فهرست مطالب
1. مقدمه
این مقاله یک اصلاح برای طرح سنتی اثبات کار ارائه میدهد که معمولاً شامل یافتن یک نانس است که خروجی هش رمزنگاری با تعداد مشخصی صفر ابتدایی تولید کند. نوآوری اصلی، یک طرح اثبات کار مشارکتی است که برای امکان همکاری چندین کاربر مستقل در تولید اثبات کار برای تراکنشهای خودشان طراحی شده است. این همکاری با هدف ایجاد اجماع بر روی ترتیب تراکنشها درون یک سیستم دفترکل توزیعشده صورت میگیرد.
انگیزه اصلی، دور شدن از مدل استخراج رقابتی مبتنی بر کارمزد (که در آن ماینرها برای حل معماها و جمعآوری کارمزد رقابت میکنند) به سمت یک مدل مشارکتی مبتنی بر مالیات (که کاربران همکاری کرده و مالیات میپردازند) است. نویسندگان استدلال میکنند که این تغییر میتواند چندین مسئله را کاهش دهد:
- کاهش مصرف انرژی: با جایگزینی رقابت شدید با همکاری صرفهجویانه، تلاش محاسباتی کلی (و در نتیجه مصرف انرژی) میتواند به طور قابل توجهی کاهش یابد.
- افزایش توان عملیاتی و انصاف: کاهش رقابت بین ماینرها میتواند منجر به پردازش سریعتر تراکنشها و پتانسیل کمتر برای تبعیض علیه گروههای خاص کاربران شود.
- افزایش امنیت: حملات محرومسازی از سرویس (DoS) به دلیل مالیات ذاتی تراکنش، برای مهاجم پرهزینهتر میشود.
این طرح به عنوان یک راهحل ذاتی برای همکاری معرفی شده است، در تضاد با مکانیسمهای خارجی موجود مانند استخرهای استخراج که میتوانند از مشکلات ناهماهنگی انگیزهها رنج ببرند.
2. اجماع
این بخش مسئله بنیادین را مطرح میکند: دستیابی به اجماع توزیعشده در یک شبکه همتا به همتا بدون یک مرجع مرکزی. همتایان از طریق یک پروتکل گپزنی ارتباط برقرار میکنند و باید یک دفترکل مشترک و مورد توافق از تراکنشها را حفظ کنند.
چالش اصلی، تأخیر انتشار پیام است. در یک محیط ایدهآل تراکنش با فرکانس پایین، اجماع میتوانست با مشاهده یک وقفه پایدار در ترافیک شبکه — یک «توقف کامل» — که نشان میدهد احتمالاً همه همتایان مجموعه یکسانی از پیامها را دیدهاند، حاصل شود. سپس این پیامها میتوانستند به صورت متعارف (مثلاً بر اساس هش) مرتب شده و به دفترکل اضافه شوند.
با این حال، فرکانس تراکنشها در دنیای واقعی برای این طرح ساده بسیار زیاد است. اینجاست که اثبات کار به عنوان یک محدودکننده فرکانس عمل میکند. با الزام به حل یک معما با هزینه محاسباتی بالا برای هر تراکنش (یا بلوکی از تراکنشها)، اثبات کار به طور مصنوعی نرخ پیشنهاد رویدادهای اجماع جدید را کاهش میدهد. سختی معما میتواند برای دستیابی به فرکانس پایین لازم برای کارکرد مؤثر مکانیزم اجماع «مبتنی بر وقفه» در سراسر شبکه تنظیم شود.
3. اثبات کار مشارکتی
مقاله طرح مشارکتی پیشنهادی را صوریسازی میکند. در حالی که جزئیات کامل ریاضی برای بخش بعدی پیشنمایش داده شدهاند، تغییر مفهومی واضح است. به جای اینکه ماینرهای منفرد برای حل یک معما برای پاداش بلوک مسابقه دهند، کاربرانی که یک مجموعه تراکنش را تشکیل میدهند با همکاری یکدیگر یک اثبات کار واحد برای آن مجموعه تولید میکنند.
مکانیزم باید اطمینان حاصل کند که:
- همکاری قابل تأیید و ایمن است.
- کار جمعی به هدف سختی شبکه میرسد.
- اجماع حاصل شده بر روی ترتیب تراکنشها الزامآور و مقاوم در برابر دستکاری است.
«مالیات تراکنش» پیشنهادی جایگزین «کارمزد تراکنش» میشود. این مالیات توسط کاربرانی که در دور استخراج مشارکتی شرکت میکنند پرداخت میشود و هزینه تشکیل اجماع را درون گروه کاربران درونی میکند، نه اینکه آن را به یک طبقه جداگانه ماینر برونسپاری کند.
