Dağıtık Mutabakat Protokolleri için İşbirlikçi İş Kanıtı Şeması

İçindekiler

1. Giriş

Bu makale, tipik olarak gerekli sayıda baştaki sıfırla sonuçlanan kriptografik bir hash çıktısı veren bir nonce bulmayı içeren geleneksel iş kanıtı (PoW) şemasına bir iyileştirme önermektedir. Temel yenilik, merkezi madencilik havuzlarına güvenmeden, dağıtık bir defter içindeki işlemlerin sırası üzerinde mutabakat oluşturmak amacıyla, birden fazla otonom kullanıcının kendi işlemleri için kanıt üretmek üzere işbirliği yapmasına olanak tanıyan işbirlikçi bir iş kanıtı şemasıdır.

Önerilen şema, madencilik havuzlarındaki teşvik uyumsuzluğu ve madenciler arasındaki rekabetçi, enerji yoğun yarış gibi standart PoW'daki doğal sorunları ele almayı amaçlamaktadır. Doğrudan işbirliğini mümkün kılarak, işlem ücretlerinin (madencilere ödenen) işlem vergileriyle (işlem yapan kullanıcıların kendileri tarafından ödenen) değiştirilmesini öngörmektedir. Bu değişim, rekabetçi madencilikle ilişkili "güç kullanımı üzerindeki enflasyonist etkiyi" hafifletme ve daha tutumlu, işbirlikçi stratejileri teşvik etme potansiyeline sahiptir.

Özetlenen potansiyel faydalar şunlardır:

• İşlem madencileri tarafından kullanıcı ayrımcılığına karşı gelişmiş savunma.
• Madenciler arası rekabetin azalması nedeniyle artan sistem verimi.
• Hizmet Reddi (DoS) saldırılarına karşı daha büyük caydırıcılık, çünkü saldırılar işlem vergisi maliyetini doğuracaktır.

2. Mutabakat

Makale, sorunu dağıtık bir defter gerektiren eşler arası (P2P) ağlar bağlamında çerçevelemektedir. Tüm eşler, merkezi bir otorite veya önceden lider seçimi olmaksızın defterin durumu üzerinde anlaşmalıdır.

Temel zorluk mesaj yayılım gecikmesidir. İdeal, düşük frekanslı bir işlem ortamında, mutabakat, ağ trafiğinde bir duraklama—bir "tam durma"—gözlemleyerek sağlanabilirdi; bu, tüm eşlerin muhtemelen aynı mesaj setini gördüğünü gösterir. Bu mesajlar daha sonra kanonik olarak sıralanabilir (örneğin, hash'e göre) ve deftere eklenebilir.

Ancak, gerçek dünya işlem frekansları bu basit şema için çok yüksektir. İşte bu noktada iş kanıtı kritik hale gelir. Hesaplama çabası gerektirerek (kriptografik bir bulmacayı çözerek), PoW, herhangi bir tek eşin yeni defter girişleri önerme oranını yapay olarak düşürür. Bulmacanın zorluğu, işlem frekansı için bir üst sınır belirlemek üzere kalibre edilebilir, böylece fiili mutabakatın ortaya çıkması için gerekli "sessiz dönemler" yaratılır.

3. İşbirlikçi İş Kanıtı

Makale işbirlikçi şemayı formalize etmektedir ancak sağlanan alıntı kesilmektedir. Girişe dayanarak, formalizasyon muhtemelen şu mekanizmayı içermektedir:

1. Bir işleme katkıda bulunan kullanıcılar, ilişkili PoW bulmacasını çözmek için hesaplama gücü de katkıda bulunabilir.
2. Kolektif çaba, tek bir madencinin işinin yerini alır.
3. İşlem sırası üzerindeki mutabakat, bu işbirlikçi çabadan, muhtemelen işbirliği yapan kullanıcılar kümesine bağlı olarak türetilir.
4. "Vergi", işlem yapan taraflar tarafından ödenen zorunlu bir katkıdır (hesaplama çabası veya türetilmiş bir maliyet olarak), mutabakat maliyetini içselleştirir.

