Кооперативная схема доказательства выполнения работы для распределённых протоколов консенсуса

Содержание

1. Введение

В данной статье предлагается усовершенствование традиционной схемы доказательства выполнения работы (Proof-of-Work, PoW), которая обычно заключается в поиске одноразового числа (nonce), дающего криптографический хеш-вывод с требуемым количеством ведущих нулей. Ключевым нововведением является кооперативная схема доказательства выполнения работы, предназначенная для того, чтобы позволить нескольким автономным пользователям совместно генерировать доказательство для своих транзакций. Эта совместная работа направлена на достижение консенсуса относительно порядка транзакций в распределённом реестре без использования централизованных майнинг-пулов.

Предлагаемая схема призвана решить присущие стандартному PoW проблемы, такие как несовпадение стимулов в майнинг-пулах и конкурентная, энергозатратная гонка между майнерами. Позволяя осуществлять прямое сотрудничество, она предполагает замену комиссий за транзакции (выплачиваемых майнерам) на налоги на транзакции

Описанные потенциальные преимущества включают:

• Повышенную защиту от дискриминации пользователей майнерами транзакций.
• Увеличение пропускной способности системы за счёт снижения конкуренции между майнерами.
• Более сильное сдерживание атак типа «отказ в обслуживании» (DoS), поскольку атаки будут нести стоимость налога на транзакцию.

2. Консенсус

Статья рассматривает проблему в контексте одноранговых (P2P) сетей, требующих распределённого реестра. Все узлы должны согласовать состояние реестра без центрального органа или предварительного выбора лидера.

Фундаментальной проблемой является задержка распространения сообщений. В идеальной среде с низкой частотой транзакций консенсус мог бы быть достигнут путём наблюдения за паузой в сетевом трафике — «полной остановкой», — указывающей на то, что все узлы, вероятно, увидели один и тот же набор сообщений. Эти сообщения затем могли бы быть канонически упорядочены (например, по хешу) и добавлены в реестр.

Однако реальная частота транзакций слишком высока для этой простой схемы. Здесь на помощь приходит доказательство выполнения работы. Требуя вычислительных усилий (решения криптографической головоломки), PoW искусственно снижает эффективную скорость, с которой любой отдельный узел может предлагать новые записи в реестр. Сложность головоломки может быть откалибрована для установления верхней границы частоты транзакций, создавая необходимые «периоды затишья» для возникновения фактического консенсуса.

3. Кооперативное доказательство выполнения работы

В статье формализуется кооперативная схема, но приведённый отрывок обрывается. Основываясь на введении, формализация, вероятно, включает механизм, при котором:

1. Пользователи, участвующие в транзакции, также могут вносить вычислительную мощность для решения связанной головоломки PoW.
2. Коллективные усилия заменяют работу одного майнера.
3. Консенсус относительно порядка транзакций выводится из этой совместной работы, возможно, привязываясь к набору сотрудничающих пользователей.
4. «Налог» представляет собой обязательный взнос (в виде вычислительных усилий или производной стоимости), оплачиваемый сторонами транзакции, интернализируя стоимость достижения консенсуса.

Это противоречит традиционной модели, в которой внешние майнеры конкурируют за решение PoW за комиссии, что приводит к образованию пулов и потенциальной централизации.

4. Ключевая идея и аналитическая перспектива

Ключевая идея: Статья Кёйпера — это не просто доработка хеширующих алгоритмов; это фундаментальное экономическое и теоретико-игровое вмешательство в дизайн блокчейна. Настоящим нововведением является отделение усилий по достижению консенсуса от прибыльного майнинга и их прямая привязка к полезности транзакции. Смена модели с комиссии-майнеру на налог-пользователем переворачивает структуру стимулов с ног на голову, стремясь связать здоровье сети с сотрудничеством пользователей, а не с конкуренцией майнеров. Это перекликается с принципами, наблюдаемыми в исследованиях по дизайну механизмов в таких учреждениях, как Stanford Crypto Economics Lab, которые изучают, как структурировать стимулы для достижения желаемых результатов системы.

Логическая последовательность: Аргументация логически обоснована, но опирается на критическое, недоказанное предположение: что пользователи будут сотрудничать эффективно и честно, не создавая новых накладных расходов на координацию или векторов атак. В статье правильно идентифицируются энергетические потери и давление централизации (через пулы) в PoW Биткойна, что задокументировано во многочисленных исследованиях (например, Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index). Затем она постулирует сотрудничество как противоядие. Однако логический скачок заключается в предположении, что сотрудничество проще организовать в среде без доверия, чем конкуренцию. История P2P-систем показывает, что сотрудничество часто требует сложных протоколов (таких как tit-for-tat в BitTorrent) для предотвращения «безбилетников» — проблема, которую должна решить эта схема.

Сильные стороны и недостатки: Сильные стороны: Видение убедительно. Снижение энергетической инфляции и дискриминации, вызванной майнерами, — благородные цели. Концепция «налога на транзакцию», интернализирующего внешние эффекты, экономически элегантна, аналогично концепциям углеродного налога, применяемым к вычислительным отходам. Недостатки: В статье заметно мало внимания уделено «как». Формализация обрывается, но даже предпосылка не содержит конкретного механизма для предотвращения сибил-атак, когда пользователь создаёт множество поддельных идентификаторов, чтобы избежать внесения своей справедливой доли работы. Как проверяется и атрибутируется «совместная работа»? Без этого система может стать более уязвимой, а не менее. Более того, замена известной, проверенной в боях конкурентной модели новой кооперативной влечёт за собой значительные риски и препятствия для внедрения, с чем также сталкивались другие инновации в области консенсуса, такие как Proof-of-Stake в периоды его ранней критики.

