এই গবেষণাপত্র, "কংক্রিট সীমাবদ্ধতা সহ সমান্তরাল প্রুফ-অফ-ওয়ার্ক," ব্লকচেইন কনসেনসাসের একটি মৌলিক সীমাবদ্ধতা সমাধান করে: বিটকয়েনের মতো ঐতিহ্যগত প্রুফ-অফ-ওয়ার্ক (PoW) সিস্টেমে নিরাপত্তার সম্ভাব্যতা ও অ্যাসিম্পটোটিক প্রকৃতি। যদিও নাকামোটো কনসেনসাস বিকেন্দ্রীকৃত বিশ্বাসে বিপ্লব এনেছিল, এর নিরাপত্তা যুক্তিগুলি মূলত হিউরিস্টিক বা অ্যাসিম্পটোটিক ছিল, যা ব্যবহারকারীদের লেনদেনের চূড়ান্ততা (ফাইনালিটি) অর্জনের জন্য প্রয়োজনীয় সঠিক অপেক্ষার সময় সম্পর্কে অনিশ্চিত রেখেছিল। ডাবল-স্পেন্ডিং এবং স্বার্থপর মাইনিংয়ের মতো হুমকিগুলি এই অনিশ্চয়তার সুযোগ নেয়।
লেখকগণ, প্যাট্রিক কেলার এবং রেইনার বোমে, অনুক্রমিক PoW (যেখানে প্রতিটি ব্লক একটি পূর্ববর্তী ধাঁধাকে উল্লেখ করে) থেকে সমান্তরাল PoW-এ একটি প্যারাডাইম শিফট প্রস্তাব করেছেন। তাদের প্রোটোকল পরিবার প্রতি ব্লকে $k$ সংখ্যক স্বাধীন ধাঁধা ব্যবহার করে, যা একটি রোবাস্ট চুক্তি উপ-প্রোটোকল থেকে নিচ থেকে উপরের নকশা সক্ষম করে। প্রাথমিক অবদান হল প্রতিপক্ষ সিঙ্ক্রোনাস নেটওয়ার্কে ব্যর্থতার সম্ভাবনার জন্য কংক্রিট, নন-অ্যাসিম্পটোটিক সীমা উদ্ভাবন। $k=51$ ধাঁধা সহ একটি প্রদর্শিত উদাহরণ এক ব্লকের পরে সামঞ্জস্যতার জন্য $2.2 \cdot 10^{-4}$ ব্যর্থতার সম্ভাব্যতা অর্জন করে, যা অপ্টিমাইজড অনুক্রমিক PoW-এর তুলনায় একটি নাটকীয় উন্নতি।
প্রোটোকলটি প্রথম নীতি থেকে নির্মিত, অনুক্রমিক PoW সাহিত্য থেকে প্রতিষ্ঠিত মডেলের উপর ভিত্তি করে কিন্তু এর মূল মেকানিক্সে ভিন্ন।
মূল স্থাপত্যিক পার্থক্যটি গবেষণাপত্রের চিত্র 1-এ চিত্রিত হয়েছে। অনুক্রমিক PoW (বিটকয়েন) একটি রৈখিক শৃঙ্খল তৈরি করে যেখানে প্রতিটি ব্লকের হ্যাশ পূর্ববর্তী ব্লককে উল্লেখ করে একটি একক ধাঁধার সমাধান। সমান্তরাল PoW (প্রস্তাবিত) $k$ সংখ্যক স্বাধীন ধাঁধার সমাধান ধারণকারী একটি ব্লক তৈরি করে। এই কাঠামো চুক্তির সুযোগের হারকে ব্লক তৈরির হার থেকে বিচ্ছিন্ন করে।
ভিত্তি হল সর্বশেষ অবস্থার জন্য একটি চুক্তি প্রোটোকল $A_k$। সৎ নোডগুলি সমান্তরালে $k$ সংখ্যক স্বাধীন ধাঁধা সমাধানের চেষ্টা করে। নেটওয়ার্কের মধ্যে সমাধানকৃত ধাঁধার একটি থ্রেশহোল্ডের ভিত্তিতে একটি নতুন অবস্থার উপর চুক্তি হয়। তারপর এই উপ-প্রোটোকলটি একটি পূর্ণ অবস্থান প্রতিলিপি প্রোটোকল গঠনের জন্য পুনরাবৃত্তি করা হয়, যা চুক্তি ধাপের কংক্রিট ত্রুটি সীমা উত্তরাধিকার সূত্রে পায়।