4. بینش محوری و تحلیل
بینش محوری: مقاله کویپر فقط یک تغییر جزئی در اثبات کار نیست؛ بلکه یک بازمعماری بنیادین از ساختارهای انگیزشی بلاکچین است. پیشرفت واقعی، تشخیص این است که ارزش اصلی اثبات کار در اجماع، صرفاً «کار» نیست، بلکه کار به عنوان یک ابزار محدودکننده نرخ است. مدل مشارکتی با تبدیل این محدودسازی نرخ به یک فرآیند مشارکتی و کاربر-محور به جای یک فرآیند رقابتی و ماینر-محور، روایت را تغییر میدهد. این مستقیماً به علت ریشهای معضل انرژی بیتکوین حمله میکند — نه خود هش کردن، بلکه مسابقه اقتصادی که همواره هش کردن بیشتری را طلب میکند.
جریان منطقی: استدلال با منطقی ظریف پیش میرود: 1) اجماع نیازمند فرکانس پایین رویداد است، 2) اثبات کار از طریق هزینه، فرکانس پایین را اعمال میکند، 3) بنابراین، نهادی که هزینه را متحمل میشود، ریتم اجماع را کنترل میکند. اثبات کار سنتی به ماینرها اجازه میدهد این ریتم را برای سود کنترل کنند. طرح کویپر با وادار کردن کاربران به پرداخت مستقیم هزینه (مالیات) برای تراکنشهای خودشان، کنترل را به آنان بازمیگرداند. جریان از محدودیت فنی (تأخیر انتشار) به راهحل اقتصادی (تحمل هزینه مشارکتی) قانعکننده است.
نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت آن، هماهنگی ظریف انگیزههاست. با پیوند دادن هزینه اجماع مستقیماً به مبدأ تراکنشها، مشکل ارزش قابل استخراج ماینر (MEV) و تمرکز استخرها که سیستمهایی مانند اتریوم پیش از ادغام را آزار میدهد، حذف میشود. با این حال، ضعف آشکار، «مسئله راهاندازی» است — چگونه در یک محیط بدون اعتماد، همکاری را آغاز کنیم؟ مقاله این مسئله حیاتی هماهنگی را به سادگی نادیده میگیرد. همانطور که در تحلیلهای نظریه بازی بلاکچین (مثلاً کارهای arXiv در مورد پویاییهای اجماع) دیده میشود، دستیابی به همکاری خودجوش و پایدار بین بازیگران عقلانی و ناشناس، بدون وجود داربست اجتماعی یا الگوریتمی از پیش موجود، به طور بدنامی دشوار است. این طرح همچنین به نظر میرسد که یکسانی قدرت هش کاربران را فرض میکند که وجود ندارد و این میتواند منجر به اشکال جدیدی از تمرکز شود که در آن کاربران با قدرت بالا بر گروههای مشارکتی تسلط مییابند.
بینشهای عملی: برای طراحان پروتکل، نکته کلیدی، کاوش در مدلهای ترکیبی است. اثبات کار رقابتی را به طور کامل دور نریزید؛ از آن به عنوان یک لایه پشتیبان یا برای ایجاد نقاط کنترل استفاده کنید، در حالی که اجازه میدهید اثبات کار مشارکتی برای دستههای تراکنش با فرکانس بالا و ارزش کم استفاده شود. یک مکانیزم سهامگذاری را در کنار کار مشارکتی پیادهسازی کنید تا مسئله راهاندازی حل شود — کاربران باید توکنهایی را برای پیوستن به یک دور مشارکتی وثیقه بگذارند تا بازیگران بد مجازات شوند. این کار امنیت اثبات سهام (PoS) را با محدودسازی نرخ اثبات کار ترکیب میکند. علاوه بر این، مفهوم «مالیات تراکنش» باید به طور دقیق در برابر دادههای سیستم پرداخت دنیای واقعی مدلسازی شود تا نرخ بهینهای پیدا شود که از اسپم جلوگیری کند بدون آنکه قابلیت استفاده را مختل کند.
5. جزئیات فنی و صوریسازی ریاضی
طرح اثبات کار مشارکتی را میتوان به صورت زیر صوریسازی کرد:
فرض کنید $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ مجموعهای از تراکنشها باشد که توسط گروهی از کاربران $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$ پیشنهاد شده است.
فرض کنید $H(\cdot)$ یک تابع هش رمزنگاری (مانند SHA-256) باشد. اثبات کار سنتی مستلزم یافتن یک نانس $N$ است به طوری که برای یک بلوک $B$، $H(B || N) < D$، که در آن $D$ هدف سختی است.
در مدل مشارکتی، «بلوک» مجموعه تراکنش مورد توافق $T$ است. معما به صورت جمعی حل میشود. هر کاربر $u_i$ یک راهحل جزئی (یک «سهم») $s_i$ را مشارکت میدهد. اثبات کار جمعی $P$ تابعی از همه سهمها و مجموعه تراکنش است:
$P = F(T, s_1, s_2, ..., s_m)$
شرط یک اثبات کار مشارکتی معتبر میشود:
$H(P) < D$
تابع $F$ باید به گونهای ساخته شود که:
- برای یافتن ورودیهای $s_i$ که $H(P) < D$ را نتیجه دهند، نیازمند تلاش محاسباتی ترکیبی قابل توجهی از اکثریت $U$ باشد.
- اجازه تأیید دهد که همه $u_i \in U$ در $P$ مشارکت کردهاند.