Практические выводы: Для исследователей эта статья — золотая жила для последующей работы. Следующий непосредственный шаг — разработать и смоделировать конкретную кооперативную игру PoW, проанализировав её равновесия Нэша. Неизбежно ли это приводит к сотрудничеству, или им можно манипулировать? Для практиков ключевой вывод — это принцип, а не немедленная реализация. Подумайте, как применить «кооперативную интернализацию издержек» в дизайне вашей системы. Может ли работать гибридная модель, где базовый налог на транзакцию финансирует децентрализованный набор валидаторов, сочетая идеи этой статьи с делегированным доказательством доли владения? Основная идея — возложение ответственности за расходы на консенсус на инициатора транзакции — должна быть исследована в решениях второго уровня или новых конструкциях реестров, где модель угроз отличается от полностью беспермиссионной среды Биткойна.

5. Технические детали и математическая формализация

Хотя полная формализация усечена, предлагаемая схема строится на основе стандартного PoW на основе криптографического хеширования. Традиционный PoW требует найти одноразовое число $n$ такое, что для данных блока $B$, хеш-функции $H$ и целевого уровня сложности $T$:

$H(B, n) < T$

В кооперативной среде это, вероятно, преобразуется. Предположим, набор транзакций $\tau$, предложенный группой пользователей $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$. Каждый пользователь $u_i$ вносит частичное решение работы $w_i$. Кооперативный PoW может требовать:

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

Где $\text{Aggregate}$ — функция, объединяющая индивидуальные вклады. Налоговый механизм подразумевает, что каждый $u_i$ должен затрачивать ресурсы, пропорциональные его доле или роли в $\tau$, обеспечивая соответствие коллективной работы сложности $T$. Верификация должна подтверждать, что каждый $w_i$ действителен и уникально внесён, предотвращая атаки повторного использования или подделки.

6. Структура анализа и концептуальный пример

Сценарий: Алиса, Боб и Чарли хотят, чтобы их транзакции ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) были включены в следующий блок.

Традиционный PoW (Конкурентный): Майнеры M1, M2, M3 соревнуются за решение $H(block, n) < T$ для блока, содержащего эти транзакции плюс комиссии. Победитель (например, M2) получает комиссии. Алиса, Боб и Чарли пассивны.

Кооперативный PoW (Предлагаемый):

1. Алиса, Боб и Чарли образуют временную группу для своих транзакций.
2. Протокол назначает им совместную головоломку: найти входные данные $(w_a, w_b, w_c)$ такие, что $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$.
3. Каждый из них вычисляет частичные решения локально. Алиса находит $w_a$, Боб находит $w_b$, Чарли находит $w_c$.
4. Они объединяют свои результаты. Совместная работа удовлетворяет сложности.
5. Они рассылают транзакции вместе с совместным доказательством $(w_a, w_b, w_c)$.
6. Сеть проверяет хеш и то, что каждый $w_i$ связан с соответствующим владельцем транзакции.
7. Вместо оплаты комиссий они каждый «заплатили» налог в форме своих вычислительных усилий $w_i$. Их транзакции добавляются.

Ключевая проблема в этой структуре: Предотвращение ситуации, когда Чарли бездействует и использует решение из предыдущей эпохи (атака повторного использования) или копирует работу Боба. Протоколу нужен способ привязать $w_i$ к идентичности $u_i$ и конкретному пакету транзакций, возможно, с использованием цифровых подписей: $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$. Это добавляет сложности.

7. Перспективы применения и направления будущих исследований

Непосредственные применения: Эта схема наиболее жизнеспособна в консорциумных блокчейнах или специализированных децентрализованных приложениях (dApps), где участники имеют предварительные, полу-доверительные отношения. Например, консорциум цепочки поставок, где все члены известны и согласны разделить бремя поддержки реестра для своих взаимных транзакций.

Направления будущих исследований:

1. Формальный теоретико-игровой анализ: Моделирование схемы как игры для выявления стабильных, кооперативных равновесий и потенциальных стратегий саботажа.
2. Гибридные модели: Сочетание кооперативного PoW с другими механизмами консенсуса (например, Proof-of-Stake для финализации, кооперативный PoW для упорядочивания).
3. Интеграция второго уровня: Реализация модели кооперативного налога на роллапах второго уровня, где пакеты транзакций финализируются в основной цепи. Пользователи роллапа могли бы совместно доказывать валидность своего пакета.
4. Интеграция с верифицируемой функцией задержки (VDF): Замена или дополнение хеш-головоломки задачей на основе VDF. Это может гарантировать, что «работа» основана на времени и не поддаётся распараллеливанию, потенциально упрощая измерение справедливого вклада.
5. Стандартизация доказательств вклада: Разработка лёгких криптографических протоколов для доказательства индивидуального вклада в совместное доказательство — проблема, смежная с исследованиями доказательств с нулевым разглашением.

Долгосрочное видение — это экосистема блокчейна, в которой экологические и экономические издержки консенсуса несут непосредственно те, кто получает выгоду от транзакции, способствуя устойчивости и справедливости — значительный шаг вперёд по сравнению с парадигмой майнинга первого поколения «победитель получает всё».

8. Ссылки

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). [Цитируется как пример статьи, представляющей новый, структурно иной подход (циклическая согласованность) к известной проблеме (преобразование изображений), аналогичный новому подходу этой статьи к PoW].
7. Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [Подчёркивает глубину экономического анализа, необходимого для успешных изменений стимулов в блокчейне].