বিশ্লেষণটি একটি সিঙ্ক্রোনাস নেটওয়ার্ক ধরে নেয় যার একটি পরিচিত ওয়ার্স্ট-কেস মেসেজ প্রোপাগেশন বিলম্ব $\Delta$ রয়েছে। প্রতিপক্ষ মোট কম্পিউটেশনাল শক্তির একটি ভগ্নাংশ $\beta$ নিয়ন্ত্রণ করে। মডেলটি এমন একটি প্রতিপক্ষ বিবেচনা করে যা প্রোটোকল থেকে নির্বিচারে বিচ্যুত হতে পারে কিন্তু তার কম্পিউটেশনাল শেয়ার এবং নেটওয়ার্ক সিঙ্ক্রোনি দ্বারা সীমাবদ্ধ।
গবেষণাপত্রের প্রধান অবদান হল অ্যাসিম্পটোটিক থেকে কংক্রিট নিরাপত্তা গ্যারান্টিতে স্থানান্তর।
লেখকগণ ওয়ার্স্ট-কেস ব্যর্থতার সম্ভাব্যতার (যেমন, একটি সামঞ্জস্যতা লঙ্ঘন) জন্য উপরের সীমা প্রদান করেছেন। একজন আক্রমণকারী সফলভাবে চেইন ফর্ক করতে বা ডাবল-স্পেন্ড করতে পারার সম্ভাবনাটি মূল প্যারামিটারগুলির একটি ফাংশন হিসাবে প্রকাশ করা হয়েছে: প্রতি ব্লকে ধাঁধার সংখ্যা ($k$), আক্রমণকারীর আপেক্ষিক শক্তি ($\beta$), নেটওয়ার্ক বিলম্ব ($\Delta$), এবং সৎ নেটওয়ার্কের ধাঁধা সমাধানের হার ($\lambda$)। সীমাটি সম্ভাব্যতা তত্ত্বে টেল বাউন্ডের স্মরণ করিয়ে দেয়, অনুক্রমিক শৃঙ্খলের তুলনায় গ্যারান্টিগুলিকে উল্লেখযোগ্যভাবে শক্তিশালী করতে সমান্তরাল কাঠামোর সুবিধা নেয়।
গবেষণাপত্রটি প্রদত্ত নেটওয়ার্ক অবস্থার ($\Delta$, $\beta$) জন্য ব্যর্থতার সম্ভাব্যতা কমাতে $k$ এবং ব্লক ব্যবধান নির্বাচনের জন্য ব্যবহারিক নির্দেশিকা প্রদান করে। এটি প্রোটোকল ডিজাইনকে একটি হিউরিস্টিক অনুশীলন থেকে পরিমাপযোগ্য উদ্দেশ্য সহ একটি অপ্টিমাইজেশন সমস্যায় রূপান্তরিত করে।
লক্ষ্য: 1 ব্লকের পরে সামঞ্জস্যতা (দ্রুত ফাইনালিটি)।
প্যারামিটার: $k=51$, $\beta=0.25$ (25% আক্রমণকারী), $\Delta=2s$।
ফলাফল: ব্যর্থতার সম্ভাব্যতা $\leq 2.2 \times 10^{-4}$।
ব্যাখ্যা: একজন আক্রমণকারীর একটি সফল সামঞ্জস্যতা আক্রমণের জন্য হাজার হাজার ব্লক চেষ্টা করতে হবে।
প্রস্তাবিত নির্মাণটি রোবাস্টনেস পরীক্ষা করার জন্য ডিজাইন করা সিমুলেশনের মাধ্যমে মূল্যায়ন করা হয়েছিল। সিমুলেশনগুলি ইচ্ছাকৃতভাবে কিছু কঠোর নকশা অনুমান লঙ্ঘন করেছিল (যেমন, নিখুঁত সিঙ্ক্রোনি) আরও বাস্তবসম্মত, "অগোছালো" নেটওয়ার্ক অবস্থায় প্রোটোকলের আচরণ মূল্যায়ন করার জন্য। ফলাফলগুলি নির্দেশ করে যে আংশিক লঙ্ঘনের সাথেও প্রোটোকলটি রোবাস্ট থাকতে পারে, যা ইঙ্গিত দেয় যে তাত্ত্বিক সীমাগুলি রক্ষণশীল এবং নকশাটি ব্যবহারিকভাবে স্থিতিস্থাপক।