- از تسلط هر کاربر منفرد یا زیرمجموعه کوچکی بر راهحل یا جعل مشارکت دیگران جلوگیری کند.
یک ساختار بالقوه برای $F$ میتواند شامل طرحهای چندامضایی تکراری یا توابع تأخیر قابل تأیید (VDF) ترکیب شده با تعهدات هش باشد، که اطمینان حاصل میکند کار به صورت متوالی است و باید توسط طرفهای مختلف مشارکت داده شود.
6. چارچوب تحلیل و نمونه موردی
چارچوب: ارزیابی تغییرات مکانیزم اجماع
ما میتوانیم این پیشنهاد را با استفاده از یک چارچوب مقایسه ابعاد کلیدی تحلیل کنیم:
| بُعد | اثبات کار سنتی (مثلاً بیتکوین) | اثبات کار مشارکتی (کویپر) |
|---|---|---|
| کنشگر اصلی | ماینرها (تخصصی) | کاربران (عمومی) |
| انگیزه | پاداش بلوک + کارمزد تراکنش | اجتناب از مالیات تراکنش + سودمندی سیستم |
| منبع مصرفشده | هشکردن رقابتی (انرژی بالا) | هشکردن مشارکتی، حداقل کافی |
| مکانیزم هماهنگی | خارجی (استخرهای استخراج) | درونی پروتکل |
| کنترل ریتم اجماع | ماینرها | گروه کاربران فعال |
نمونه موردی: دسته تراکنشهای خرد
تصور کنید 1000 کاربر میخواهند پرداختهای کوچک و مکرر انجام دهند (مثلاً درون یک بازار داده اینترنت اشیاء).
- اثبات کار سنتی: هر تراکنش منتظر میماند تا یک ماینر آن را در یک بلوک قرار دهد و با دیگران برای اولویت کارمزد رقابت میکند. تأخیر بالا، هزینه مؤثر بالا.
- اثبات کار مشارکتی: این 1000 کاربر یک گروه موقت تشکیل میدهند. آنها به طور جمعی روی یک اثبات کار واحد برای یک بلوک حاوی همه تراکنشهایشان کار میکنند. کار توزیع شده است، بنابراین هزینه فردی پایین است. هنگامی که اثبات کار حل شد، بلوک منتشر میشود. «مالیات» پرداخت شده بین آنها تقسیم میشود که احتمالاً کمتر از کارمزدهای فردی است. اجماع بر روی ترتیب دسته آنها مستقیماً حاصل میشود.
این مورد، پتانسیل افزایش توان عملیاتی در سناریوهای خاص با حجم بالا و ارزش کم را برجسته میکند.
7. چشمانداز کاربرد و جهتهای آینده
چشمانداز کاربرد:
- بلاکچینهای کنسرسیوم مجاز: محیط ایدهآلی که شرکتکنندگان شناخته شده و رابطه از پیش موجودی دارند و مسئله راهاندازی را حل میکند. برای دفترکلهای زنجیره تأمین یا بین بانکی مفید است.
- راهحلهای مقیاسپذیری لایه ۲: طرح مشارکتی میتواند برای دستیابی به اجماع درون یک مجموعه شرکتکننده کانال حالت یا سایدچین استفاده شود، با تسویه دورهای به یک زنجیره اصلی.
- اوراکلهای داده غیرمتمرکز: گروههایی از گرههای اوراکل میتوانند از اثبات کار مشارکتی برای دستیابی به اجماع بر روی ارزش یک نقطه داده قبل از ارسال آن روی زنجیره استفاده کنند و هزینهای برای گزارش نادرست اضافه کنند.
جهتهای تحقیقاتی آینده:
- اثباتهای امنیتی صوری: این طرح نیازمند تحلیل رمزنگاری دقیق برای اثبات امنیت آن در برابر حملات سیبیل، تبانی و سایر مدلهای تهدید تحت شرایط شبکه واقعی است.
- طراحی مکانیزم برای تشکیل گروه: گروههای مشارکتی چگونه به صورت پویا تشکیل میشوند؟ تحقیقاتی در مورد تطبیق گروهی الگوریتمی، با استفاده بالقوه از ایدههای نظریه تطبیق یا فرآیندهای تصادفی مورد نیاز است.
- ادغام با سایر مدلهای اجماع: کاوش ترکیبهایی با اثبات سهام (PoS) یا اثبات اختیار (PoA) برای لایه انتخاب گروه یا قطعیت.
- کمّیسازی تأثیر انرژی: ساخت مدلهای شبیهسازی دقیق برای کمّیسازی صرفهجویی انرژی بالقوه در مقایسه با اثبات کار سنتی تحت سناریوهای مختلف پذیرش و بار تراکنش.
8. مراجع
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
- Demers, A., et al. (1987). Epidemic Algorithms for Replicated Database Maintenance. Proceedings of the Sixth Annual ACM Symposium on Principles of Distributed Computing.
- Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. International Conference on Financial Cryptography and Data Security.
- Back, A. (2002). Hashcash - A Denial of Service Counter-Measure.
- Buterin, V., et al. (2014). A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum White Paper.
- King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.
- 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 برای تحلیل ساختار رقابتی/هماهنگی)