Skema Bukti Kerja Koperatif untuk Protokol Konsensus Teragih

Kandungan

1. Pengenalan

Kertas kerja ini mencadangkan penambahbaikan kepada skema bukti kerja (PoW) tradisional, yang biasanya melibatkan pencarian nilai sekali (nonce) yang menghasilkan output cincangan kriptografi dengan bilangan sifar pendahulu tertentu. Inovasi terasnya adalah skema bukti kerja koperatif yang direka untuk membolehkan berbilang pengguna autonomi bekerjasama dalam menjana bukti kerja untuk transaksi mereka sendiri. Kerjasama ini bertujuan untuk mewujudkan konsensus mengenai susunan transaksi dalam sistem lejar teragih.

Motivasi utama adalah untuk beralih daripada model perlombongan berasaskan persaingan dan yuran (di mana pelombong bersaing menyelesaikan teka-teki dan mengutip yuran) kepada model berasaskan kerjasama dan cukai (di mana pengguna bekerjasama dan membayar cukai). Penulis berhujah peralihan ini dapat mengurangkan beberapa isu:

• Penggunaan Tenaga Dikurangkan: Dengan menggantikan persaingan sengit dengan kerjasama berjimat, usaha pengiraan keseluruhan (dan seterusnya penggunaan tenaga) dapat dikurangkan dengan ketara.
• Peningkatan Keluaran & Keadilan: Pengurangan persaingan dalam kalangan pelombong boleh membawa kepada pemprosesan transaksi yang lebih pantas dan potensi diskriminasi terhadap kumpulan pengguna tertentu yang lebih rendah.
• Keselamatan Dipertingkatkan: Serangan Penafian Perkhidmatan (DoS) menjadi lebih mahal untuk penyerang kerana cukai transaksi yang wujud secara semula jadi.

Skema ini diposisikan sebagai penyelesaian asli untuk kerjasama, berbeza dengan mekanisme luaran sedia ada seperti kolam perlombongan, yang boleh mengalami masalah ketidakselarasan insentif.

2. Konsensus

Bahagian ini menetapkan masalah asas: mencapai konsensus teragih dalam rangkaian rakan ke rakan tanpa pihak berkuasa pusat. Rakan-rakan berkomunikasi melalui protokol gosip dan mesti mengekalkan lejar transaksi yang dikongsi dan dipersetujui bersama.

Cabaran terasnya ialah kelewatan penyebaran mesej. Dalam persekitaran transaksi frekuensi rendah yang ideal, konsensus boleh dicapai dengan memerhatikan jeda berterusan dalam trafik rangkaian—"hentian penuh"—yang menunjukkan semua rakan berkemungkinan telah melihat set mesej yang sama. Mesej-mesej ini kemudiannya boleh disusun secara kanonik (contohnya, melalui cincangan) dan ditambahkan pada lejar.

Walau bagaimanapun, frekuensi transaksi dunia sebenar terlalu tinggi untuk skema mudah ini. Di sinilah bukti kerja bertindak sebagai pembatas frekuensi. Dengan memerlukan teka-teki yang mahal dari segi pengiraan diselesaikan untuk setiap transaksi (atau blok transaksi), PoW secara buatan menurunkan kadar di mana peristiwa konsensus baharu boleh dicadangkan. Kesukaran teka-teki boleh dikalibrasi untuk mencapai frekuensi rendah yang diperlukan bagi mekanisme konsensus "berasaskan jeda" berfungsi dengan berkesan di seluruh rangkaian.

3. Bukti Kerja Koperatif

Kertas kerja ini memformalkan skema koperatif yang dicadangkan. Walaupun butiran matematik penuh dipratonton untuk bahagian seterusnya, peralihan konsep adalah jelas. Daripada pelombong individu berlumba menyelesaikan teka-teki untuk ganjaran blok, pengguna yang membentuk set transaksi bekerjasama untuk menjana satu bukti kerja untuk set tersebut.

Mekanisme mesti memastikan bahawa:

1. Kerjasama boleh disahkan dan selamat.
2. Kerja kolektif memenuhi sasaran kesukaran rangkaian.
3. Konsensus yang terhasil mengenai susunan transaksi adalah mengikat dan tahan terhadap pengubahsuaian.