প্রাথমিক তুলনা করা হয়েছে একটি অপ্টিমাইজড "দ্রুত বিটকয়েন" কনফিগারেশনের (অনুক্রমিক PoW যার ব্লক ব্যবধান অনেক ছোট) বিরুদ্ধে যা অনুরূপ লেটেন্সি লক্ষ্য করে। লি এট আল. (AFT '21) থেকে উদ্ধৃত হিসাবে, এই ধরনের একটি অনুক্রমিক প্রোটোকলের তুলনামূলক অবস্থার ($\beta=0.25$, $\Delta=2s$) অধীনে ব্যর্থতার সম্ভাব্যতা ~9%। সমান্তরাল PoW প্রোটোকল এটি দুই অর্ডারের বেশি কমিয়ে $2.2 \times 10^{-4}$ এ নিয়ে আসে, যা দ্রুত, নিরাপদ ফাইনালিটি প্রদানের এর উচ্চতর ক্ষমতা প্রদর্শন করে।
শিল্প বিশ্লেষকের দৃষ্টিকোণ
কেলার এবং বোমে শুধু বিটকয়েনকে টুইক করছেন না; তারা PoW ব্লকচেইনের বিশ্বাসের ভিত্তিকে মৌলিকভাবে পুনরায় স্থাপত্য করছেন। মূল অন্তর্দৃষ্টি হল যে নিরাপত্তা লেটেন্সি (ফাইনালিটির সময়) স্বভাবতই ব্লক উৎপাদন লেটেন্সির সাথে আবদ্ধ নয়। একটি ব্লকের মধ্যে "কাজ" সমান্তরাল করে, তারা এই দুটি চলককে বিচ্ছিন্ন করে। এটি কেবল ব্লকের আকার বা ফ্রিকোয়েন্সি বাড়ানোর চেয়ে একটি গভীর উদ্ভাবন, কারণ এটি সম্ভাব্যতা-ভিত্তিক ফাইনালিটির মূল কারণ আক্রমণ করে। এটি একটি একক, ধীর, অতি-নির্ভরযোগ্য প্রসেসর থেকে দ্রুত, কিছুটা কম নির্ভরযোগ্য প্রসেসরের একটি অ্যারে এবং ভোটিং মেকানিজম (চুক্তি উপ-প্রোটোকল $A_k$) ব্যবহার করে উচ্চতর নেট নির্ভরযোগ্যতা ও গতি অর্জনের দিকে যাওয়ার মতো—এমন একটি ধারণা যা RAID বা বাইজেন্টাইন ফল্ট টলারেন্স (BFT) ক্লাস্টারের মতো ফল্ট-টলারেন্ট কম্পিউটিং সিস্টেমে দেখা যায়, কিন্তু এখন ক্রিপ্টোগ্রাফিক ধাঁধায় প্রয়োগ করা হচ্ছে।
গবেষণাপত্রের যুক্তি অত্যন্ত নিচ থেকে উপরে এবং প্রতিরক্ষা-প্রথম: 1) দুর্বল লিঙ্ক চিহ্নিত করুন: বাস্তব-বিশ্বের অর্থের জন্য অ্যাসিম্পটোটিক নিরাপত্তা অপর্যাপ্ত (লি এট আল.-এর কংক্রিট সীমা কাজকে একটি অনুঘটক হিসাবে উল্লেখ করে)। 2) প্রিমিটিভ বিচ্ছিন্ন করুন: পুরো চেইনের নয়, চুক্তি উপ-প্রোটোকলের উপর ফোকাস করুন। এটি চতুর—এটি জটিলতা কমায়। 3) প্রিমিটিভ পুনরায় প্রকৌশল করুন: একক-ধাঁধা প্রতিযোগিতাকে একটি মাল্টি-ধাঁধা থ্রেশহোল্ড চুক্তি দিয়ে প্রতিস্থাপন করুন। 4) সবকিছু পরিমাপ করুন: এই নতুন প্রিমিটিভের জন্য কংক্রিট সীমা উদ্ভাবন করুন। 5) নিরাপত্তা রচনা করুন: দেখান যে নিরাপদ প্রিমিটিভ পুনরাবৃত্তি করলে একটি নিরাপদ চেইন পাওয়া যায়। এই প্রবাহটি অন্যান্য ক্ষেত্রে কঠোর নিরাপত্তা প্রকৌশলের প্রতিফলন ঘটায়, যেমন আধুনিক ক্রিপ্টোগ্রাফিতে প্রমাণযোগ্য নিরাপত্তা পদ্ধতি (যেমন, নিরাপত্তা প্রমাণে শুপ এবং বেলার-রোগাওয়ের কাজ)।
