^{N} f(h_j)}$, di mana $f(h_i)$ ialah fungsi sub-linear (cth., $f(h_i) = \log(1 + h_i)$ atau $f(h_i) = \sqrt{h_i}$). Ini berbeza dengan ganjaran linear Bitcoin $\frac{h_i}{H}$. Fungsi $f(h_i)$ sub-linear ini membataskan kelebihan $h_i$ yang sangat besar.

Rangka Kerja Contoh (Bukan Kod): Pertimbangkan simulasi dipermudahkan dengan tiga pelombong: Alice (40% kuasa hash), Bob (35%), dan Carol (25%). Di bawah PoW standard, kebarangkalian ganjaran mereka ialah 0.4, 0.35, 0.25. Di bawah PoW berasaskan sqrt yang dicadangkan, pemberat berkesan menjadi $\sqrt{0.4}\approx0.63$, $\sqrt{0.35}\approx0.59$, $\sqrt{0.25}=0.5$. Selepas dinormalisasi, kebarangkalian mereka menjadi ~0.37, 0.34, 0.29, secara berkesan mengagih semula pengaruh daripada Alice kepada Carol.

4. Analisis & Penilaian

4.1 Kekuatan dan Penambahbaikan Teoretikal

• Desentralisasi Dipertingkatkan: Dengan meratakan lengkung ganjaran, mekanisme ini boleh memupuk landskap perlombongan yang lebih pelbagai dari segi geografi dan entiti.
• Permukaan Serangan 51% Dikurangkan: Menjadikannya tidak rasional dari segi ekonomi untuk memusatkan >51% kuasa berkesan secara langsung menangani ancaman keselamatan teras.
• Penjajaran Falsafah: Ia cuba menyemai semula Bitcoin dengan prinsip egalitarian yang selari dengan asal-usul cypherpunknya.

4.2 Kelemahan Potensi dan Cabaran Pelaksanaan

• Pertukaran Keselamatan-Prestasi: Sebarang perubahan kepada PoW mesti disemak dengan teliti. Seperti yang dinyatakan dalam kertas kerja CycleGAN (Zhu et al., 2017), seni bina baharu memerlukan ujian meluas untuk mendedahkan mod kegagalan yang tidak dijangka. PoW baharu boleh memperkenalkan kerentanan yang tidak dijangka.
• Halangan Penerimaan: Melaksanakan ini memerlukan hard fork, menghadapi tentangan sengit daripada konglomerat perlombongan sedia ada yang mendapat manfaat daripada status quo, satu masalah koordinasi klasik.
• Potensi untuk Vektor Serangan Baharu: Fungsi ganjaran kompleks mungkin boleh dimanipulasi secara berbeza. Analisis berterusan, serupa dengan yang dilakukan oleh Federal Reserve mengenai kestabilan sistem kewangan, akan diperlukan.

5. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

Prinsip yang digariskan mempunyai implikasi melangkaui Bitcoin:

• Mata Wang Kripto Generasi Seterusnya: Projek baharu (cth., yang menggunakan varian Bukti Kepentingan) boleh mengintegrasikan "hasil berkurangan ke atas pengaruh" sebagai parameter reka bentuk teras.
• Organisasi Autonomi Terdesentralisasi (DAO): Mekanisme tadbir urus dalam DAO menghadapi risiko plutokratik yang serupa. Konsep kuasa mengundi sub-linear berdasarkan pegangan token boleh digunakan untuk menghalang dominana ikan paus.
• Model Konsensus Hibrid: Penyelidikan masa depan boleh meneroka gabungan matlamat egalitarian mekanisme yang dicadangkan dengan ciri keselamatan lain, seperti fungsi kelewatan boleh disahkan (VDF), untuk mencipta lejar yang teguh dan terdesentralisasi untuk aplikasi bernilai tinggi dalam kewangan dan rantaian bekalan.
• Pertimbangan Peraturan: Apabila bank pusat meneroka CBDC, reka bentuk yang secara semula jadi menggalakkan desentralisasi boleh menjadikan lapisan penyelesaian terdesentralisasi lebih boleh diterima oleh pengawal selia yang bimbang tentang risiko sistemik daripada kawalan swasta.

6. Rujukan

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).