إثبات العمل المتوازي مع حدود ملموسة: عائلة جديدة من بروتوكولات تكرار الحالة

1. المقدمة والنظرة العامة

تتناول هذه الورقة البحثية، بعنوان "إثبات العمل المتوازي مع حدود ملموسة"، قيداً أساسياً في أمان تقنية البلوكتشين: الطبيعة الاحتمالية والتقاربية لإجماع إثبات العمل التقليدي، كما يتجلى في إجماع ناكاموتو الخاص بالبيتكوين. بينما قدم العمل الحديث لي وآخرون حدود أمان ملموسة لإثبات العمل المتسلسل، يرى المؤلفون أن التسلسلية الجوهرية تظل عائقاً أمام تسوية الأمان. يقترحون عائلة جديدة من بروتوكولات تكرار الحالة تعتمد على إثبات العمل المتوازي، حيث يحتوي كل كتلة على $k$ لغز تشفيري مستقل بدلاً من واحد.

الابتكار الأساسي هو تصميم من الأسفل إلى الأعلى يبدأ من بروتوكول اتفاق فرعي قوي، مما يتيح اشتقاق حدود عليا ملموسة قابلة للإثبات لاحتمالية فشل البروتوكول في الشبكات المتزامنة المعادية. الميزة الرئيسية المزعومة هي إمكانية تحقيق تسوية نهائية بكتلة واحدة، مما يقلل بشكل كبير من وقت التأكيد اللازم للتخفيف من مخاطر الإنفاق المزدوج مقارنةً باتفاقية الـ 6 كتل في البيتكوين.

2. البروتوكول الأساسي والإطار التقني

تم بناء عائلة البروتوكول من بروتوكول اتفاق أساسي، يتم تكراره لتحقيق تكرار الحالة.

3. النتائج التجريبية والأداء

4. التحليل النقدي ورؤى الخبراء

الرؤية الأساسية: كيلر وبومه لا يقومان فقط بتعديل إثبات العمل؛ بل يعيدان هندسة مرتكز الثقة فيه بشكل جذري. التحول من سلسلة زمنية من البراهين المتسلسلة إلى حزمة مكانية من البراهين المتوازية داخل كتلة واحدة هو قفزة مفاهيمية عميقة. يستبدل سردية "أثقل سلسلة" بمنطق "كتلة ذات وزن كافٍ"، محولاً التسوية النهائية من لعبة انتظار إحصائية إلى حدث واحد محدود احتمالاتياً. يهاجم هذا مباشرة الضعف الأساسي المستغل في الإنفاق المزدوج والتعدين الأناني: فترة عدم اليقين.

التدفق المنطقي: حجتهم منظمة بشكل لا تشوبه شائبة. 1) تحديد المشكلة: الحدود التقاربية غير كافية لضمانات العالم الحقيقي (بالإشارة إلى لي وآخرون). 2) تشخيص السبب الجذري: التسلسلية تخلق بطبيعتها حالة سباق يمكن للخصم استغلالها. 3) اقتراح العلاج: موازاة العمل لإنشاء إثبات أكثر كثافة وأصعب تزويراً لكل وحدة زمن. 4) تقديم البرهان: اشتقاق حدود ملموسة من المبادئ الأولى عبر بروتوكول $A_k$ الفرعي. 5) التحقق: إظهار تحسن تجريبي كبير مقارنة بأحدث نهج "متسلسل سريع". هذا نموذج متقن في البحث التطبيقي في التشفير.

نقاط القوة والضعف: القوة لا يمكن إنكارها: الأمان القابل للقياس الكمي. في صناعة تعج بـ "الأمن من خلال الغموض" أو آليات معقدة غير مثبتة، يقدم هذا العمل عودة إلى ضمانات صارمة قابلة للقياس. يربط الفجوة بين الجولات الملموسة في أدبيات تحمل الخطأ البيزنطي والنموذج الاحتمالي لإثبات العمل. ومع ذلك، تكمن العيوب في الافتراضات. الشبكات المتزامنة مع $\Delta$ معروفة هي نموذج كلاسيكي لكن غالباً ما تنتقد بأنها غير واقعية للشبكات العالمية غير الخاضعة للترخيص مثل البيتكوين. أداء البروتوكول تحت زمن انتقال متغير في العالم الحقيقي (شبيه بنماذج الشبكة التي نوقشت في تقييم ورقة CycleGAN لاستقرار التدريب عبر المجالات) يظل سؤالاً مفتوحاً. علاوة على ذلك، قد يكون الحمل الزائد للاتصالات لبث الكتل مع $k$ برهاناً كبيراً، مما قد يعوض مكاسب زمن الانتقال.

