Njia Mpya ya Uthibitisho wa Kazi (PoW) kwa Bitcoin: Kuimarisha Utawala wa Kijamii na Usalama

1. Utangulizi na Mazingira

Usalama wa msingi wa Bitcoin unategemea hali yake ya utawala wa kijamii na utaratibu wa makubaliano wa Uthibitisho wa Kazi (PoW). Hata hivyo, karatasi hii inabainisha dosari muhimu: motisha za kiuchumi za asili za PoW husababisha mkusanyiko wa nguvu ya kompyuta. Mwandishi anadai kwamba ikiwa wachimbaji watatenda kwa busara ili kuongeza faida, nguvu ya uchimbaji hatimaye itakusanyika mikononi mwa watu wachache, na kuongeza hatari ya shambulio la "51%" ambapo muundo mmoja unaweza kubadilisha mnyororo wa vitalu (blockchain).

2. Tatizo la Mkusanyiko wa Nguvu katika Uchimbaji wa Bitcoin

Karatasi hii inatoa uthibitisho wa kimantiki unaoonyesha kwamba chini ya muundo wa sasa wa PoW, mchezo wa uchimbaji ni soko ambalo mshindi huchukua mengi. Uchumi wa kiwango katika vifaa (ASICs), upatikanaji wa umeme wa bei nafuu, na muundo wa tuzo ya kizuizi (block reward) huunda vikwazo visivyoshindika kwa wachimbaji wadogo, na kuelekeza nguvu kwenye vikundi vikubwa vya uchimbaji.

2.1 Tishio la Shambulio la 51%

Shambulio la 51% sio la kinadharia tu. Karatasi hii inarejelea mfano wa awali wa Satoshi Nakamoto wa binomial random walk ili kuanzisha kizingiti cha usalama. Kudhibiti nguvu nyingi ya hash (hash power) humruhusu mshambuliaji kutumia sarafu mara mbili (double-spend) na kuzuia uthibitishaji wa miamala, na hivyo kuvunja imani kwenye mtandao. Mwelekeo wa mkusanyiko wa nguvu moja kwa moja hupunguza gharama na uwezekano wa shambulio kama hilo.

2.2 Ubusara wa Kiuchumi na Mkusanyiko wa Nguvu

Mwandishi anatumia mfano wa tabia ya wachimbaji kwa kutumia dhana za mwenendo wa kiuchumi wa busara. Kazi ya faida kwa mchimbaji i inaweza kurahisishwa kama: $\Pi_i = \frac{h_i}{H} \cdot R - C(h_i)$, ambapo $h_i$ ni kiwango cha hash cha mchimbaji, $H$ ni jumla ya kiwango cha hash cha mtandao, $R$ ni tuzo ya kizuizi, na $C$ ni kazi ya gharama. Hii huunda mzunguko wa maoni (feedback loop) ambapo $h_i$ ya juu husababisha matarajio ya tuzo za juu, na kurahisisha uwekezaji tena na kuongeza zaidi $h_i$, na kusababisha mkusanyiko wa nguvu.

Ufahamu Muhimu: Mzunguko wa Maoni wa Mkusanyiko wa Nguvu

Faida → Uwekezaji tena kwenye Vifaa → Kuongezeka kwa Sehemu ya Hash → Uwezekano wa Juu wa Tuzo → Faida Zaidi. Mzunguko huu kiasili huunganisha nguvu.

3. Njia Mpya ya Uthibitisho wa Kazi Iliyopendekezwa

Ili kukabiliana na hili, karatasi hii inapendekeza njia mpya ya PoW iliyojengwa juu ya kanuni zilizobainishwa kama "Kazi wazi kwa talanta zote," "Usambazaji kulingana na kazi," na "Wote tumeumbwa sawa."

