Skema Bukti Kerja Koperatif untuk Protokol Konsensus Teragih

Kandungan

1. Pengenalan

Kertas kerja ini mencadangkan penambahbaikan kepada skema bukti kerja (PoW) tradisional, yang biasanya melibatkan pencarian nonce yang menghasilkan output hash kriptografi dengan bilangan sifar pendahulu yang diperlukan. Inovasi terasnya adalah skema bukti kerja koperatif yang direka untuk membolehkan berbilang pengguna autonomi bekerjasama dalam menjana bukti untuk transaksi mereka sendiri. Kerjasama ini bertujuan untuk mewujudkan konsensus mengenai susunan transaksi dalam lejar teragih tanpa bergantung kepada kolam perlombongan berpusat.

Skema yang dicadangkan berusaha menangani isu semula jadi dalam PoW piawai, seperti ketidakselarasan insentif dalam kolam perlombongan dan perlumbaan yang kompetitif serta intensif tenaga di kalangan pelombong. Dengan membolehkan kerjasama langsung, ia membayangkan penggantian yuran transaksi (dibayar kepada pelombong) dengan cukai transaksi (dibayar oleh pengguna yang bertransaksi sendiri). Peralihan ini berpotensi untuk mengurangkan "kesan inflasi terhadap penggunaan kuasa" yang dikaitkan dengan perlombongan kompetitif dan memupuk strategi yang lebih berjimat dan koperatif.

Manfaat berpotensi yang digariskan termasuk:

• Pertahanan yang lebih baik terhadap diskriminasi pengguna oleh pelombong transaksi.
• Peningkatan kadar pemprosesan sistem disebabkan pengurangan persaingan antara pelombong.
• Pencegahan yang lebih besar terhadap serangan Penafian Perkhidmatan (DoS), kerana serangan akan menanggung kos cukai transaksi.

2. Konsensus

Kertas kerja ini merangka masalah dalam konteks rangkaian rakan ke rakan (P2P) yang memerlukan lejar teragih. Semua rakan mesti bersetuju dengan keadaan lejar tanpa pihak berkuasa pusat atau pemilihan pemimpin a priori.

Cabaran asas adalah kelewatan penyebaran mesej. Dalam persekitaran transaksi frekuensi rendah yang ideal, konsensus boleh dicapai dengan memerhatikan jeda dalam trafik rangkaian—"hentian penuh"—yang menunjukkan semua rakan mungkin telah melihat set mesej yang sama. Mesej-mesej ini kemudiannya boleh disusun secara kanonik (contohnya, mengikut hash) dan ditambahkan pada lejar.

Walau bagaimanapun, frekuensi transaksi dunia sebenar terlalu tinggi untuk skema mudah ini. Di sinilah bukti kerja menjadi penting. Dengan memerlukan usaha pengiraan (menyelesaikan teka-teki kriptografi), PoW secara buatan menurunkan kadar efektif di mana mana-mana rakan tunggal boleh mencadangkan entri lejar baharu. Kesukaran teka-teki boleh dikalibrasi untuk menetapkan had atas bagi frekuensi transaksi, mewujudkan "tempoh senyap" yang diperlukan untuk konsensus de-facto muncul.

3. Bukti Kerja Koperatif

Kertas kerja ini memformalkan skema koperatif tetapi petikan yang diberikan terputus. Berdasarkan pengenalan, pemformalan kemungkinan melibatkan mekanisme di mana:

1. Pengguna yang menyumbang kepada transaksi juga boleh menyumbang kuasa pengiraan untuk menyelesaikan teka-teki PoW yang berkaitan.
2. Usaha kolektif menggantikan kerja pelombong tunggal.
3. Konsensus mengenai susunan transaksi diperoleh daripada usaha koperatif ini, mungkin dikaitkan dengan set pengguna yang bekerjasama.
4. "Cukai" adalah sumbangan wajib (dalam bentuk usaha pengiraan atau kos terbitan) yang dibayar oleh pihak yang bertransaksi, menginternalisasikan kos konsensus.

Ini berbeza dengan model tradisional di mana pelombong luar bersaing untuk menyelesaikan PoW untuk yuran, membawa kepada kolam dan potensi pemusatan.

