Новый механизм Proof-of-Work для Bitcoin: Повышение децентрализации и безопасности

1. Введение и предпосылки

Фундаментальная безопасность Bitcoin основывается на его децентрализованной природе и механизме консенсуса Proof-of-Work (PoW). Однако в статье выявляется критический недостаток: присущие PoW экономические стимулы ведут к централизации вычислительной мощности. Автор утверждает, что если майнеры действуют рационально, стремясь максимизировать прибыль, майнинговая мощность неизбежно сконцентрируется в руках меньшего числа участников, увеличивая риск катастрофической «атаки 51%», при которой одно лицо может манипулировать блокчейном.

2. Проблема централизации в майнинге Bitcoin

В статье приводится логическое доказательство, демонстрирующее, что при текущей конструкции PoW майнинг представляет собой рынок, где победитель получает почти всё. Эффект масштаба в оборудовании (ASIC), доступ к дешёвой электроэнергии и структура вознаграждения за блок создают непреодолимые барьеры для мелких майнеров, направляя мощность в крупные майнинговые пулы.

2.1 Угроза атаки 51%

Атака 51% — не просто теоретическая угроза. В статье ссылаются на оригинальную биномиальную модель случайного блуждания Сатоши Накамото для установления порога безопасности. Контроль над большинством хеш-мощности позволяет злоумышленнику осуществлять двойное расходование монет и препятствовать подтверждению транзакций, что подрывает доверие к сети в корне. Тенденция к централизации напрямую снижает стоимость и осуществимость такой атаки.

2.2 Экономическая рациональность и концентрация мощности

Автор моделирует поведение майнеров, используя предположения о рациональных экономических агентах. Функция прибыли для майнера i может быть упрощена как: $\Pi_i = \frac{h_i}{H} \cdot R - C(h_i)$, где $h_i$ — хеш-рейт майнера, $H$ — общий хеш-рейт сети, $R$ — вознаграждение за блок, а $C$ — функция затрат. Это создаёт петлю обратной связи, в которой более высокий $h_i$ ведёт к более высокой ожидаемой награде, позволяя реинвестировать и ещё больше увеличивать $h_i$, что приводит к централизации.

Ключевой вывод: Петля обратной связи централизации

Прибыль → Реинвестирование в оборудование → Увеличение доли хеш-мощности → Более высокая вероятность получения награды → Больше прибыли. Этот цикл естественным образом консолидирует власть.

3. Предлагаемый новый механизм Proof-of-Work

Для противодействия этому в статье предлагается новый механизм PoW, построенный на принципах, обозначенных как «Карьера открыта для всех талантов», «Распределение по труду» и «Все люди созданы равными».

3.1 Основные принципы

Снижение барьера для входа: Механизм стремится быть более устойчивым к ASIC, позволяя участвовать более широкому спектру оборудования (например, эффективно использовать потребительские видеокарты).
Убывающая отдача от масштаба: Предлагаемый алгоритм изменяет функцию вознаграждения, вводя нелинейности, что снижает предельную выгоду от экспоненциального роста хеш-мощности.
Устойчивость к атаке Сибиллы: Конструкция сохраняет устойчивость к атакам, при которых злоумышленник создаёт множество поддельных идентичностей (атаки Сибиллы), одновременно препятствуя доминированию одного субъекта.

3.2 Техническое устройство и математическая основа

Хотя в PDF-файле отсутствуют исчерпывающие алгоритмические детали, предлагаемый механизм подразумевает модифицированную функцию вознаграждения. Возможная формулировка, вдохновлённая принципами, может быть такой: $R_i = R \cdot \frac{f(h_i)}{\sum_{j=1}^{N} f(h_j)}$, где $f(h_i)$ — сублинейная функция (например, $f(h_i) = \log(1 + h_i)$ или $f(h_i) = \sqrt{h_i}$). Это контрастирует с линейным вознаграждением Bitcoin $\frac{h_i}{H}$. Сублинейная $f(h_i)$ ограничивает преимущество чрезвычайно большого $h_i$.

Примерная схема (не код): Рассмотрим упрощённое моделирование с тремя майнерами: Алиса (40% хеш-мощности), Боб (35%) и Кэрол (25%). При стандартном PoW их вероятности получения награды составляют 0.4, 0.35, 0.25. При предлагаемом PoW на основе квадратного корня эффективные веса становятся $\sqrt{0.4}\approx0.63$, $\sqrt{0.35}\approx0.59$, $\sqrt{0.25}=0.5$. После нормализации их вероятности становятся ~0.37, 0.34, 0.29, эффективно перераспределяя влияние от Алисы к Кэрол.