3.1 Kanuni Msingi

Kizingiti cha Chini cha Kuingia: Njia hii inalenga kuwa imara dhidi ya ASICs, na kuruhusu ushiriki kutoka kwa seti pana ya vifaa (mfano, matumizi bora ya GPU za watumiaji).
Mapato Yanayopungua kwa Kiwango Kikubwa: Algorithm iliyopendekezwa hubadilisha kazi ya tuzo ili kuanzisha mstari usio sawa, na kupunguza faida ya pembezoni ya kuongeza kwa kasi nguvu ya hash.
Ukinzani wa Shambulio la Sybil: Ubunifu hudumisha ukinzani dhidi ya washambuliaji wanaounda vitambulisho vingi vya bandia (shambulio la Sybil) huku ukikataza utawala wa muundo mmoja.

3.2 Ubunifu wa Kiufundi na Msingi wa Hisabati

Ingawa PDF haina maelezo ya kina ya algorithm, njia iliyopendekezwa inamaanisha kazi ya tuzo iliyobadilishwa. Uundaji unaowezekana unaotokana na kanuni hizi unaweza kuwa: $R_i = R \cdot \frac{f(h_i)}{\sum_{j=1}^{N} f(h_j)}$, ambapo $f(h_i)$ ni kazi ya chini ya mstari (mfano, $f(h_i) = \log(1 + h_i)$ au $f(h_i) = \sqrt{h_i}$). Hii inatofautiana na tuzo ya mstari ya Bitcoin $\frac{h_i}{H}$. $f(h_i)$ ya chini ya mstari hupunguza faida ya $h_i$ kubwa sana.

Mfumo wa Mfano (Sio Msimbo): Fikiria uigaji rahisi na wachimbaji watatu: Alice (nguvu ya hash 40%), Bob (35%), na Carol (25%). Chini ya PoW ya kawaida, uwezekano wao wa kupata tuzo ni 0.4, 0.35, 0.25. Chini ya PoW iliyopendekezwa yenye msingi wa sqrt, uzito wenye ufanisi unakuwa $\sqrt{0.4}\approx0.63$, $\sqrt{0.35}\approx0.59$, $\sqrt{0.25}=0.5$. Baada ya kusawazisha, uwezekano wao unakuwa ~0.37, 0.34, 0.29, na kwa ufanisi kusambaza tena ushawishi kutoka kwa Alice kwenda kwa Carol.

4. Uchambuzi na Tathmini

4.1 Nguvu na Maboresho ya Kinadharia

Uimarishaji wa Utawala wa Kijamii: Kwa kupunguza mwinuko wa mkunjo wa tuzo, njia hii inaweza kukuza mazingira ya uchimbaji yenye utofauti wa kijiografia na wa muundo.
Kupunguzwa kwa Eneo la Hatari la Shambulio la 51%: Kufanya iwe isiyo na maana kiuchumi kukusanya zaidi ya 51% ya nguvu yenye ufanisi inashughulikia moja kwa moja tishio kuu la usalama.
Ulinganifu wa Kifalsafa: Inajaribu kuweka tena Bitcoin na kanuni za usawa zinazofanana na asili yake ya cypherpunk.

4.2 Mapungufu Yanayowezekana na Changamoto za Utekelezaji

Usawazishaji wa Usalama-Ufanisi: Mabadiliko yoyote kwa PoW lazima yachunguzwe kwa uangalifu. Kama ilivyobainishwa katika karatasi ya CycleGAN (Zhu et al., 2017), miundo mipya inahitaji majaribio makubwa ili kugundua hali zisizotarajiwa za kushindwa. PoW mpya inaweza kuanzisha udhaifu usiotarajiwa.
Kikwazo cha Kupitishwa: Utekelezaji wa hii unahitaji mgawanyiko mgumu (hard fork), na kukabiliana na upinzani mkali kutoka kwa makampuni makubwa ya uchimbaji yanayofaidika na hali ya sasa, tatizo la kawaida la uratibu.
Uwezekano wa Njia Mpya za Shambulio: Kazi ngumu za tuzo zinaweza kuchezwa kwa njia tofauti. Uchambuzi unaoendelea, kama ule unaofanywa na Benki Kuu ya Marekani (Federal Reserve) juu ya utulivu wa mfumo wa kifedha, ungehitajika.