رؤى قابلة للتطبيق: للممارسين، هذه الورقة هي مخطط. تخبرك بالضبط كيف تختار $k$ لمستوى الأمان المطلوب ومواصفات الشبكة. هذا لا يقدر بثمن لسلاسل الكونسورتيوم أو تطبيقات التمويل اللامركزي المتخصصة حيث تكون معاملات الشبكة أكثر قابلية للتحكم. يجعل إثبات العمل خياراً قابلاً للتطبيق لحالات الاستخدام التي تتطلب تسوية سريعة (مثل تسويات التداول عالي التردد على السلسلة) التي كانت محفوظة سابقاً لأنواع تحمل الخطأ البيزنطي أو إثبات الحصة. يجب على مجتمع البحث الآن اختبار هذا النموذج تحت إعدادات غير متزامنة أو متزامنة جزئياً. قد يكون النهج الهجين، باستخدام إثبات العمل المتوازي لكتل "نقطة تفتيش" سريعة وذات ثقة عالية وإثبات العمل المتسلسل للكتل المؤقتة، تطوراً مثيراً للاهتمام.

5. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

بينما الاشتقاق الكامل معقد، فإن الحد الاحتمالي الأساسي يدور على الأرجح حول المفاهيم التالية:

تقدم الخصم: ليكن $Z$ المتغير العشوائي الذي يشير إلى تقدم الخصم في عدد حلول الألغاز التي تم العثور عليها خلال جولة حرجة. يحدث الفشل إذا تجاوز هذا التقدم عتبة $d$ مرتبطة بهامش أمان البروتوكول.

العملية ذات الحدين: يتم نمذجة إيجاد الألغاز كعملية ذات حدين لكل من العقد الصادقة والخصم. بالنسبة لـ $k$ لغزاً لكل جولة، يتبع عدد الحلول التي يجدها الخصم (بقوة $\alpha$) توزيعاً مثل $\text{Binomial}(k, \alpha')$ حيث يتم تعديل $\alpha'$ للصعوبة.

شكل الحد الملموس: يمكن تحديد احتمالية الفشل $\epsilon$ باستخدام متباينات الذيل (مثل حدود تشيرنوف): $$\epsilon \leq \exp\left( -k \cdot D \right)$$ حيث $D$ هي دالة في $\alpha$، $\beta$، $\Delta$، وعتبة البروتوكول. هذا الشكل الأسي في $k$ يفسر سبب قمع زيادة $k$ لاحتمالية الفشل بسرعة.

القيمة المثلى لـ k: يتضمن التحسين حل المعادلة لإيجاد أقل $k$ بحيث $\epsilon \leq \epsilon_{\text{target}}$، مع مراعاة القيود على وقت فاصل الكتل (الذي يتناسب مع $k$ وصعوبة اللغز).

6. إطار التحليل: دراسة حالة غير برمجية

السيناريو: يتطلب سجل الأصول اللامركزي للفن عالي القيمة (مثل اللوحات) أن تكون المعاملة الجديدة (تحديث سلسلة الملكية) نهائية في غضون 5 دقائق لتسهيل مزاد حي. استخدام البيتكوين (كتلة كل 10 دقائق، ~60 دقيقة لـ 6 تأكيدات) مستحيل. "البيتكوين السريع" (7 كتل/دقيقة) لديه معدل فشل 9% لتأكيد كتلة واحدة - غير مقبول للوحة بقيمة 50 مليون دولار.