4. Анализ и оценка

4.1 Сильные стороны и теоретические улучшения

Повышенная децентрализация: Сглаживая кривую вознаграждения, механизм может способствовать формированию более географически и организационно разнообразного ландшафта майнинга.
Сокращение поверхности для атаки 51%: Сделать экономически нерациональной концентрацию >51% эффективной мощности напрямую решает ключевую угрозу безопасности.
Философское соответствие: Предпринимается попытка вновь внедрить в Bitcoin эгалитарные принципы, которые перекликаются с его киберпанковскими истоками.

4.2 Потенциальные недостатки и проблемы реализации

Компромисс между безопасностью и производительностью: Любое изменение PoW должно быть тщательно проверено. Как отмечено в статье о CycleGAN (Zhu et al., 2017), новые архитектуры требуют обширного тестирования для выявления непредвиденных режимов сбоев. Новый PoW может создать непредвиденные уязвимости.
Препятствия для внедрения: Реализация этого требует хард-форка, который столкнётся с ожесточённым сопротивлением существующих майнинговых конгломератов, извлекающих выгоду из статус-кво, — классическая проблема координации.
Возможность новых векторов атак: Сложные функции вознаграждения могут быть использованы иным способом. Потребуется постоянный анализ, подобный тому, который проводит Федеральная резервная система в отношении стабильности финансовой системы.

Взгляд аналитика: Ключевая идея, логика, сильные и слабые стороны, практические выводы

Ключевая идея: Статья Ши верно диагностирует PoW Bitcoin как силу, ведущую к централизации, а не стабилизирующую. Настоящее новшество заключается не просто в новом алгоритме, а в явном признании того, что механизмы консенсуса должны иметь свойства, сохраняющие децентрализацию, заложенные в них изначально, а не просто предполагаемые.

Логика: Аргументация убедительна: 1) Рациональная максимизация прибыли + эффект масштаба → централизация. 2) Централизация → снижение стоимости атаки 51%. 3) Следовательно, PoW должен быть переработан, чтобы разорвать линейную связь между сырой хеш-мощностью и влиянием. Это убедительная, экономически обоснованная критика.

Сильные и слабые стороны: Сила статьи — в её фундаментальной экономической критике. Слабость — в отсутствии конкретной, проверяемой алгоритмической спецификации. Предложение принципов вроде «Все люди созданы равными» философски привлекательно, но операционно расплывчато. Как сеть может справедливо измерить «труд»? Дьявол кроется в деталях распределённых систем — области, где терпят неудачу многие предложения, что задокументировано в базах данных вроде ACM Digital Library.

Практические выводы: Для архитекторов блокчейна эта статья обязательна к прочтению. Она смещает цель проектирования с «достижения консенсуса» на «достижение децентрализованного консенсуса». Практический вывод заключается в том, чтобы сначала смоделировать структуру стимулов вашего механизма консенсуса с помощью агентного моделирования перед развёртыванием, чтобы протестировать его на склонность к централизации. Для Bitcoin путь вперёд, вероятно, заключается не в радикальном изменении PoW, а, возможно, в гибридной модели или дополнительных слоях (таких как Lightning Network), которые снижают системную важность майнинговой мощности базового уровня.

5. Будущее применение и направления исследований

Изложенные принципы имеют значение за пределами Bitcoin:

Криптовалюты следующего поколения: Новые проекты (например, использующие варианты Proof-of-Stake) могут интегрировать «убывающую отдачу от влияния» как ключевой параметр проектирования.
Децентрализованные автономные организации (DAO): Механизмы управления в DAO сталкиваются с аналогичными плутократическими рисками. Концепция сублинейной силы голоса на основе владения токенами может быть применена для предотвращения доминирования «китов».
Гибридные модели консенсуса: Будущие исследования могут изучить сочетание эгалитарных целей предлагаемого механизма с другими функциями безопасности, такими как верифицируемые функции задержки (VDF), для создания надёжных, децентрализованных реестров для высокоценных приложений в финансах и цепочках поставок.
Регуляторные соображения: Поскольку центральные банки изучают CBDC, конструкции, которые изначально препятствуют централизации, могут сделать децентрализованные расчётные слои более приемлемыми для регуляторов, обеспокоенных системными рисками от частного контроля.

6. Список литературы

Nakamoto, S. (2009). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
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.
Narayanan, A., Bonneau, J., Felten, E., Miller, A., & Goldfeder, S. (2016). Bitcoin and Cryptocurrency Technologies. Princeton University Press.
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.
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).
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).