Mtazamo wa Mchambuzi: Ufahamu Msingi, Mwendo wa Kimantiki, Nguvu na Mapungufu, Ufahamu Unaotekelezeka

Ufahamu Msingi: Karatasi ya Shi inatambua kwa usahihi PoW ya Bitcoin kama nguvu ya kukusanya mamlaka, sio ya kudumisha usawa. Uvumbuzi halisi sio algorithm mpya tu, lakini utambuzi wazi kwamba mitambo ya makubaliano lazima iwe na sifa za kudumisha utawala wa kijamii zikiwa ndani yake, sio kudhaniwa tu.

Mwendo wa Kimantiki: Hoja ni sahihi: 1) Upeo wa faida wa busara + uchumi wa kiwango → mkusanyiko wa nguvu. 2) Mkusanyiko wa nguvu → gharama ya chini ya shambulio la 51%. 3) Kwa hivyo, PoW lazima ibuniwe upya ili kuvunja uhusiano wa mstari kati ya nguvu ghafi ya hash na ushawishi. Ni ukosoaji wenye nguvu, wenye msingi wa kiuchumi.

Nguvu na Mapungufu: Nguvu yake ni ukosoaji wake wa msingi wa kiuchumi. Kosa lake ni ukosefu wa maelezo maalum, yanayoweza kujaribiwa ya algorithm. Kupendekeza kanuni kama "Wote tumeumbwa sawa" ni ya kuvutia kifalsafa lakini haieleweki kwa utendaji. Je, mtandao unapima "kazi" kwa usawa vipi? Ugumu uko katika maelezo ya mifumo iliyosambazwa, eneo ambapo mapendekezo mengi yanashindwa, kama ilivyorekodiwa katika hifadhidata kama Maktaba ya Dijiti ya ACM.

Ufahamu Unaotekelezeka: Kwa wasanifu wa blockchain, karatasi hii ni lazima isomwe. Inabadilisha lengo la ubunifu kutoka "kufikia makubaliano" hadi "kufikia makubaliano ya kijamii." Ufahamu unaotekelezeka ni kuiga muundo wa motisha wa utaratibu wako wa makubaliano kwa uigaji wa msimamizi kwanza, kabla ya kutumika, ili kujaribu kwa shinikizo mwelekeo wa mkusanyiko wa nguvu. Kwa Bitcoin, njia ya mbele pengine sio mabadiliko makubwa ya PoW lakini labda mfano mseto au tabaka za ziada (kama Lightning Network) ambazo hupunguza umuhimu wa kimfumo wa nguvu ya uchimbaji wa tabaka ya msingi.

5. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

Kanuni zilizobainishwa zina athari zaidi ya Bitcoin:

Sarafu za Uficho za Kizazi Kijacho: Miradi mipya (mfano, ile inayotumia aina za Uthibitisho wa Hifadhi - Proof-of-Stake) inaweza kuunganisha "mapato yanayopungua kwa ushawishi" kama kigezo cha msingi cha ubunifu.
Shirika za Kujitawala za Kijamii (DAOs): Mitambo ya utawala katika DAOs inakabiliwa na hatari sawa za utawala wa matajiri. Wazo la nguvu ya kupiga kura ya chini ya mstari kulingana na umiliki wa tokeni linaweza kutumika ili kuzuia utawala wa wakubwa (whale dominance).
Mifano Mseto ya Makubaliano: Utafiti wa baadaye unaweza kuchunguza kuchanganya malengo ya usawa ya utaratibu uliopendekezwa na vipengele vingine vya usalama, kama vile kazi zinazocheleweshwa zinazoweza kuthibitishwa (VDFs), ili kuunda daftari imara, za kijamii kwa matumizi ya thamani kubwa katika fedha na mnyororo wa usambazaji.
Mazingatio ya Udhibiti: Benki kuu zinapochunguza CBDCs, miundo ambayo kiasili hukataza mkusanyiko wa nguvu inaweza kufanya tabaka za kijamii za malipo kuwa zinakubalika zaidi kwa wadhibiti wanaowasiwasi kuhusu hatari ya kimfumo kutokana na udhibiti wa kibinafsi.

6. Marejeo

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).