শক্তি: কংক্রিট সীমাগুলি এন্টারপ্রাইজ গ্রহণের জন্য একটি গেম-চেঞ্জার। CFO-রা এখন একটি ব্লকচেইনের নিরাপত্তা একটি আর্থিক মডেলের মতো নিরীক্ষা করতে পারেন। কার্যকারিতা সংখ্যাগুলি আকর্ষণীয়—$2.2 \times 10^{-4}$ বনাম 9% ব্যর্থতার সম্ভাব্যতা একটি ধাপে ধাপে উন্নতি নয়; এটি একটি ভিন্ন ঝুঁকি শ্রেণী। প্যারামিটার নির্দেশিকা প্রোটোকল ডিজাইনকে শিল্প থেকে বিজ্ঞানে পরিণত করে।
দুর্বলতা ও সতর্কতা: সিঙ্ক্রোনাস নেটওয়ার্ক অনুমান হল এর আচিলিস হিল। যদিও সিমুলেশনগুলি মৃদু অ্যাসিঙ্ক্রোনির প্রতি রোবাস্টনেস দেখায়, ওয়ার্স্ট-কেস সীমাগুলি একটি পরিচিত $\Delta$-এর উপর নির্ভরশীল। বাস্তব জগতে, নেটওয়ার্ক বিলম্ব পরিবর্তনশীল এবং কারচুপি করা যেতে পারে (যেমন, BGP হাইজ্যাকিংয়ের মাধ্যমে)। প্রোটোকলটি প্রতি ব্লক যোগাযোগ জটিলতাও $k$ গুণ (সমাধান সম্প্রচার) বৃদ্ধি করে। $k=51$ এর জন্য, এটি তুচ্ছ নয়। সর্বোপরি, যদিও এটি ডাবল-স্পেন্ডিংকে চমৎকারভাবে প্রশমিত করে, বিশ্লেষণটি সামঞ্জস্যতার উপর কেন্দ্রীভূত বলে মনে হয়; এই সমান্তরাল মডেলে লেনদেন সেন্সরশিপ বা স্বার্থপর মাইনিংয়ের মতো অন্যান্য আক্রমণগুলির গভীর অন্বেষণের প্রয়োজন।
ব্লকচেইন স্থপতিদের জন্য: এই গবেষণাপত্রটি নির্দিষ্ট ব্যবহারের ক্ষেত্রে (যেমন, প্রাতিষ্ঠানিক সেটেলমেন্ট, গেমিং সম্পদ) উচ্চ-আশ্বাস, দ্রুত-ফাইনালিটি PoW চেইন তৈরি করার জন্য একটি নীলনকশা প্রদান করে যেখানে নেটওয়ার্ক অবস্থা সীমাবদ্ধ বা ওভার-প্রোভিশন করা যেতে পারে। $k=51$ উদাহরণটি একটি শুরুর বিন্দু, একটি সর্বজনীন সর্বোত্তম নয়।
বিনিয়োগকারী ও বিশ্লেষকদের জন্য: দাবি করা যে কোনও "উচ্চ-গতির PoW" চেইন দ্রুত ফাইনালিটি দাবি করলে সন্দেহের সাথে দেখুন যদি না এটি অনুরূপ কংক্রিট সীমা প্রদান করে। এই কাজটি নিরাপত্তা দাবির জন্য একটি নতুন বেঞ্চমার্ক স্থাপন করে।
গবেষকদের জন্য: সবচেয়ে বড় সুযোগ হল এই পদ্ধতিকে হাইব্রিডাইজ করা। আমরা কি সমান্তরাল PoW-এর কংক্রিট সীমাগুলিকে একটি ধীর, অ্যাসিঙ্ক্রোনাস-নিরাপদ কনসেনসাস (যেমন চেইনওয়েবের ব্রেডেড PoW বা স্নোম্যান কনসেনসাস) এর ব্যাকআপের সাথে একত্রিত করতে পারি নেটওয়ার্ক আউটেজ পরিচালনা করার জন্য? রোবাস্ট, পরিমাপযোগ্য ফাইনালিটির অনুসন্ধান এখন কেন্দ্রীয় চ্যালেঞ্জ।
