分散式共識協議之協作工作量證明方案

1. 緒論

本文針對傳統工作量證明方案提出一項改進。傳統方案通常涉及尋找一個隨機數，使密碼雜湊輸出滿足特定數量的前導零。其核心創新在於一種協作工作量證明方案，旨在讓多個自主使用者能夠協作，為其自身的交易生成證明。此協作目標是在不依賴中心化礦池的情況下，於分散式帳本內就交易順序建立共識。

所提方案旨在解決標準工作量證明中的固有問題，例如礦池中的激勵錯位，以及礦工之間競爭激烈且耗能的競賽。透過促成直接合作，它設想以交易稅（由交易使用者自身支付）取代交易手續費（支付給礦工）。此轉變有潛力緩解與競爭性挖礦相關的「能源使用通膨效應」，並促進更節約、更具合作性的策略。

概述的潛在效益包括：

增強對抗交易礦工歧視使用者的防禦能力。
由於礦工間競爭減少，系統吞吐量得以提升。
對阻斷服務攻擊的威懾力更強，因為發動攻擊將產生交易稅成本。

2. 共識機制

本文將問題置於需要分散式帳本的點對點網路情境中探討。所有節點必須在沒有中央權威或預先領導者選舉的情況下，就帳本狀態達成一致。

根本的挑戰在於訊息傳播延遲。在一個理想的低頻率交易環境中，可以透過觀察網路流量暫停——即「完全停止」——來達成共識，這表明所有節點可能都已看到相同的訊息集合。這些訊息隨後可以按規範排序（例如，依雜湊值）並附加到帳本中。

然而，現實世界的交易頻率過高，使得此簡單方案不可行。這正是工作量證明變得至關重要的地方。透過要求計算努力（解決密碼學難題），工作量證明人為地降低了任何單一節點可以提議新帳本條目的有效速率。難題的難度可以校準，以設定交易頻率的上限，從而創造必要的「靜默期」，讓事實上的共識得以浮現。

3. 協作工作量證明

本文將協作方案形式化，但提供的摘錄在此中斷。根據緒論，其形式化可能涉及以下機制：

參與交易的使用者也可以貢獻計算能力來解決相關的工作量證明難題。
集體努力取代了單一礦工的工作。
關於交易順序的共識源自於此協作努力，可能與協作用戶集合相關聯。
「稅」是由交易方支付的強制性貢獻（以計算努力或衍生成本的形式），將共識成本內部化。

這與傳統模式形成對比，在傳統模式中，外部礦工為獲取手續費而競爭解決工作量證明，導致礦池化和潛在的中心化。

4. 核心洞見與分析師觀點

核心洞見： Kuijper 的論文不僅是對雜湊演算法的微調；它是對區塊鏈設計的根本性經濟與賽局理論介入。真正的創新在於將共識努力與追求利潤的挖礦脫鉤，並將其直接與交易效用掛鉤。從支付給礦工的手續費轉變為由使用者支付的稅，徹底翻轉了激勵結構，旨在將網路健康狀況與用戶合作而非礦工競爭相結合。這呼應了史丹佛加密經濟學實驗室等機構在機制設計研究中探索的原則，即如何建構激勵以達成理想的系統結果。

邏輯脈絡： 論證在邏輯上是合理的，但建立在一個關鍵且未經證實的假設上：即使用者將高效且誠實地合作，而不會引入新的協調開銷或攻擊媒介。該論文正確地指出了比特幣工作量證明中的能源浪費和中心化壓力（透過礦池），正如許多研究所記載（例如，劍橋比特幣電力消耗指數）。然後，它將合作視為解藥。然而，邏輯上的飛躍在於假設在一個無信任環境中，組織合作比組織競爭更簡單。點對點系統的歷史表明，協作通常需要複雜的協議（如 BitTorrent 的以牙還牙策略）來防止搭便車行為——這是本方案必須解決的問題。

優點與缺陷： 優點： 願景引人入勝。減少能源通膨和礦工驅動的歧視是崇高的目標。「交易稅」將外部成本內部化的概念在經濟學上是優雅的，類似於應用於計算浪費的碳稅概念。 缺陷： 該論文明顯缺乏對「如何實現」的闡述。形式化部分被截斷，但即使其前提也缺乏具體的機制來防止女巫攻擊，即使用者創建許多假身份以避免貢獻其應有的工作量。如何驗證和歸屬「協作工作」？若無此機制，系統可能更加脆弱，而非更安全。此外，用新穎的協作模型取代經過實戰考驗的競爭模型，引入了顯著的風險和採用障礙，這也是其他共識創新（如權益證明在其早期批評階段）所面臨的挑戰。

