مخطط إثبات العمل التعاوني لبروتوكولات الإجماع الموزع

جدول المحتويات

1. المقدمة

تقدم هذه الورقة البحثية تحسينًا لمخطط إثبات العمل التقليدي، الذي يتضمن عادةً العثور على قيمة عشوائية (نونس) تؤدي إلى ناتج تجزئة تشفيري بعدد محدد من الأصفار البادئة. الابتكار الأساسي هو مخطط إثبات العمل التعاوني المصمم للسماح لمستخدمين مستقلين متعددين بالتعاون في توليد إثبات العمل لمعاملاتهم الخاصة. يهدف هذا التعاون إلى تحقيق إجماع حول ترتيب المعاملات داخل نظام دفتر الأستاذ الموزع.

الدافع الرئيسي هو الابتعاد عن نموذج التعدين التنافسي القائم على الرسوم (حيث يتنافس المعدّنون لحل الألغاز وجمع الرسوم) نحو نموذج تعاوني قائم على الضرائب (حيث يتعاون المستخدمون ويدفعون ضريبة). يرى المؤلفون أن هذا التحول يمكن أن يخفف من عدة مشكلات:

• تقليل استهلاك الطاقة: من خلال استبدال المنافسة الشرسة بالتعاون المقتصد، يمكن خفض الجهد الحسابي الإجمالي (وبالتالي استخدام الطاقة) بشكل كبير.
• زيادة الإنتاجية والإنصاف: يمكن أن يؤدي تقليل المنافسة بين المعدّنين إلى معالجة أسرع للمعاملات وإمكانية أقل للتمييز ضد مجموعات مستخدمين معينة.
• تعزيز الأمان: تصبح هجمات الحرمان من الخدمة أكثر تكلفة للمهاجم بسبب ضريبة المعاملة المتأصلة في النظام.

يُطرح المخطط كحل أصلي للتعاون، على عكس الآليات الخارجية الحالية مثل تجمعات التعدين، التي يمكن أن تعاني من مشاكل عدم توافق الحوافز.

2. الإجماع

يؤسس هذا القسم المشكلة الأساسية: تحقيق الإجماع الموزع في شبكة نظير إلى نظير دون سلطة مركزية. يتواصل الأقران عبر بروتوكول نشر الشائعات ويجب عليهم الحفاظ على دفتر أستاذ مشترك ومتفق عليه للمعاملات.

التحدي الأساسي هو تأخر انتشار الرسائل. في بيئة مثالية للمعاملات منخفضة التردد، يمكن تحقيق الإجماع من خلال ملاحظة توقف مستدام في حركة مرور الشبكة - "توقف كامل" - مما يشير إلى أن جميع الأقران قد شاهدوا على الأرجح نفس مجموعة الرسائل. يمكن بعد ذلك ترتيب هذه الرسائل بشكل قياسي (على سبيل المثال، حسب التجزئة) وإلحاقها بدفتر الأستاذ.

ومع ذلك، فإن ترددات المعاملات في العالم الحقيقي مرتفعة جدًا بالنسبة لهذا المخطط البسيط. هنا يأتي دور إثبات العمل كـ محدد للتردد. من خلال اشتراط حل لغز مكلف حسابيًا لكل معاملة (أو كتلة من المعاملات)، يخفض إثبات العمل بشكل مصطنع المعدل الذي يمكن به اقتراح أحداث إجماع جديدة. يمكن معايرة صعوبة اللغز لتحقيق التردد المنخفض الضروري لآلية الإجماع "القائمة على التوقف" لتعمل بفعالية عبر الشبكة.

3. إثبات العمل التعاوني

تقوم الورقة البحثية بصياغة المخطط التعاوني المقترح. بينما يتم عرض التفاصيل الرياضية الكاملة للقسم التالي، فإن التحول المفاهيمي واضح. بدلاً من تنافس المعدّنين الأفراد لحل لغز للحصول على مكافأة الكتلة، يعمل المستخدمون الذين يشكلون مجموعة معاملات معًا لتوليد إثبات عمل واحد لتلك المجموعة.

يجب أن تضمن الآلية ما يلي:

1. أن يكون التعاون قابلاً للتحقق منه وآمنًا.
2. أن يفي العمل الجماعي بهدف الصعوبة المحدد للشبكة.
3. أن يكون الإجماع الناتج على ترتيب المعاملات ملزمًا ومقاومًا للعبث.

يستبدل "ضريبة المعاملة" المقترحة "رسوم المعاملة". تدفع هذه الضريبة من قبل المستخدمين المشاركين في جولة التعدين التعاوني، مما يجعل تكلفة تشكيل الإجماع داخلية ضمن مجموعة المستخدمين بدلاً من الاستعانة بها لفئة منفصلة من المعدّنين.