4. Teras Wawasan & Perspektif Penganalisis

Teras Wawasan: Kertas kerja Kuijper bukan sekadar pelarasan kepada algoritma hashing; ia adalah intervensi ekonomi dan teori permainan asas dalam reka bentuk rantaian blok. Inovasi sebenar adalah memisahkan usaha konsensus daripada perlombongan berasaskan keuntungan dan mengaitkannya secara langsung dengan utiliti transaksi. Peralihan daripada yuran-kepada-pelombong kepada cukai-oleh-pengguna membalikkan struktur insentif, bertujuan untuk menyelaraskan kesihatan rangkaian dengan kerjasama pengguna dan bukannya persaingan pelombong. Ini menggema prinsip yang dilihat dalam penyelidikan reka bentuk mekanisme dari institusi seperti Stanford Crypto Economics Lab, yang meneroka cara menyusun insentif untuk mencapai hasil sistem yang diingini.

Aliran Logik: Hujahnya logik tetapi bergantung pada andaian kritikal yang tidak terbukti: bahawa pengguna akan bekerjasama dengan cekap dan jujur tanpa memperkenalkan overhead penyelarasan atau vektor serangan baharu. Kertas kerja ini dengan betul mengenal pasti pembaziran tenaga dan tekanan pemusatan (melalui kolam) dalam PoW Bitcoin, seperti yang didokumenkan dalam banyak kajian (contohnya, Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index). Ia kemudian mengemukakan kerjasama sebagai penawar. Walau bagaimanapun, lompatan logik adalah mengandaikan kerjasama lebih mudah untuk diatur dalam persekitaran tanpa kepercayaan berbanding persaingan. Sejarah sistem P2P menunjukkan bahawa kolaborasi sering memerlukan protokol kompleks (seperti tit-for-tat BitTorrent) untuk mencegah penumpang bebas—masalah yang mesti diselesaikan oleh skema ini.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan: Wawasan ini menarik. Mengurangkan inflasi tenaga dan diskriminasi berasaskan pelombong adalah matlamat yang mulia. Konsep "cukai transaksi" yang menginternalisasikan eksternaliti adalah elegan dari segi ekonomi, serupa dengan konsep cukai karbon yang digunakan pada sisa pengiraan. Kelemahan: Kertas kerja ini ketara kurang mengenai "bagaimana". Pemformalan dipendekkan, tetapi premisnya sendiri kekurangan mekanisme konkrit untuk mencegah serangan sybil di mana pengguna mencipta banyak identiti palsu untuk mengelak menyumbang bahagian kerja yang adil. Bagaimanakah "kerja koperatif" disahkan dan dikaitkan? Tanpa ini, sistem boleh menjadi lebih terdedah, bukan kurang. Tambahan pula, menggantikan model kompetitif yang diketahui dan teruji dengan model koperatif baharu memperkenalkan risiko dan halangan penerimaan yang ketara, cabaran yang juga dihadapi oleh inovasi konsensus lain seperti Proof-of-Stake semasa tempoh kritikan awalnya.

Wawasan Boleh Tindak: Bagi penyelidik, kertas kerja ini adalah lombong emas untuk kerja susulan. Langkah seterusnya segera adalah mereka bentuk dan mensimulasikan permainan PoW koperatif tertentu, menganalisis keseimbangan Nashnya. Adakah ia tidak dapat dielakkan membawa kepada kerjasama, atau boleh dimanipulasi? Bagi pengamal, pengajaran utama adalah prinsip, bukan pelaksanaan segera. Pertimbangkan cara menggunakan "penginternalisasian kos koperatif" dalam reka bentuk sistem anda. Bolehkah model hibrid berfungsi, di mana cukai transaksi asas membiayai set pengesah teragih, menggabungkan idea dari kertas kerja ini dengan proof-of-stake yang diwakilkan? Idea teras—menjadikan pengeluar transaksi bertanggungjawab untuk kos konsensus—perlu diterokai dalam penyelesaian lapisan-2 atau reka bentuk lejar baharu di mana model ancaman berbeza daripada tetapan Bitcoin yang sepenuhnya tanpa kebenaran.

5. Butiran Teknikal & Formalisme Matematik

Walaupun pemformalan penuh dipotong, skema yang dicadangkan dibina berdasarkan PoW berasaskan hash kriptografi piawai. PoW tradisional memerlukan pencarian nonce $n$ supaya untuk data blok $B$, fungsi hash $H$, dan sasaran kesukaran $T$:

$H(B, n) < T$

Dalam tetapan koperatif, ini berkemungkinan berubah. Katakan set transaksi $\tau$ dicadangkan oleh sekumpulan pengguna $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$. Setiap pengguna $u_i$ menyumbang penyelesaian kerja separa $w_i$. PoW koperatif mungkin memerlukan:

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

Di mana $\text{Aggregate}$ adalah fungsi yang menggabungkan sumbangan individu. Mekanisme cukai membayangkan setiap $u_i$ mesti menggunakan sumber berkadar dengan kepentingan atau peranan mereka dalam $\tau$, memastikan kerja kolektif memenuhi kesukaran $T$. Pengesahan perlu mengesahkan setiap $w_i$ adalah sah dan disumbang secara unik, mencegah serangan main semula atau pemalsuan.