可行洞見： 對於研究人員而言，這篇論文是後續工作的寶庫。直接的下一步是設計並模擬一個特定的協作工作量證明賽局，分析其納許均衡。它是否必然導致合作，還是可能被操弄？對於實務工作者而言，關鍵啟示在於原則，而非立即的實施。思考如何在您的系統設計中應用「協作成本內部化」原則。混合模型是否可行？例如，基礎交易稅資助一組去中心化的驗證者，將本文的想法與委託權益證明相結合？核心思想——讓交易發起者承擔共識成本——應在威脅模型不同於比特幣完全無許可環境的第二層解決方案或新帳本設計中進行探索。

5. 技術細節與數學形式化

雖然完整的形式化被截斷，但所提方案建立在標準的基於密碼雜湊的工作量證明之上。傳統工作量證明要求找到一個隨機數 $n$，使得對於區塊資料 $B$、雜湊函數 $H$ 和難度目標 $T$：

$H(B, n) < T$

在協作環境中，這可能會發生轉變。假設一組使用者 $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ 提議的交易集合 $\tau$。每個使用者 $u_i$ 貢獻一個部分工作量解 $w_i$。協作工作量證明可能要求：

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

其中 $\text{Aggregate}$ 是一個組合個別貢獻的函數。稅收機制意味著每個 $u_i$ 必須消耗與其在 $\tau$ 中的權益或角色成比例的資源，以確保集體工作滿足難度 $T$。驗證需要確認每個 $w_i$ 有效且為獨特貢獻，以防止重放或偽造攻擊。

6. 分析框架與概念範例

情境： Alice、Bob 和 Charlie 希望他們的交易 ($tx_a$, $tx_b$, $tx_c$) 被包含在下一個區塊中。

傳統工作量證明（競爭性）： 礦工 M1、M2、M3 競爭求解 $H(block, n) < T$，以獲取包含這些交易及手續費的區塊。獲勝者（例如 M2）獲得手續費。Alice、Bob 和 Charlie 是被動的。

協作工作量證明（提議方案）：

Alice、Bob 和 Charlie 為他們的交易組成一個臨時群組。
協議分配給他們一個聯合難題：尋找輸入 $(w_a, w_b, w_c)$，使得 $H(tx_a, tx_b, tx_c, w_a, w_b, w_c) < T$。
他們各自在本地計算部分解。Alice 找到 $w_a$，Bob 找到 $w_b$，Charlie 找到 $w_c$。
他們合併結果。合併後的工作滿足難度要求。
他們廣播交易以及聯合證明 $(w_a, w_b, w_c)$。
網路驗證雜湊值，並確認每個 $w_i$ 與其各自的交易所有者相關聯。
他們無需支付手續費，而是各自以計算努力 $w_i$ 的形式「支付」了稅。他們的交易被附加到帳本。

此框架中的關鍵挑戰： 防止 Charlie 偷懶並使用前一個紀元的解（重放攻擊）或複製 Bob 的工作。協議需要一種方法將 $w_i$ 與 $u_i$ 的身份和特定的交易批次綁定，可能使用數位簽章：$w_i = \text{Sign}_{u_i}(H(tx_i) \, || \, \text{epoch})$。這增加了複雜性。

7. 應用展望與未來方向

近期應用： 此方案最適合於聯盟鏈或專業化的去中心化應用程式，其中參與者之間存在預先建立、半信任的關係。例如，一個供應鏈聯盟，所有成員均已知且同意為其相互交易分擔帳本維護的負擔。

未來研究方向：

形式化賽局理論分析： 將該方案建模為賽局，以識別穩定的合作均衡點和潛在的破壞策略。
混合模型： 將協作工作量證明與其他共識機制結合（例如，用於最終性的權益證明，用於排序的協作工作量證明）。
第二層整合： 在第二層 Rollup 上實施協作稅收模型，交易批次在主鏈上完成最終確認。Rollup 的使用者可以協作證明其批次的有效性。
可驗證延遲函數整合： 用基於 VDF 的任務取代或增強雜湊難題。這可以確保「工作」是基於時間且不可並行化的，可能簡化公平貢獻的衡量。
貢獻證明的標準化： 開發輕量級密碼學協議，用於證明對聯合證明的個別貢獻，這是一個與零知識證明研究相鄰的問題。

長遠願景是建立一個區塊鏈生態系統，其中共識的環境和經濟成本直接由從交易中受益者承擔，促進永續性和公平性——這是超越第一代「贏家通吃」挖礦範式的重要一步。

8. 參考文獻

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Roughgarden, T. (2020). Transaction Fee Mechanism Design for the Ethereum Blockchain: An Economic Analysis of EIP-1559. Stanford University. [強調成功的區塊鏈激勵變更所需的深度經濟分析]。

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