4. الفكرة الأساسية والتحليل

الفكرة الأساسية: ورقة كويبر ليست مجرد تعديل على إثبات العمل؛ إنها إعادة هيكلة أساسية لهياكل الحوافز في سلسلة الكتل. الاختراق الحقيقي هو إدراك أن القيمة الأساسية لإثبات العمل في الإجماع ليست مجرد "العمل" بل العمل كأداة لتحديد المعدل. يقلب النموذج التعاوني السيناريو من خلال جعل هذا التحديد للمعدل عملية تعاونية يقودها المستخدمون بدلاً من كونها عملية تنافسية يقودها المعدّنون. وهذا يهاجم مباشرة السبب الجذري لمعضلة الطاقة في البيتكوين - ليس التجزئة نفسها، بل السباق الاقتصادي الذي يتطلب المزيد والمزيد من التجزئة.

التسلسل المنطقي: يسير الجدال بمنطق أنيق: 1) يتطلب الإجماع ترددًا منخفضًا للأحداث، 2) يفرض إثبات العمل التردد المنخفض عبر التكلفة، 3) وبالتالي، فإن الكيان الذي يتحمل التكلفة يتحكم في إيقاع الإجماع. يسمح إثبات العمل التقليدي للمعدّنين بالتحكم في هذا الإيقاع من أجل الربح. يعيد مخطط كويبر السيطرة إلى المستخدمين من خلال جعلهم يتحملون التكلفة (الضريبة) مباشرة لمعاملاتهم الخاصة. التدفق من القيد التقني (تأخر الانتشار) إلى الحل الاقتصادي (تحمل التكلفة التعاوني) مقنع.

نقاط القوة والضعف: قوته تكمن في محاذاة الحوافز بأناقة. من خلال ربط تكلفة الإجماع مباشرة بمنشئي المعاملات، فإنه يلغي مشكلة القيمة القابلة للاستخراج من قبل المعدّنين ومشكلة مركزية تجمعات التعدين التي تعاني منها أنظمة مثل إيثيريوم قبل الدمج. ومع ذلك، فإن العيب الصارخ هو "مشكلة التمهيد" - كيف تبدأ التعاون في بيئة عديمة الثقة؟ تتجاهل الورقة البحثية هذه القضية الحرجة للتنسيق. كما هو واضح في التحليلات النظرية للألعاب لسلسلة الكتل (على سبيل المثال، أعمال arXiv حول ديناميكيات الإجماع)، فإن تحقيق تعاون تلقائي ومستقر بين فاعلين عقلانيين ومجهولين صعب للغاية بدون سقالات اجتماعية أو خوارزمية موجودة مسبقًا. يبدو أن المخطط يفترض أيضًا تجانسًا في قوة التجزئة لدى المستخدمين غير موجود في الواقع، مما قد يؤدي إلى أشكال جديدة من المركزية حيث يهيمن المستخدمون ذوو القوة العالية على المجموعات التعاونية.

رؤى قابلة للتطبيق: لمصممي البروتوكولات، النقطة الرئيسية هي استكشاف النماذج الهجينة. لا تتخلص من إثبات العمل التنافسي تمامًا؛ استخدمه كطبقة احتياطية أو لوضع نقاط فحص، مع السماح بإثبات العمل التعاوني لدفعات المعاملات عالية التردد ومنخفضة القيمة. نفذ آلية رهن (ستيكينغ) إلى جانب العمل التعاوني لحل مشكلة التمهيد - يجب على المستخدمين رهن الرموز المميزة للانضمام إلى جولة تعاونية، مع معاقبة الفاعلين السيئين. هذا يجمع بين أمان إثبات الحصة ومبدأ تحديد المعدل في إثبات العمل. علاوة على ذلك، يجب نمذجة مفهوم "ضريبة المعاملة" بدقة مقابل بيانات أنظمة الدفع في العالم الحقيقي للعثور على معدل أمثل يثبط الرسائل غير المرغوب فيها دون عرقلة قابلية الاستخدام.

5. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

يمكن صياغة مخطط إثبات العمل التعاوني على النحو التالي:

لنفترض أن $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ هي مجموعة من المعاملات المقترحة من قبل مجموعة من المستخدمين $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$.

لنفترض أن $H(\cdot)$ هي دالة تجزئة تشفيرية (مثل SHA-256). يتطلب إثبات العمل التقليدي العثور على قيمة عشوائية $N$ بحيث بالنسبة للكتلة $B$، $H(B || N) < D$، حيث $D$ هو هدف الصعوبة.