"Cukai transaksi" yang dicadangkan menggantikan "yuran transaksi". Cukai ini dibayar oleh pengguna yang mengambil bahagian dalam pusingan perlombongan koperatif, menginternalisasikan kos pembentukan konsensus dalam kumpulan pengguna dan bukannya mengoutsourcekannya kepada kelas pelombong yang berasingan.

4. Inti Pati & Analisis

Inti Pati: Kertas kerja Kuijper bukan sekadar pelarasan kepada PoW; ia adalah seni bina semula asas struktur insentif rantaian blok. Kejayaan sebenar adalah pengiktirafan bahawa nilai utama PoW dalam konsensus bukan sekadar "kerja" tetapi kerja sebagai peranti pembatas kadar. Model koperatif membalikkan keadaan dengan menjadikan pembatasan kadar ini sebagai proses kerjasama yang didorong pengguna dan bukannya proses persaingan yang didorong pelombong. Ini secara langsung menyerang punca dilema tenaga Bitcoin—bukan pencincangan itu sendiri, tetapi perlumbaan ekonomi yang menuntut lebih banyak pencincangan.

Aliran Logik: Hujah diteruskan dengan logik yang elegan: 1) Konsensus memerlukan frekuensi peristiwa rendah, 2) PoW menguatkuasakan frekuensi rendah melalui kos, 3) Oleh itu, entiti yang menanggung kos mengawal rentak konsensus. PoW tradisional membenarkan pelombong mengawal rentak ini untuk keuntungan. Skema Kuijper mengembalikan kawalan kepada pengguna dengan membuat mereka menanggung kos (cukai) secara langsung untuk transaksi mereka sendiri. Aliran daripada kekangan teknikal (kelewatan penyebaran) kepada penyelesaian ekonomi (penanggung kos koperatif) adalah meyakinkan.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya ialah penyelarasan insentif yang elegan. Dengan mengikat kos konsensus secara langsung kepada pengasas transaksi, ia menghapuskan masalah nilai boleh ekstrak pelombong (MEV) dan pemusatan kolam yang membelenggu sistem seperti Ethereum pra-Penggabungan. Walau bagaimanapun, kelemahan yang ketara ialah "masalah butstrap"—bagaimana anda memulakan kerjasama dalam persekitaran tanpa kepercayaan? Kertas kerja ini mengabaikan isu penyelarasan kritikal ini. Seperti yang dilihat dalam analisis teori permainan rantaian blok (contohnya, kerja oleh arXiv mengenai dinamik konsensus), mencapai kerjasama spontan dan stabil dalam kalangan pelaku rasional dan tanpa nama terkenal sukar tanpa perancah sosial atau algoritma yang sedia ada. Skema ini juga seolah-olah menganggap keseragaman kuasa pencincangan pengguna yang tidak wujud, berpotensi membawa kepada bentuk pemusatan baharu di mana pengguna berkuasa tinggi mendominasi kumpulan koperatif.

Pandangan Boleh Tindak: Untuk pereka bentuk protokol, pengambilan utama adalah meneroka model hibrid. Jangan buang PoW kompetitif sepenuhnya; gunakannya sebagai lapisan sandaran atau untuk penanda aras, sambil membenarkan PoW koperatif untuk kelompok transaksi frekuensi tinggi dan nilai rendah. Laksanakan mekanisme pertaruhan bersama-sama dengan kerja koperatif untuk menyelesaikan isu butstrap—pengguna mesti mempertaruhkan token untuk menyertai pusingan koperatif, mengenakan penalti kepada pelaku jahat. Ini menggabungkan keselamatan Bukti Pertaruhan (PoS) dengan pembatasan kadar PoW. Tambahan pula, konsep "cukai transaksi" harus dimodelkan dengan teliti terhadap data sistem pembayaran dunia sebenar untuk mencari kadar optimum yang menghalang spam tanpa menghalang kebolehgunaan.

5. Butiran Teknikal & Formalisme Matematik

Skema bukti kerja koperatif boleh diformalkan seperti berikut:

Biarkan $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ menjadi satu set transaksi yang dicadangkan oleh sekumpulan pengguna $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$.

Biarkan $H(\cdot)$ menjadi fungsi cincangan kriptografi (contohnya, SHA-256). PoW tradisional memerlukan pencarian nilai sekali $N$ supaya untuk satu blok $B$, $H(B || N) < D$, di mana $D$ ialah sasaran kesukaran.

Dalam model koperatif, "blok" ialah set transaksi yang dipersetujui $T$. Teka-teki diselesaikan secara kolektif. Setiap pengguna $u_i$ menyumbang penyelesaian separa ("bahagian") $s_i$. Bukti kerja kolektif $P$ ialah fungsi semua bahagian dan set transaksi:

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

Syarat untuk bukti koperatif yang sah menjadi:

$H(P) < D$

Fungsi $F$ mesti dibina supaya:

1. Ia memerlukan usaha pengiraan gabungan yang signifikan daripada majoriti $U$ untuk mencari input $s_i$ yang menghasilkan $H(P) < D$.
2. Ia membenarkan pengesahan bahawa semua $u_i \in U$ menyumbang kepada $P$.
3. Ia menghalang mana-mana pengguna tunggal atau subset kecil daripada mendominasi penyelesaian atau memalsukan penyertaan orang lain.

Satu pembinaan berpotensi untuk $F$ boleh melibatkan skema berulang seperti pelbagai tandatangan atau fungsi kelewatan boleh sah (VDF) digabungkan dengan komitmen cincangan, memastikan kerja adalah berjujukan dan mesti disumbang oleh pihak yang berbeza.

6. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kerangka: Menilai Peralihan Mekanisme Konsensus

Kita boleh menganalisis cadangan ini menggunakan kerangka yang membandingkan dimensi utama:

Contoh Kes: Kelompok Transaksi Mikro

Bayangkan 1000 pengguna ingin membuat pembayaran kecil dan kerap (contohnya, dalam pasaran data IoT).

• PoW Tradisional: Setiap transaksi menunggu pelombong untuk memasukkannya dalam blok, bersaing dengan yang lain untuk keutamaan yuran. Kependaman tinggi, kos efektif tinggi.
• PoW Koperatif: 1000 pengguna ini membentuk kumpulan sementara. Mereka secara kolektif bekerja pada satu PoW untuk blok yang mengandungi semua transaksi mereka. Kerja diagihkan, jadi kos individu rendah. Setelah PoW diselesaikan, blok disebarkan. "Cukai" yang dibayar dibahagikan antara mereka, berkemungkinan lebih rendah daripada yuran individu. Konsensus mengenai susunan kelompok mereka dicapai secara langsung.

Kes ini menonjolkan potensi peningkatan keluaran dalam senario khusus volum tinggi dan nilai rendah.

7. Prospek Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

Prospek Aplikasi:

• Rantaian Blok Konsortium Berizin: Persekitaran ideal di mana peserta dikenali dan mempunyai hubungan sedia ada, menyelesaikan masalah butstrap. Berguna untuk lejar rantaian bekalan atau antara bank.
• Penyelesaian Penskalaan Lapisan-2: Skema koperatif boleh digunakan untuk mencapai konsensus dalam set peserta saluran keadaan atau rantaian sisi, dengan penyelesaian berkala kepada rantaian utama.
• Oracle Data Teragih: Kumpulan nod oracle boleh menggunakan PoW koperatif untuk mencapai konsensus mengenai nilai titik data sebelum menyerahkannya pada rantaian, menambah kos kepada pelaporan palsu.

Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan:

1. Bukti Keselamatan Formal: Skema memerlukan analisis kriptografi yang teliti untuk membuktikan keselamatannya terhadap serangan Sybil, persekongkolan, dan model ancaman lain di bawah keadaan rangkaian realistik.
2. Reka Bentuk Mekanisme untuk Pembentukan Kumpulan: Bagaimana kumpulan koperatif dibentuk secara dinamik? Penyelidikan diperlukan ke dalam pemadanan kumpulan algoritma, berpotensi menggunakan idea daripada teori pemadanan atau proses stokastik.
3. Integrasi dengan Model Konsensus Lain: Meneroka hibrid dengan Bukti Pertaruhan (PoS) atau Bukti Pihak Berkuasa (PoA) untuk lapisan pemilihan kumpulan atau kemuktamadan.
4. Kuantifikasi Kesan Tenaga: Membina model simulasi terperinci untuk mengkuantifikasi potensi penjimatan tenaga berbanding PoW tradisional di bawah pelbagai senario penerimaan dan beban transaksi.

8. Rujukan

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). (Rujukan CycleGAN untuk analisis struktur adversari/penyelarasan)