6. Kerangka Analisis & Contoh Konseptual

Skenario: Alice, Bob, dan Charlie mahu transaksi mereka ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) dimasukkan dalam blok seterusnya.

PoW Tradisional (Kompetitif): Pelombong M1, M2, M3 bersaing untuk menyelesaikan $H(blok, n) < T$ untuk blok yang mengandungi transaksi ini ditambah yuran. Pemenang (contohnya, M2) mendapat yuran. Alice, Bob, dan Charlie adalah pasif.

PoW Koperatif (Dicadangkan):

1. Alice, Bob, dan Charlie membentuk kumpulan sementara untuk transaksi mereka.
2. Protokol memberikan mereka teka-teki bersama: Cari input $(w_a, w_b, w_c)$ supaya $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$.
3. Mereka masing-masing mengira penyelesaian separa secara tempatan. Alice mencari $w_a$, Bob mencari $w_b$, Charlie mencari $w_c$.
4. Mereka menggabungkan keputusan mereka. Kerja gabungan memenuhi kesukaran.
5. Mereka menyiarkan transaksi bersama dengan bukti bersama $(w_a, w_b, w_c)$.
6. Rangkaian mengesahkan hash dan bahawa setiap $w_i$ dikaitkan dengan pemilik transaksi masing-masing.
7. Daripada membayar yuran, mereka masing-masing telah "membayar" cukai dalam bentuk usaha pengiraan $w_i$. Transaksi mereka ditambahkan.

Cabaran Utama dalam Kerangka Ini: Mencegah Charlie daripada bermalas-malas dan menggunakan penyelesaian dari epoch sebelumnya (serangan main semula) atau menyalin kerja Bob. Protokol memerlukan cara untuk mengikat $w_i$ kepada identiti $u_i$ dan kelompok transaksi tertentu, mungkin menggunakan tandatangan digital: $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$. Ini menambah kerumitan.

7. Prospek Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

Aplikasi Segera: Skema ini paling sesuai dalam rantaian blok konsortium atau aplikasi teragih khusus (dApps) di mana peserta mempunyai hubungan pra-wujud, separa mempercayai. Contohnya, konsortium rantaian bekalan di mana semua ahli dikenali dan bersetuju berkongsi beban penyelenggaraan lejar untuk transaksi bersama mereka.

Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan:

1. Analisis Teori Permainan Formal: Memodelkan skema sebagai permainan untuk mengenal pasti keseimbangan koperatif stabil dan strategi sabotaj berpotensi.
2. Model Hibrid: Menggabungkan PoW koperatif dengan mekanisme konsensus lain (contohnya, Proof-of-Stake untuk finaliti, PoW koperatif untuk penyusunan).
3. Integrasi Lapisan-2: Melaksanakan model cukai koperatif pada rollup lapisan-2, di mana kelompok transaksi dimuktamadkan pada rantaian utama. Pengguna rollup boleh bekerjasama membuktikan kesahihan kelompok mereka.
4. Integrasi Fungsi Kelewatan Boleh Sahkan (VDF): Menggantikan atau menambah baik teka-teki hash dengan tugas berasaskan VDF. Ini boleh memastikan "kerja" adalah berasaskan masa dan tidak boleh selari, berpotensi memudahkan pengukuran sumbangan adil.
5. Pemiawaian Bukti Sumbangan: Membangunkan protokol kriptografi ringan untuk membuktikan sumbangan individu kepada bukti bersama, masalah yang bersebelahan dengan penyelidikan bukti pengetahuan sifar.

Wawasan jangka panjang adalah ekosistem rantaian blok di mana kos persekitaran dan ekonomi konsensus ditanggung secara langsung oleh mereka yang mendapat manfaat daripada transaksi, menggalakkan kelestarian dan keadilan—satu langkah penting melepasi paradigma perlombongan generasi pertama "pemenang-ambil-semua".

8. Rujukan

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). [Disebut sebagai contoh kertas kerja yang memperkenalkan pendekatan baharu, berstruktur berbeza (kekonsistenan kitaran) kepada masalah yang diketahui (terjemahan imej), analog dengan pendekatan baharu kertas kerja ini kepada PoW].
7. Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [Menonjolkan kedalaman analisis ekonomi yang diperlukan untuk perubahan insentif rantaian blok yang berjaya].