Bu, harici madencilerin ücretler için PoW'u çözmek üzere rekabet ettiği, havuzlara ve potansiyel merkezileşmeye yol açan geleneksel modelin tam tersidir.

4. Temel Kavrayış ve Analist Perspektifi

Temel Kavrayış: Kuijper'ın makalesi sadece hash algoritmalarına bir ayar değildir; blokzinciri tasarımında temel bir ekonomik ve oyun teorisi müdahalesidir. Gerçek yenilik, mutabakat çabasını kâr arayan madencilikten ayırmak ve doğrudan işlem faydasıyla birleştirmektir. Madene-ücret modelinden kullanıcı-tarafından-vergi modeline geçiş, teşvik yapısını baş aşağı çevirerek, ağ sağlığını madenci rekabeti yerine kullanıcı işbirliğiyle uyumlu hale getirmeyi amaçlamaktadır. Bu, Stanford Kripto Ekonomi Laboratuvarı gibi kurumlardan gelen mekanizma tasarım araştırmalarında görülen, istenen sistem sonuçlarına ulaşmak için teşvikleri nasıl yapılandıracağını keşfeden ilkeleri yankılamaktadır.

Mantıksal Akış: Argüman mantıksal olarak sağlamdır ancak kritik, kanıtlanmamış bir varsayıma dayanmaktadır: kullanıcıların yeni koordinasyon yükü veya saldırı vektörleri getirmeden verimli ve dürüst bir şekilde işbirliği yapacaklarıdır. Makale, Bitcoin'in PoW'sundaki enerji israfını ve merkezileşme baskısını (havuzlar aracılığıyla) doğru bir şekilde tanımlamaktadır (örneğin, Cambridge Bitcoin Elektrik Tüketimi Endeksi). Daha sonra işbirliğini panzehir olarak ortaya koymaktadır. Ancak, mantıksal sıçrama, işbirliğinin güvensiz bir ortamda rekabetten daha basit bir şekilde düzenleneceğini varsaymaktır. P2P sistemlerin tarihi, işbirliğinin genellikle bedavacılığı önlemek için karmaşık protokoller (BitTorrent'in tit-for-tat'ı gibi) gerektirdiğini göstermektedir—bu şemanın çözmesi gereken bir problemdir.

Güçlü ve Zayıf Yönler: Güçlü Yönler: Vizyon etkileyicidir. Enerji enflasyonunu ve madenci kaynaklı ayrımcılığı azaltmak asil hedeflerdir. Dışsallıkları içselleştiren bir "işlem vergisi" kavramı, ekonomik olarak zariftir, hesaplama israfına uygulanan karbon vergisi kavramlarına benzer. Zayıf Yönler: Makale, "nasıl" kısmında belirgin şekilde hafiftir. Formalizasyon kısadır, ancak önerme bile, bir kullanıcının adil iş payını katkıda bulunmaktan kaçınmak için birçok sahte kimlik oluşturduğu sybil saldırılarını önlemek için somut bir mekanizmadan yoksundur. "İşbirlikçi iş" nasıl doğrulanır ve atfedilir? Bu olmadan, sistem daha az değil, daha savunmasız olabilir. Ayrıca, bilinen, savaşta test edilmiş rekabetçi bir modeli yeni bir işbirlikçi modelle değiştirmek, önemli risk ve benimseme engelleri getirir; bu, Hisse Kanıtı gibi diğer mutabakat yeniliklerinin erken eleştiri dönemlerinde de karşılaştığı bir zorluktur.

Eyleme Dönüştürülebilir Kavrayışlar: Araştırmacılar için bu makale, takip çalışmaları için bir altın madenidir. Hemen bir sonraki adım, belirli bir işbirlikçi PoW oyunu tasarlamak ve simüle etmek, Nash dengelerini analiz etmektir. Bu kaçınılmaz olarak işbirliğine mi yol açar, yoksa manipüle edilebilir mi? Uygulayıcılar için anahtar çıkarım, ilkedir, acil uygulama değildir. Sistem tasarımınızda "işbirlikçi maliyet içselleştirmesini" nasıl uygulayacağınızı düşünün. Melez bir model işe yarayabilir mi, temel bir işlem vergisinin merkezi olmayan bir doğrulayıcı setini finanse ettiği, bu makaleden fikirleri temsilci hisse kanıtı ile harmanlayan bir model? Temel fikir—işlem verenin mutabakat maliyetlerinden sorumlu olması—katman-2 çözümlerinde veya Bitcoin'in tamamen izinsiz ortamından farklı bir tehdit modeline sahip yeni defter tasarımlarında araştırılmalıdır.

5. Teknik Detaylar ve Matematiksel Formalizasyon

Tam formalizasyon kesilmiş olsa da, önerilen şema standart kriptografik hash tabanlı PoW üzerine inşa edilmiştir. Geleneksel PoW, bir blok verisi $B$, hash fonksiyonu $H$ ve zorluk hedefi $T$ için şu koşulu sağlayan bir nonce $n$ bulmayı gerektirir:

$H(B, n) < T$

İşbirlikçi bir ortamda, bu muhtemelen dönüşür. Bir kullanıcı grubu $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ tarafından önerilen bir işlem seti $\tau$ olduğunu varsayalım. Her kullanıcı $u_i$ bir kısmi iş çözümü $w_i$ katkısında bulunur. İşbirlikçi PoW şunu gerektirebilir:

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

Burada $\text{Aggregate}$, bireysel katkıları birleştiren bir fonksiyondur. Vergi mekanizması, her $u_i$'nin $\tau$'daki payına veya rolüne orantılı kaynak harcaması gerektiğini ima eder, böylece kolektif işin $T$ zorluğunu karşılaması sağlanır. Doğrulama, her $w_i$'nin geçerli ve benzersiz şekilde katkıda bulunulduğunu, tekrar veya sahtecilik saldırılarını önleyecek şekilde onaylamalıdır.

6. Analiz Çerçevesi ve Kavramsal Örnek

Senaryo: Alice, Bob ve Charlie işlemlerinin ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) bir sonraki bloğa dahil edilmesini istiyor.

Geleneksel PoW (Rekabetçi): M1, M2, M3 madencileri, bu işlemleri ve ücretleri içeren bir blok için $H(block, n) < T$'yi çözmek üzere rekabet eder. Kazanan (örneğin, M2) ücretleri alır. Alice, Bob ve Charlie pasiftir.

İşbirlikçi PoW (Önerilen):

1. Alice, Bob ve Charlie işlemleri için geçici bir grup oluşturur.
2. Protokol onlara ortak bir bulmaca atar: $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$ koşulunu sağlayan $(w_a, w_b, w_c)$ girdilerini bulun.
3. Her biri yerel olarak kısmi çözümler hesaplar. Alice $w_a$'yı, Bob $w_b$'yi, Charlie $w_c$'yi bulur.
4. Sonuçlarını birleştirirler. Birleşik iş, zorluğu karşılar.
5. İşlemleri, ortak kanıt $(w_a, w_b, w_c)$ ile birlikte yayınlarlar.
6. Ağ, hash'i ve her $w_i$'nin ilgili işlem sahibine bağlı olduğunu doğrular.
7. Ücret ödemek yerine, her biri hesaplama çabaları $w_i$ şeklinde bir "vergi" ödemiş olur. İşlemleri eklenir.

Bu Çerçevedeki Ana Zorluk: Charlie'nin tembellik edip önceki bir dönemden bir çözüm kullanmasını (tekrar saldırısı) veya Bob'un işini kopyalamasını önlemek. Protokolün, $w_i$'yi $u_i$'nin kimliğine ve belirli işlem grubuna bağlamak için bir yol bulması gerekir, muhtemelen dijital imzalar kullanarak: $w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$. Bu karmaşıklık ekler.

7. Uygulama Öngörüsü ve Gelecek Yönelimler

Acil Uygulamalar: Bu şema, katılımcıların önceden var olan, yarı güven ilişkisine sahip olduğu konsorsiyum blokzincirlerinde veya özel merkezi olmayan uygulamalarda (dApp'ler) en uygulanabilirdir. Örneğin, tüm üyelerin bilindiği ve karşılıklı işlemleri için defter bakım yükünü paylaşmayı kabul ettiği bir tedarik zinciri konsorsiyumu.

Gelecek Araştırma Yönelimleri:

1. Formal Oyun Teorisi Analizi: Şemayı bir oyun olarak modelleyerek istikrarlı, işbirlikçi dengeleri ve potansiyel sabotaj stratejilerini belirlemek.
2. Melez Modeller: İşbirlikçi PoW'yu diğer mutabakat mekanizmalarıyla birleştirmek (örneğin, kesinlik için Hisse Kanıtı, sıralama için işbirlikçi PoW).
3. Katman-2 Entegrasyonu: İşbirlikçi vergi modelini katman-2 toplamalarında uygulamak, burada işlem grupları bir ana zincirde nihai hale getirilir. Toplamanın kullanıcıları, gruplarının geçerliliğini işbirlikçi bir şekilde kanıtlayabilir.
4. Doğrulanabilir Gecikme Fonksiyonu (VDF) Entegrasyonu: Hash bulmacasını VDF tabanlı bir görevle değiştirmek veya güçlendirmek. Bu, "işin" zamana dayalı ve paralelleştirilemez olduğundan emin olabilir, potansiyel olarak adil katkı ölçümünü basitleştirebilir.
5. Katkı Kanıtlarının Standardizasyonu: Ortak bir kanıta bireysel katkıyı kanıtlamak için hafif kriptografik protokoller geliştirmek, sıfır bilgi kanıtı araştırmalarına yakın bir problem.

Uzun vadeli vizyon, mutabakatın çevresel ve ekonomik maliyetlerinin doğrudan işlemden faydalananlar tarafından üstlenildiği, sürdürülebilirliği ve adaleti teşvik eden bir blokzincir ekosistemidir—birinci nesil "kazanan hepsini alır" madencilik paradigmasının ötesinde önemli bir adım.

8. Referanslar

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Eşler Arası Elektronik Nakit Sistemi.
2. Demers, A., vd. (1987). Çoğaltılmış Veritabanı Bakımı için Epidemik Algoritmalar. Altıncı Yıllık ACM Dağıtık Hesaplama İlkeleri Sempozyumu Bildirileri.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Çoğunluk Yeterli Değil: Bitcoin Madenciliği Savunmasızdır. Uluslararası Finansal Kriptografi ve Veri Güvenliği Konferansı.
4. Back, A. (2002). Hashcash - Bir Hizmet Reddi Karşı Önlemi.
5. Cambridge Alternatif Finans Merkezi. (2023). Cambridge Bitcoin Elektrik Tüketimi Endeksi (CBECI). [https://ccaf.io/cbeci/index](https://ccaf.io/cbeci/index)
6. Zhu, J., vd. (2017). Eşleştirilmemiş Görüntüden Görüntüye Çeviri için Döngü-Tutarlı Çekişmeli Ağlar (CycleGAN) Kullanımı. IEEE Uluslararası Bilgisayarlı Görü Konferansı (ICCV). [Bilinen bir probleme (görüntü çevirisi) yapısal olarak farklı bir yaklaşım (döngü tutarlılığı) getiren bir makalenin örneği olarak alıntılanmıştır, bu makalenin PoW'ya yeni yaklaşımına benzer şekilde].
7. Roughgarden, T. (2020). Ethereum Blokzinciri için İşlem Ücreti Mekanizması Tasarımı: EIP-1559'un Ekonomik Analizi. Stanford Üniversitesi. [Başarılı blokzinciri teşvik değişiklikleri için gerekli ekonomik analiz derinliğini vurgulamaktadır].