वितरित सहमति प्रोटोकॉल के लिए एक सहकारी प्रूफ-ऑफ-वर्क योजना

विषय सूची

1. परिचय

यह शोध पत्र पारंपरिक प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoW) योजना में एक परिष्कार प्रस्तावित करता है, जिसमें आमतौर पर एक नॉन्स (एक बार प्रयुक्त संख्या) ढूंढना शामिल होता है जिसके परिणामस्वरूप क्रिप्टोग्राफ़िक हैश आउटपुट में निर्दिष्ट संख्या में अग्रणी शून्य होते हैं। मूल नवाचार एक सहकारी प्रूफ-ऑफ-वर्क योजना है, जिसे कई स्वायत्त उपयोगकर्ताओं को अपने स्वयं के लेन-देन के लिए प्रूफ-ऑफ-वर्क उत्पन्न करने में सहयोग करने की अनुमति देने के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस सहयोग का उद्देश्य एक वितरित लेजर प्रणाली के भीतर लेन-देन के क्रम पर सहमति स्थापित करना है।

प्राथमिक प्रेरणा प्रतिस्पर्धी, शुल्क-आधारित खनन मॉडल (जहां खनिक पहेलियाँ हल करने और शुल्क एकत्र करने के लिए प्रतिस्पर्धा करते हैं) से दूर हटकर एक सहकारी, कर-आधारित मॉडल (जहां उपयोगकर्ता सहयोग करते हैं और एक कर का भुगतान करते हैं) की ओर बढ़ना है। लेखकों का तर्क है कि यह बदलाव कई मुद्दों को कम कर सकता है:

ऊर्जा खपत में कमी: कटु प्रतिस्पर्धा को मितव्ययी सहयोग से प्रतिस्थापित करके, समग्र कम्प्यूटेशनल प्रयास (और इस प्रकार ऊर्जा उपयोग) को काफी कम किया जा सकता है।
बढ़ी हुई प्रसंस्करण क्षमता एवं निष्पक्षता: खनिकों के बीच कम प्रतिस्पर्धा से तेज़ लेन-देन प्रसंस्करण और कुछ उपयोगकर्ता समूहों के खिलाफ भेदभाव की कम संभावना हो सकती है।
बढ़ी हुई सुरक्षा: अंतर्निहित लेन-देन कर के कारण, डिनायल-ऑफ-सर्विस (DoS) हमले हमलावर के लिए अधिक महंगे हो जाते हैं।

इस योजना को सहयोग के लिए एक मूल समाधान के रूप में प्रस्तुत किया गया है, जो माइनिंग पूल जैसी मौजूदा बाहरी तंत्रों के विपरीत है, जो प्रोत्साहन असंरेखण की समस्याओं से ग्रस्त हो सकते हैं।

2. सहमति

यह खंड मूलभूत समस्या स्थापित करता है: एक केंद्रीय प्राधिकरण के बिना पीयर-टू-पीयर नेटवर्क में वितरित सहमति प्राप्त करना। पीयर एक गॉसिपिंग प्रोटोकॉल के माध्यम से संचार करते हैं और लेन-देन के एक साझा, सहमति-प्राप्त लेजर को बनाए रखना चाहिए।

मुख्य चुनौती संदेश प्रसार विलंब है। एक आदर्श, कम-आवृत्ति लेन-देन वातावरण में, नेटवर्क ट्रैफ़िक में एक निरंतर विराम - एक "पूर्ण विराम" - का अवलोकन करके सहमति प्राप्त की जा सकती है, जो यह दर्शाता है कि सभी पीयरों ने संभवतः संदेशों के समान सेट को देख लिया है। इन संदेशों को तब विहित रूप से क्रमबद्ध किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, हैश द्वारा) और लेजर में जोड़ा जा सकता है।

हालाँकि, वास्तविक दुनिया में लेन-देन की आवृत्तियाँ इस सरल योजना के लिए बहुत अधिक हैं। यहीं पर प्रूफ-ऑफ-वर्क एक आवृत्ति सीमक के रूप में कार्य करता है। प्रत्येक लेन-देन (या लेन-देन के ब्लॉक) के लिए एक कम्प्यूटेशनल रूप से महंगी पहेली को हल करने की आवश्यकता करके, PoW कृत्रिम रूप से उस दर को कम कर देता है जिस पर नई सहमति घटनाओं का प्रस्ताव रखा जा सकता है। पहेली की कठिनाई को उस आवश्यक कम आवृत्ति को प्राप्त करने के लिए अंशांकित किया जा सकता है ताकि "विराम-आधारित" सहमति तंत्र पूरे नेटवर्क में प्रभावी ढंग से काम कर सके।

3. सहकारी प्रूफ-ऑफ-वर्क

यह पत्र प्रस्तावित सहकारी योजना को औपचारिक रूप देता है। जबकि पूर्ण गणितीय विवरण अगले खंड के लिए पूर्वावलोकन के रूप में दिए गए हैं, संकल्पनात्मक बदलाव स्पष्ट है। ब्लॉक इनाम के लिए पहेली हल करने की दौड़ में व्यक्तिगत खनिकों के बजाय, एक लेन-देन सेट बनाने वाले उपयोगकर्ता उस सेट के लिए एक एकल प्रूफ-ऑफ-वर्क उत्पन्न करने के लिए मिलकर काम करते हैं।

तंत्र को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि:

सहयोग सत्यापन योग्य और सुरक्षित हो।
सामूहिक कार्य नेटवर्क के कठिनाई लक्ष्य को पूरा करता हो।
लेन-देन क्रम पर परिणामी सहमति बाध्यकारी और छेड़छाड़-प्रूफ हो।

प्रस्तावित "लेन-देन कर" "लेन-देन शुल्क" की जगह लेता है। यह कर सहकारी खनन दौर में भाग लेने वाले उपयोगकर्ताओं द्वारा भुगतान किया जाता है, जो सहमति निर्माण की लागत को उपयोगकर्ता समूह के भीतर आंतरिक कर देता है बजाय इसे एक अलग खनिक वर्ग को आउटसोर्स करने के।

4. मूल अंतर्दृष्टि एवं विश्लेषण

मूल अंतर्दृष्टि: कुइजपर का पत्र केवल PoW में एक छोटा बदलाव नहीं है; यह ब्लॉकचेन प्रोत्साहन संरचनाओं का एक मौलिक पुनर्संरचना है। वास्तविक सफलता यह पहचानने में है कि सहमति में PoW का प्राथमिक मूल्य केवल "कार्य" नहीं है बल्कि कार्य एक दर-सीमक उपकरण के रूप में है। सहकारी मॉडल इस दर-सीमन को एक प्रतिस्पर्धी, खनिक-संचालित प्रक्रिया के बजाय एक सहयोगी, उपयोगकर्ता-संचालित प्रक्रिया बनाकर पटकथा को पलट देता है। यह सीधे बिटकॉइन की ऊर्जा दुविधा के मूल कारण पर हमला करता है—हैशिंग स्वयं नहीं, बल्कि वह आर्थिक दौड़ जो अधिक से अधिक हैशिंग की मांग करती है।

तार्किक प्रवाह: तर्क सुंदर तर्क के साथ आगे बढ़ता है: 1) सहमति के लिए कम घटना आवृत्ति की आवश्यकता होती है, 2) PoW लागत के माध्यम से कम आवृत्ति लागू करता है, 3) इसलिए, लागत वहन करने वाली इकाई सहमति की लय को नियंत्रित करती है। पारंपरिक PoW खनिकों को लाभ के लिए इस लय को नियंत्रित करने देता है। कुइजपर की योजना उपयोगकर्ताओं को उनके अपने लेन-देन के लिए सीधे लागत (कर) वहन कराकर नियंत्रण उन्हें वापस देती है। तकनीकी बाध्यता (प्रसार विलंब) से आर्थिक समाधान (सहकारी लागत-वहन) तक का प्रवाह प्रभावशाली है।

शक्तियाँ एवं दोष: इसकी शक्ति प्रोत्साहनों का सुंदर संरेखण है। सहमति लागत को सीधे लेन-देन प्रारंभकर्ताओं से जोड़कर, यह माइनर-एक्सट्रेक्टेबल वैल्यू (MEV) और पूल केंद्रीकरण की समस्याओं को समाप्त कर देता है जो एथेरियम प्री-मर्ज जैसी प्रणालियों को परेशान करती हैं। हालाँकि, स्पष्ट दोष "बूटस्ट्रैपिंग समस्या" है—आप एक ट्रस्टलेस वातावरण में सहयोग कैसे शुरू करते हैं? पत्र इस महत्वपूर्ण समन्वय मुद्दे को हल्के में लेता है। जैसा कि ब्लॉकचेन के गेम-थ्योरेटिक विश्लेषणों (जैसे, सहमति गतिशीलता पर arXiv का कार्य) में देखा गया है, पूर्व-मौजूदा सामाजिक या एल्गोरिथमिक ढांचे के बिना तर्कसंगत, गुमनाम अभिनेताओं के बीच सहज, स्थिर सहयोग प्राप्त करना कुख्यात रूप से कठिन है। यह योजना उपयोगकर्ता हैशिंग शक्ति की एक समरूपता भी मानती प्रतीत होती है जो मौजूद नहीं है, जिससे केंद्रीकरण के नए रूप उत्पन्न हो सकते हैं जहां उच्च शक्ति वाले उपयोगकर्ता सहकारी समूहों पर हावी हो जाते हैं।

कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: प्रोटोकॉल डिजाइनरों के लिए, मुख्य निष्कर्ष संकर मॉडल की खोज करना है। प्रतिस्पर्धी PoW को पूरी तरह से न छोड़ें; इसे एक फॉलबैक परत या चेकपॉइंटिंग के लिए उपयोग करें, जबकि उच्च-आवृत्ति, कम-मूल्य वाले लेन-देन बैचों के लिए सहकारी PoW की अनुमति दें। बूटस्ट्रैपिंग समस्या को हल करने के लिए सहकारी कार्य के साथ एक स्टेकिंग तंत्र लागू करें—उपयोगकर्ताओं को सहकारी दौर में शामिल होने के लिए टोकन स्टेक करने होंगे, जो दुर्व्यवहार करने वालों को दंडित करता है। यह प्रूफ-ऑफ-स्टेक (PoS) की सुरक्षा को PoW के दर-सीमन के साथ जोड़ता है। इसके अलावा, "लेन-देन कर" की अवधारणा को स्पैम को हतोत्साहित करने के लिए एक इष्टतम दर खोजने के लिए वास्तविक दुनिया के भुगतान प्रणाली डेटा के विरुद्ध कठोरता से मॉडल किया जाना चाहिए, बिना उपयोगिता में बाधा डाले।

5. तकनीकी विवरण एवं गणितीय औपचारिकीकरण

सहकारी प्रूफ-ऑफ-वर्क योजना को निम्नानुसार औपचारिक रूप दिया जा सकता है:

मान लीजिए $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ उपयोगकर्ताओं के एक समूह $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$ द्वारा प्रस्तावित लेन-देन का एक सेट है।

मान लीजिए $H(\cdot)$ एक क्रिप्टोग्राफ़िक हैश फ़ंक्शन है (उदाहरण के लिए, SHA-256)। पारंपरिक PoW के लिए एक नॉन्स $N$ ढूंढना आवश्यक है ताकि एक ब्लॉक $B$ के लिए, $H(B || N) < D$ हो, जहां $D$ कठिनाई लक्ष्य है।

सहकारी मॉडल में, "ब्लॉक" सहमति-प्राप्त लेन-देन सेट $T$ है। पहेली सामूहिक रूप से हल की जाती है। प्रत्येक उपयोगकर्ता $u_i$ एक आंशिक समाधान (एक "शेयर") $s_i$ का योगदान करता है। सामूहिक प्रूफ-ऑफ-वर्क $P$ सभी शेयरों और लेन-देन सेट का एक फ़ंक्शन है:

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

एक वैध सहकारी प्रूफ के लिए शर्त बन जाती है:

$H(P) < D$

फ़ंक्शन $F$ को इस प्रकार निर्मित किया जाना चाहिए कि:

इसमें $H(P) < D$ देने वाले इनपुट $s_i$ खोजने के लिए $U$ के बहुमत से महत्वपूर्ण संयुक्त कम्प्यूटेशनल प्रयास की आवश्यकता हो।
यह सत्यापन की अनुमति देता है कि सभी $u_i \in U$ ने $P$ में योगदान दिया है।
यह किसी भी एकल उपयोगकर्ता या छोटे उपसमुच्चय को समाधान पर हावी होने या दूसरों की भागीदारी जाली करने से रोकता है।

$F$ के लिए एक संभावित निर्माण में पुनरावृत्त बहु-हस्ताक्षर जैसी योजनाएं या सत्यापन योग्य विलंब फ़ंक्शन (VDFs) शामिल हो सकते हैं जो हैश प्रतिबद्धताओं के साथ संयुक्त हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि कार्य अनुक्रमिक है और विभिन्न पक्षों द्वारा योगदान किया जाना चाहिए।

6. विश्लेषण ढांचा एवं उदाहरण केस

ढांचा: सहमति तंत्र बदलावों का मूल्यांकन

हम प्रमुख आयामों की तुलना करने वाले एक ढांचे का उपयोग करके इस प्रस्ताव का विश्लेषण कर सकते हैं:

आयाम	पारंपरिक PoW (उदाहरण: बिटकॉइन)	सहकारी PoW (कुइजपर)
प्राथमिक अभिनेता	खनिक (विशिष्ट)	उपयोगकर्ता (सामान्य)
प्रोत्साहन	ब्लॉक इनाम + लेन-देन शुल्क	लेन-देन कर से बचाव + प्रणाली उपयोगिता
खर्च किया गया संसाधन	प्रतिस्पर्धी हैशिंग (उच्च ऊर्जा)	सहकारी, न्यूनतम पर्याप्त हैशिंग
समन्वय तंत्र	बाहरी (माइनिंग पूल)	प्रोटोकॉल के भीतर आंतरिक
सहमति लय नियंत्रण	खनिक	सक्रिय उपयोगकर्ता समूह

उदाहरण केस: सूक्ष्म लेन-देन बैच

कल्पना कीजिए कि 1000 उपयोगकर्ता छोटे, लगातार भुगतान करना चाहते हैं (उदाहरण के लिए, एक IoT डेटा बाज़ार के भीतर)।

पारंपरिक PoW: प्रत्येक लेन-देन एक खनिक के इसे एक ब्लॉक में शामिल करने की प्रतीक्षा करता है, शुल्क प्राथमिकता के लिए दूसरों के साथ प्रतिस्पर्धा करता है। उच्च विलंब, उच्च प्रभावी लागत।
सहकारी PoW: ये 1000 उपयोगकर्ता एक अस्थायी समूह बनाते हैं। वे अपने सभी लेन-देन वाले एक ब्लॉक के लिए एक एकल PoW पर सामूहिक रूप से काम करते हैं। कार्य वितरित है, इसलिए व्यक्तिगत लागत कम है। एक बार PoW हल हो जाने पर, ब्लॉक प्रसारित कर दिया जाता है। भुगतान किया गया "कर" उनके बीच विभाजित हो जाता है, संभवतः व्यक्तिगत शुल्कों से कम। उनके बैच के क्रम पर सहमति सीधे प्राप्त हो जाती है।

यह केस विशिष्ट उच्च-मात्रा, कम-मूल्य परिदृश्यों में प्रसंस्करण क्षमता वृद्धि की संभावना को उजागर करता है।

7. अनुप्रयोग संभावनाएं एवं भविष्य की दिशाएं

अनुप्रयोग संभावनाएं:

अनुमति-प्राप्त कंसोर्टियम ब्लॉकचेन: आदर्श सेटिंग जहां प्रतिभागी ज्ञात हैं और उनके बीच पहले से संबंध है, जो बूटस्ट्रैपिंग समस्या को हल करता है। आपूर्ति श्रृंखला या अंतर-बैंकिंग लेजर के लिए उपयोगी।
लेयर-2 स्केलिंग समाधान: सहकारी योजना का उपयोग एक स्टेट चैनल या साइडचेन प्रतिभागी सेट के भीतर सहमति प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है, जिसमें मुख्य चेन पर आवधिक निपटान होता है।
विकेंद्रीकृत डेटा ओरेकल: ओरेकल नोड्स के समूह किसी डेटा बिंदु के मूल्य पर सहमति प्राप्त करने के लिए सहकारी PoW का उपयोग कर सकते हैं, इसे ऑन-चेन सबमिट करने से पहले, गलत रिपोर्टिंग पर एक लागत जोड़ते हुए।

भविष्य के शोध दिशाएं:

औपचारिक सुरक्षा प्रमाण: इस योजना को वास्तविक नेटवर्क स्थितियों के तहत सिबिल हमलों, मिलीभगत और अन्य खतरे मॉडल के खिलाफ अपनी सुरक्षा साबित करने के लिए कठोर क्रिप्टोग्राफ़िक विश्लेषण की आवश्यकता है।
समूह गठन के लिए तंत्र डिजाइन: सहकारी समूह गतिशील रूप से कैसे बनते हैं? एल्गोरिथमिक समूह मिलान में शोध की आवश्यकता है, संभवतः मिलान सिद्धांत या स्टोकेस्टिक प्रक्रियाओं के विचारों का उपयोग करते हुए।
अन्य सहमति मॉडलों के साथ एकीकरण: समूह चयन या अंतिमता परत के लिए प्रूफ-ऑफ-स्टेक (PoS) या प्रूफ-ऑफ-अथॉरिटी (PoA) के साथ संकर मॉडलों की खोज।
ऊर्जा प्रभाव मात्रात्मकीकरण: विभिन्न अपनाने और लेन-देन लोड परिदृश्यों के तहत पारंपरिक PoW की तुलना में संभावित ऊर्जा बचत का मात्रात्मक आकलन करने के लिए विस्तृत सिमुलेशन मॉडल बनाना।

8. संदर्भ

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