في النموذج التعاوني، "الكتلة" هي مجموعة المعاملات المتفق عليها $T$. يتم حل اللغز بشكل جماعي. يساهم كل مستخدم $u_i$ بحل جزئي ("حصة") $s_i$. إثبات العمل الجماعي $P$ هو دالة لجميع الحصص ومجموعة المعاملات:

$P = F(T, s_1, s_2, ..., s_m)$

تصبح الحالة لإثبات عمل تعاوني صالح:

$H(P) < D$

يجب بناء الدالة $F$ بحيث:

1. تتطلب جهدًا حسابيًا مجتمعًا كبيرًا من غالبية $U$ للعثور على مدخلات $s_i$ تنتج $H(P) < D$.
2. تسمح بالتحقق من أن جميع $u_i \in U$ ساهموا في $P$.
3. تمنع أي مستخدم فردي أو مجموعة فرعية صغيرة من الهيمنة على الحل أو تزوير مشاركة الآخرين.

يمكن أن يتضمن بناء محتمل لـ $F$ مخططات متعددة التوقيعات التكرارية أو دوال التأخير القابلة للتحقق مجتمعة مع التزامات التجزئة، مما يضمن أن العمل تسلسلي ويجب أن يساهم فيه أطراف مختلفة.

6. إطار التحليل وحالة مثال

الإطار: تقييم تحولات آليات الإجماع

يمكننا تحليل هذا الاقتراح باستخدام إطار يقارن الأبعاد الرئيسية:

حالة مثال: دفعة معاملات صغيرة

تخيل أن 1000 مستخدم يريدون إجراء دفعات صغيرة ومتكررة (على سبيل المثال، داخل سوق بيانات إنترنت الأشياء).

• إثبات العمل التقليدي: تنتظر كل معاملة حتى يقوم معدّن بتضمينها في كتلة، متنافسة مع غيرها على أولوية الرسوم. زمن انتقال عالي، تكلفة فعالة عالية.
• إثبات العمل التعاوني: يشكل هؤلاء الـ 1000 مستخدم مجموعة مؤقتة. يعملون بشكل جماعي على إثبات عمل واحد لكتلة تحتوي على جميع معاملاتهم. يتم توزيع العمل، لذا فإن التكلفة الفردية منخفضة. بمجرد حل إثبات العمل، يتم نشر الكتلة. يتم تقسيم "الضريبة" المدفوعة بينهم، وهي على الأرجح أقل من الرسوم الفردية. يتم تحقيق الإجماع على ترتيب دفعتهم مباشرة.

تسلط هذه الحالة الضوء على الإمكانية لزيادة الإنتاجية في سيناريوهات محددة عالية الحجم ومنخفضة القيمة.

7. آفاق التطبيق والاتجاهات المستقبلية

آفاق التطبيق:

• سلاسل الكتل الإتحادية المرخصة: بيئة مثالية حيث المشاركون معروفون ولديهم علاقة موجودة مسبقًا، مما يحل مشكلة التمهيد. مفيدة لدفاتر الأستاذ في سلسلة التوريد أو ما بين البنوك.
• حلول توسيع الطبقة الثانية: يمكن استخدام المخطط التعاوني لتحقيق الإجماع داخل مجموعة مشاركي قناة حالة أو سلسلة جانبية، مع تسوية دورية للسلسلة الرئيسية.
• العرّافات اللامركزية للبيانات: يمكن لمجموعات من عُقد العرّاف استخدام إثبات العمل التعاوني لتحقيق الإجماع على قيمة نقطة بيانات قبل تقديمها على السلسلة، مما يضيف تكلفة للإبلاغ الكاذب.

اتجاهات البحث المستقبلية:

1. براهين الأمان الرسمية: يتطلب المخطط تحليلًا تشفيريًا دقيقًا لإثبات أمانه ضد هجمات سيبيل، التواطؤ، ونماذج التهديد الأخرى في ظل ظروف الشبكة الواقعية.
2. تصميم الآلية لتشكيل المجموعات: كيف تتشكل المجموعات التعاونية ديناميكيًا؟ هناك حاجة للبحث في مطابقة المجموعات الخوارزمية، باستخدام أفكار من نظرية المطابقة أو العمليات العشوائية.
3. التكامل مع نماذج الإجماع الأخرى: استكشاف الهجينة مع إثبات الحصة أو إثبات السلطة لطبقة اختيار المجموعة أو النهائية.
4. تحديد كمية تأثير الطاقة: بناء نماذج محاكاة مفصلة لتحديد كمية توفير الطاقة المحتمل مقارنة بإثبات العمل التقليدي في ظل سيناريوهات اعتماد وحمل معاملات مختلفة.

8. المراجع

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. Buterin, V., et al. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum White Paper.
6. King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (مرجع CycleGAN لتحليل الهيكل التنافسي/التنسيقي)