تطبيق الإطار:

1. تحديد المتطلبات: وقت التسوية النهائية $T_f \leq 5$ دقيقة. احتمالية الفشل المستهدفة $\epsilon_t \leq 10^{-6}$. تأخير الشبكة المقدر $\Delta \approx 3s$. أقصى قوة مهاجم مفترضة $\alpha=0.3$.
2. نمذجة إثبات العمل المتسلسل: استخدم النموذج من لي وآخرون [50]. لتحقيق $\epsilon_t$ مع $\alpha=0.3$، يتطلب الانتظار لعدة كتل، مما يدفع $T_f$ إلى ما بعد 5 دقائق بكثير.
3. نمذجة إثبات العمل المتوازي: استخدم الحدود من هذه الورقة. أدخل $\alpha=0.3$، $\Delta=3s$، $\epsilon_t=10^{-6}$ في إرشادات التحسين. ينتج عدد الألغاز المطلوبة لكل كتلة $k \approx 120$ ويسمح بتعيين فاصل الكتل (عن طريق ضبط صعوبة اللغز) إلى، مثلاً، 4 دقائق. النتيجة: كتلة واحدة (انتظار 4 دقائق) توفر الأمان المطلوب $10^{-6}$.
4. القرار: بروتوكول إثبات العمل المتوازي يلبي متطلبات العمل؛ إثبات العمل المتسلسل لا يمكنه ذلك. المقايضة هي حجم كتلة أكبر (120 برهاناً).

7. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

التطبيقات الفورية:

• التمويل اللامركزي عالي التردد/الحساس للوقت: يمكن أن تستفيد انتهاء صلاحية الخيارات، وتحديثات العراف، والمقايضات الذرية عبر السلاسل من التسوية النهائية بكتلة واحدة.
• سلاسل الكونسورتيوم/الشركات: حيث يكون تزامن الشبكة افتراضاً معقولاً ويرغب المشاركون في قابلية التدقيق لإثبات العمل دون تسوية بطيئة.
• طبقات التشغيل البيني للبلوكتشين: كأداة تسوية نهائية لللفات أو أنظمة الطبقة الثانية الأخرى، لتوفير ضمانات تسوية قوية وفي الوقت المناسب للسلسلة الرئيسية.

اتجاهات البحث:

• الخصوم غير المتزامنين: توسيع الحدود الملموسة لنماذج الشبكة المتزامنة جزئياً أو غير المتزامنة، ربما بالاستفادة من تقنيات في أدبيات الإجماع الموزع.
• التصاميم الهجينة: الجمع بين إثبات العمل المتوازي وآليات أخرى (مثل إثبات الحصة لنقاط التفتيش، كما تم التلميح إليه في خارطة طريق إيثيريوم) لتحسين الأمان والكفاءة معاً.
• ضبط المعاملات الديناميكي: آليات للعقد لتكييف $k$ ديناميكياً بناءً على زمن الانتقال الملاحظ للشبكة والقوة المعادية المتصورة.
• التداعيات على الأجهزة والطاقة: دراسة استهلاك الطاقة في العالم الحقيقي وتحسين الأجهزة (مثل تصميم الدوائر المتكاملة الخاصة بالتطبيق المتوازية) لحل $k$ لغزاً مستقلاً في وقت واحد.
• التحقق الرسمي: استخدام أدوات مثل Coq أو Isabelle للتحقق رسمياً من ضمانات أمان البروتوكول، كما يظهر في مشاريع مثل التحقق الرسمي من المترجمات والبروتوكولات التشفيرية.

8. المراجع

1. Keller, P., & Böhme, R. (2022). Parallel Proof-of-Work with Concrete Bounds. In Proceedings of the 4th ACM Conference on Advances in Financial Technologies (AFT '22).
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
3. Li, J., et al. (2021). Bitcoin Security with Concrete Bounds. In Proceedings of the 3rd ACM Conference on Advances in Financial Technologies (AFT '21).
4. Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications. In EUROCRYPT.
5. Pass, R., Seeman, L., & Shelat, A. (2017). Analysis of the Blockchain Protocol in Asynchronous Networks. In EUROCRYPT.
6. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. In Financial Cryptography.
7. Zhu, J., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. In Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (مذكور كمثال على التقييم الصارم تحت تحول المجال، مماثل لانتهاكات نموذج الشبكة).
8. Buterin, V., et al. (2022). Ethereum Proof-of-Stake Consensus Layer Specification.