নিরাপত্তা বিশ্লেষণ সৎ নোড এবং প্রতিপক্ষের ধাঁধা সমাধান প্রক্রিয়াকে পয়সন প্রক্রিয়া হিসাবে মডেলিংয়ের উপর নির্ভর করে। ধরা যাক $\lambda$ হল সৎ নেটওয়ার্কের মোট হ্যাশ রেট, এবং $\beta\lambda$ হল প্রতিপক্ষের রেট ($0 < \beta < 0.5$)। $k$ ধাঁধা সহ সমান্তরাল প্রোটোকলে, সৎ নেটওয়ার্কের যেকোনো নির্দিষ্ট ধাঁধা সমাধানের হার হল $\lambda/k$।
সীমার মূলটি হল সেই সম্ভাবনা গণনা করা যাতে প্রতিপক্ষ গোপনে পর্যাপ্ত সংখ্যক ধাঁধা সমাধান করতে পারে একটি প্রতিদ্বন্দ্বী চেইন তৈরি করার জন্য যা একটি নির্দিষ্ট সময় উইন্ডোতে সৎ চেইনের বৃদ্ধিকে ছাড়িয়ে যায়, যা নেটওয়ার্ক বিলম্ব $\Delta$-এর একটি ফাংশন। সমান্তরাল কাঠামো এই সম্ভাবনাটি শক্তভাবে সীমাবদ্ধ করতে দ্বিপদ/পয়সন বন্টনের চেরনফ-টাইপ বাউন্ড ব্যবহারের অনুমতি দেয়। এক ব্লকের পরে সামঞ্জস্যতার জন্য ব্যর্থতার সম্ভাব্যতা $\epsilon$ নিম্নলিখিত ফর্মের একটি অভিব্যক্তি দ্বারা আবদ্ধ: $$\epsilon \leq f(k, \beta, \lambda\Delta)$$ যেখানে $f$ একটি ফাংশন যা নির্দিষ্ট $\beta$ এবং $\lambda\Delta$-এর জন্য $k$-এর সাথে সূচকীয় বা সুপার-সূচকীয়ভাবে হ্রাস পায়, যা অনুক্রমিক PoW-এর তুলনায় নাটকীয় উন্নতি ব্যাখ্যা করে।
পরিস্থিতি: আন্তঃব্যাংক সেটেলমেন্টের জন্য একটি কনসোর্টিয়াম ব্লকচেইনের প্রতিটি সেটেলমেন্টের জন্য $10^{-6}$ এর কম নিরাপত্তা ব্যর্থতার সম্ভাব্যতা সহ 15 মিনিটের মধ্যে লেনদেনের চূড়ান্ততা প্রয়োজন। নেটওয়ার্কটি সর্বোচ্চ পরিমাপকৃত বিলম্ব $\Delta = 1.5$ সেকেন্ড সহ ভালভাবে প্রোভিশন করা। অংশগ্রহণকারীরা অনুমান করে যে একজন সম্ভাব্য আক্রমণকারী কম্পিউট শক্তির 30% পর্যন্ত নিয়ন্ত্রণ করতে পারে ($\beta=0.3$)।
কাঠামো প্রয়োগ:
তাত্ক্ষণিক প্রয়োগ: প্রোটোকলটি নিয়ন্ত্রিত-পরিবেশ ব্লকচেইনের জন্য আদর্শভাবে উপযুক্ত যেখানে নেটওয়ার্ক সিঙ্ক্রোনি একটি যুক্তিসঙ্গত অনুমান। এর মধ্যে আর্থিক সেটেলমেন্ট, সরবরাহ শৃঙ্খল প্রমাণ, এবং এন্টারপ্রাইজ সম্পদ ট্র্যাকিংয়ের জন্য ব্যক্তিগত/কনসোর্টিয়াম চেইন অন্তর্ভুক্ত। দ্রুত, পরিমাপযোগ্য ফাইনালিটি প্রদানের এর ক্ষমতা ঐতিহ্যগত PoW বা এমনকি দীর্ঘ-পরিসরের আক্রমণের শিকার কিছু প্রুফ-অফ-স্টেক সিস্টেমের তুলনায় একটি প্রধান সুবিধা।
ভবিষ্যৎ গবেষণার দিকনির্দেশনা: