分散式共識協議嘅合作性工作量證明方案

1. 簡介

本文提出對傳統工作量證明方案嘅改良。傳統方案通常涉及搵到一個隨機數，令加密雜湊輸出符合指定數量嘅前導零。核心創新係一個合作性工作量證明方案，旨在容許多個自主用戶合作為自己嘅交易生成證明。呢種合作旨在喺分散式帳本內建立交易順序嘅共識，而無需依賴中心化嘅礦池。

所提出嘅方案試圖解決標準工作量證明嘅固有問題，例如礦池內嘅激勵錯配，以及礦工之間嘅競爭性、高能耗競賽。通過實現直接合作，佢設想用交易稅（由交易用戶自己支付）取代交易手續費（支付畀礦工）。呢個轉變有可能緩解與競爭性挖礦相關嘅「能源使用通脹效應」，並促進更節約、更合作嘅策略。

概述嘅潛在好處包括：

增強防禦交易礦工對用戶嘅歧視。
由於礦工間競爭減少，系統吞吐量得以提升。
對阻斷服務攻擊嘅更大威懾力，因為攻擊會產生交易稅成本。

2. 共識

本文將問題置於需要分散式帳本嘅點對點網絡背景中。所有節點必須喺冇中央權威或預先領導者選舉嘅情況下，就帳本狀態達成一致。

基本挑戰係訊息傳播延遲。喺一個理想嘅低頻率交易環境中，可以通過觀察網絡流量嘅暫停——即「完全停止」——來達成共識，表明所有節點可能已經睇到相同嘅一組訊息。呢啲訊息隨後可以按規範排序（例如，按雜湊值）並附加到帳本。

然而，現實世界嘅交易頻率對於呢個簡單方案嚟講實在太高。呢度就係工作量證明變得至關重要嘅地方。通過要求計算工作（解決加密難題），工作量證明人為地降低咗任何單個節點可以提議新帳本條目嘅有效速率。難題嘅難度可以校準，以設定交易頻率嘅上限，為事實共識嘅出現創造必要嘅「靜默期」。

3. 合作性工作量證明

本文將合作方案形式化，但提供嘅摘錄被截斷。根據簡介，形式化可能涉及以下機制：

對交易有貢獻嘅用戶亦可以貢獻計算能力來解決相關嘅工作量證明難題。
集體努力取代單個礦工嘅工作。
交易順序嘅共識源自呢種合作努力，可能與合作用戶群體掛鉤。
「稅」係交易方支付嘅強制性貢獻（以計算工作或衍生成本形式），將共識成本內部化。

呢個同傳統模型形成對比，傳統模型中外部礦工為手續費競爭解決工作量證明，導致礦池同潛在嘅中心化。

4. 核心見解與分析師觀點

核心見解： Kuijper 嘅論文唔單止係對雜湊算法嘅微調；佢係對區塊鏈設計嘅根本性經濟同博弈論干預。真正嘅創新係將共識努力從逐利挖礦中解耦，並直接將其與交易效用耦合。從支付畀礦工嘅手續費轉變為用戶支付嘅稅，徹底顛覆咗激勵結構，旨在將網絡健康與用戶合作而非礦工競爭對齊。呢個呼應咗史丹福加密經濟學實驗室等機構機制設計研究中見到嘅原則，該研究探索如何構建激勵以實現期望嘅系統結果。

邏輯流程： 論證邏輯上係合理嘅，但依賴於一個關鍵且未經證實嘅假設：用戶會高效且誠實地合作，而唔會引入新嘅協調開銷或攻擊媒介。論文正確地指出咗比特幣工作量證明中嘅能源浪費同中心化壓力（通過礦池），正如眾多研究所記載（例如，劍橋比特幣電力消耗指數）。然後佢將合作定位為解藥。然而，邏輯上嘅飛躍係假設喺一個無需信任嘅環境中，協調合作比協調競爭更簡單。點對點系統嘅歷史表明，協作通常需要複雜嘅協議（如 BitTorrent 嘅以牙還牙）來防止搭便車——呢個係呢個方案必須解決嘅問題。

優點與缺陷： 優點： 願景引人入勝。減少能源通脹同礦工驅動嘅歧視係崇高嘅目標。「交易稅」將外部成本內部化嘅概念喺經濟學上係優雅嘅，類似於應用於計算浪費嘅碳稅概念。 缺陷： 論文明顯缺乏「如何實現」嘅細節。形式化被截斷，但即使前提亦缺乏具體機制來防止女巫攻擊，即用戶創建多個假身份以避免貢獻其公平份額嘅工作。點樣驗證同歸屬「合作工作」？冇咗呢點，系統可能更脆弱，而非更安全。此外，用一個新穎嘅合作模型取代一個已知、久經考驗嘅競爭模型，會引入重大風險同採用障礙，其他共識創新（如權益證明喺早期批評時期）亦面臨類似挑戰。

可行見解： 對於研究人員，呢篇論文係後續工作嘅寶庫。即刻嘅下一步係設計同模擬一個特定嘅合作工作量證明博弈，分析其納什均衡。佢係咪必然導致合作，抑或可以被鑽空子？對於從業者，關鍵要點係原則，而非即刻實施。考慮如何喺你嘅系統設計中應用「合作成本內部化」。混合模型係咪可行？例如基礎交易稅資助一組去中心化驗證者，將本文嘅想法同委託權益證明結合？核心思想——令交易發起者對共識成本負責——應該喺第 2 層解決方案或新嘅帳本設計中探索，呢啲設計嘅威脅模型同比特幣嘅完全無許可設定唔同。

5. 技術細節與數學形式化

雖然完整形式化被截斷，但所提出嘅方案建基於標準基於加密雜湊嘅工作量證明。傳統工作量證明要求搵到一個隨機數 $n$，使得對於區塊數據 $B$、雜湊函數 $H$ 同難度目標 $T$：

$H(B, n) < T$

喺合作設定中，呢個可能會轉變。假設一組用戶 $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ 提議嘅交易集合 $\tau$。每個用戶 $u_i$ 貢獻一個部分工作解 $w_i$。合作工作量證明可能要求：

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

其中 $\text{Aggregate}$ 係一個組合個別貢獻嘅函數。稅收機制意味住每個 $u_i$ 必須消耗與其喺 $\tau$ 中嘅權益或角色成比例嘅資源，確保集體工作滿足難度 $T$。驗證需要確認每個 $w_i$ 有效且係獨特貢獻，防止重放或偽造攻擊。

6. 分析框架與概念示例

場景： Alice、Bob 同 Charlie 希望佢哋嘅交易（$tx_a$、$tx_b$、$tx_c$）被包含喺下一個區塊中。

傳統工作量證明（競爭性）： 礦工 M1、M2、M3 競爭解決 $H(block, n) < T$，以獲取包含呢啲交易同手續費嘅區塊。贏家（例如 M2）獲得手續費。Alice、Bob 同 Charlie 係被動嘅。

合作工作量證明（提議）：

Alice、Bob 同 Charlie 為佢哋嘅交易組成一個臨時群組。
協議分配一個聯合難題畀佢哋：搵到輸入 $(w_a, w_b, w_c)$，使得 $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$。
佢哋各自喺本地計算部分解。Alice 搵到 $w_a$，Bob 搵到 $w_b$，Charlie 搵到 $w_c$。
佢哋合併結果。合併後嘅工作滿足難度要求。
佢哋廣播交易連同聯合證明 $(w_a, w_b, w_c)$。
網絡驗證雜湊值，並確認每個 $w_i$ 與其相應嘅交易擁有者關聯。
佢哋唔係支付手續費，而係各自以計算工作 $w_i$ 嘅形式「支付」咗稅。佢哋嘅交易被附加。

此框架中嘅關鍵挑戰： 防止 Charlie 偷懶並使用之前時期嘅解（重放攻擊）或複製 Bob 嘅工作。協議需要一種方法將 $w_i$ 綁定到 $u_i$ 嘅身份同特定交易批次，可能使用數位簽名：$w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$。呢個增加咗複雜性。

7. 應用前景與未來方向

即時應用： 此方案最適用於聯盟鏈或專門嘅去中心化應用程式，其中參與者之間存在預先建立、半信任嘅關係。例如，一個供應鏈聯盟，所有成員都已知並同意為佢哋嘅相互交易分擔帳本維護嘅負擔。

未來研究方向：

形式博弈論分析： 將方案建模為博弈，以識別穩定嘅合作均衡同潛在嘅破壞策略。
混合模型： 將合作工作量證明同其他共識機制結合（例如，用權益證明達成最終性，用合作工作量證明處理排序）。
第 2 層集成： 喺第 2 層匯總上實施合作稅收模型，交易批次喺主鏈上最終確定。匯總嘅用戶可以合作證明其批次嘅有效性。
可驗證延遲函數集成： 用基於 VDF 嘅任務取代或增強雜湊難題。呢個可以確保「工作」係基於時間且不可並行化，可能簡化公平貢獻度量。
貢獻證明標準化： 開發輕量級加密協議，用於證明對聯合證明嘅個別貢獻，呢個問題與零知識證明研究相鄰。

長期願景係一個區塊鏈生態系統，其中共識嘅環境同經濟成本由從交易中受益嘅人直接承擔，促進可持續性同公平性——係超越第一代「贏家通吃」挖礦範式嘅重要一步。

8. 參考文獻

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Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
Cambridge Centre for Alternative Finance. (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index (CBECI). [https://ccaf.io/cbeci/index](https://ccaf.io/cbeci/index)
Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks (CycleGAN). IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). [引用作為引入新穎、結構不同方法（循環一致性）解決已知問題（圖像翻譯）嘅論文示例，類似於本文對工作量證明嘅新穎方法]。
Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [突顯成功區塊鏈激勵變更所需嘅經濟分析深度]。

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