Кооперативная схема доказательства выполнения работы для распределённых протоколов консенсуса

Содержание

1. Введение

В данной статье предлагается усовершенствование традиционной схемы доказательства выполнения работы (Proof-of-Work, PoW), которая обычно заключается в поиске одноразового числа (nonce), дающего криптографический хеш-вывод с заданным количеством ведущих нулей. Ключевым нововведением является кооперативная схема доказательства выполнения работы, предназначенная для того, чтобы несколько автономных пользователей могли совместно генерировать доказательство выполнения работы для своих транзакций. Цель этого сотрудничества — достижение консенсуса относительно порядка транзакций в распределённой системе учёта.

Основная мотивация — отход от конкурентной модели майнинга, основанной на комиссиях (где майнеры соревнуются за решение головоломок и сбор комиссий), в сторону кооперативной модели, основанной на налогах (где пользователи сотрудничают и платят налог). Авторы утверждают, что этот сдвиг может смягчить несколько проблем:

• Снижение энергопотребления: Замена жёсткой конкуренции экономным сотрудничеством может значительно снизить общие вычислительные затраты (а следовательно, и потребление энергии).
• Повышение пропускной способности и справедливости: Снижение конкуренции между майнерами может привести к более быстрой обработке транзакций и меньшему потенциалу дискриминации определённых групп пользователей.
• Повышение безопасности: Атаки типа «отказ в обслуживании» (DoS) становятся более затратными для злоумышленника из-за встроенного транзакционного налога.

Данная схема позиционируется как нативное решение для кооперации, в отличие от существующих внешних механизмов, таких как майнинговые пулы, которые могут страдать от проблем несовпадения стимулов.

2. Консенсус

В этом разделе устанавливается фундаментальная проблема: достижение распределённого консенсуса в одноранговой сети без центрального органа. Узлы общаются через протокол распространения слухов (gossiping) и должны поддерживать общий, согласованный реестр транзакций.

Ключевая сложность — задержка распространения сообщений. В идеальной среде с низкой частотой транзакций консенсус мог бы достигаться путём наблюдения за устойчивой паузой в сетевом трафике — «полной остановкой», — указывающей на то, что все узлы, вероятно, увидели один и тот же набор сообщений. Эти сообщения затем могли бы быть канонически упорядочены (например, по хешу) и добавлены в реестр.

Однако реальная частота транзакций слишком высока для этой простой схемы. Именно здесь доказательство выполнения работы выступает в роли ограничителя частоты. Требуя решения вычислительно сложной головоломки для каждой транзакции (или блока транзакций), PoW искусственно снижает скорость, с которой могут предлагаться новые события консенсуса. Сложность головоломки может быть откалибрована для достижения необходимой низкой частоты, чтобы механизм консенсуса, основанный на паузах, эффективно работал по всей сети.

3. Кооперативное доказательство выполнения работы

В статье формализуется предлагаемая кооперативная схема. Хотя полные математические детали представлены в следующем разделе, концептуальный сдвиг очевиден. Вместо того чтобы отдельные майнеры соревновались в решении головоломки за вознаграждение за блок, пользователи, формирующие набор транзакций, совместно работают над генерацией единого доказательства выполнения работы для этого набора.

Механизм должен гарантировать, что:

1. Кооперация является проверяемой и безопасной.
2. Совместная работа соответствует целевому показателю сложности сети.
3. Полученный консенсус относительно порядка транзакций является обязательным и защищённым от подделки.

Предлагаемый «транзакционный налог» заменяет «транзакционную комиссию». Этот налог уплачивается пользователями, участвующими в раунде кооперативного майнинга, интернализируя стоимость формирования консенсуса внутри группы пользователей, а не передавая её на аутсорсинг отдельному классу майнеров.

4. Ключевая идея и анализ

Ключевая идея: Статья Кёйпера — это не просто доработка PoW; это фундаментальная перестройка структур стимулирования блокчейна. Настоящий прорыв заключается в осознании того, что основная ценность PoW в консенсусе — не просто «работа», а работа как устройство ограничения частоты. Кооперативная модель меняет правила игры, превращая это ограничение частоты в совместный, управляемый пользователями процесс, а не в конкурентный, управляемый майнерами. Это напрямую атакует коренную причину энергетической дилеммы Биткойна — не сам хеширование, а экономическую гонку, которая требует всё большего хеширования.

Логическая последовательность: Аргументация развивается с изящной логикой: 1) Консенсус требует низкой частоты событий, 2) PoW обеспечивает низкую частоту через стоимость, 3) Следовательно, сторона, несущая стоимость, контролирует ритм консенсуса. Традиционный PoW позволяет майнерам контролировать этот ритм ради прибыли. Схема Кёйпера возвращает контроль пользователям, заставляя их напрямую нести стоимость (налог) за свои собственные транзакции. Переход от технического ограничения (задержка распространения) к экономическому решению (кооперативное несение затрат) убедителен.

Сильные стороны и недостатки: Сильная сторона — изящное согласование стимулов. Связывая стоимость консенсуса напрямую с инициаторами транзакций, она устраняет проблемы извлекаемой майнерами стоимости (MEV) и централизации пулов, от которых страдают такие системы, как Ethereum до слияния (Merge). Однако очевидный недостаток — «проблема начальной загрузки» — как инициировать сотрудничество в среде без доверия? В статье поверхностно рассматривается этот критически важный вопрос координации. Как видно из теоретико-игровых анализов блокчейна (например, работ на arXiv по динамике консенсуса), достижение спонтанного, стабильного сотрудничества среди рациональных, анонимных участников печально известно своей сложностью без предсуществующих социальных или алгоритмических структур. Схема также, по-видимому, предполагает однородность вычислительной мощности пользователей, которой не существует, что потенциально может привести к новым формам централизации, где пользователи с высокой мощностью доминируют в кооперативных группах.

Практические выводы: Для разработчиков протоколов ключевой вывод — исследовать гибридные модели. Не отказывайтесь полностью от конкурентного PoW; используйте его как резервный слой или для создания контрольных точек, позволяя при этом кооперативному PoW работать с пакетами высокочастотных, низкостоимостных транзакций. Реализуйте механизм стейкинга (внесения залога) вместе с кооперативной работой для решения проблемы начальной загрузки — пользователи должны вносить токены в качестве залога для участия в кооперативном раунде, что наказывает недобросовестных участников. Это сочетает безопасность Proof-of-Stake (PoS) с ограничением частоты PoW. Кроме того, концепцию «транзакционного налога» следует тщательно моделировать на основе данных реальных платёжных систем, чтобы найти оптимальную ставку, которая препятствует спаму, не затрудняя использование.

5. Технические детали и математическая формализация

Кооперативную схему доказательства выполнения работы можно формализовать следующим образом:

Пусть $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ — набор транзакций, предложенных группой пользователей $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$.

Пусть $H(\cdot)$ — криптографическая хеш-функция (например, SHA-256). Традиционный PoW требует найти одноразовое число $N$ такое, что для блока $B$ выполняется $H(B || N) < D$, где $D$ — целевой показатель сложности.

В кооперативной модели «блоком» является согласованный набор транзакций $T$. Головоломка решается коллективно. Каждый пользователь $u_i$ вносит частичное решение («долю») $s_i$. Коллективное доказательство выполнения работы $P$ является функцией всех долей и набора транзакций:

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

Условие для валидного кооперативного доказательства становится:

$H(P) < D$

Функция $F$ должна быть сконструирована так, чтобы:

1. Она требовала значительных совокупных вычислительных усилий от большинства пользователей $U$ для нахождения входных данных $s_i$, дающих $H(P) < D$.
2. Она позволяла проверить, что все $u_i \in U$ внесли вклад в $P$.
3. Она предотвращала доминирование любого отдельного пользователя или небольшого подмножества в решении или подделку участия других.

Возможная конструкция для $F$ может включать итеративные схемы, подобные мультиподписям, или верифицируемые функции задержки (VDF), комбинированные с хеш-коммитментами, гарантируя, что работа является последовательной и должна вноситься разными сторонами.

6. Аналитическая структура и пример

Структура: Оценка смены механизмов консенсуса

Мы можем проанализировать это предложение, используя структуру, сравнивающую ключевые аспекты:

Пример: Пакет микроплатежей

Представьте, что 1000 пользователей хотят совершать небольшие, частые платежи (например, на рынке данных Интернета вещей).

• Традиционный PoW: Каждая транзакция ждёт, пока майнер включит её в блок, конкурируя с другими за приоритет комиссии. Высокая задержка, высокая эффективная стоимость.
• Кооперативный PoW: Эти 1000 пользователей формируют временную группу. Они совместно работают над единым PoW для блока, содержащего все их транзакции. Работа распределена, поэтому индивидуальная стоимость низка. Как только PoW решён, блок распространяется. Уплаченный «налог» делится между ними, вероятно, он ниже индивидуальных комиссий. Консенсус относительно порядка их пакета достигается напрямую.

Этот пример подчёркивает потенциал увеличения пропускной способности в определённых сценариях с высоким объёмом и низкой стоимостью.

7. Перспективы применения и направления будущих исследований

Перспективы применения:

• Разрешенные консорциумные блокчейны: Идеальная среда, где участники известны и имеют существующие отношения, что решает проблему начальной загрузки. Полезно для реестров цепочек поставок или межбанковских расчётов.
• Решения масштабирования второго уровня (Layer-2): Кооперативная схема может использоваться для достижения консенсуса внутри набора участников канала состояния (state channel) или сайдчейна, с периодическим урегулированием на основной цепи.
• Децентрализованные оракулы данных: Группы узлов-оракулов могли бы использовать кооперативный PoW для достижения консенсуса относительно значения точки данных перед её отправкой в блокчейн, добавляя стоимость ложным отчётам.

Направления будущих исследований:

1. Формальные доказательства безопасности: Схема требует строгого криптографического анализа для доказательства её безопасности против атак Сибил, сговора и других моделей угроз в реалистичных сетевых условиях.
2. Дизайн механизмов формирования групп: Как кооперативные группы формируются динамически? Необходимы исследования алгоритмического подбора групп, возможно, с использованием идей теории паросочетаний или стохастических процессов.
3. Интеграция с другими моделями консенсуса: Исследование гибридов с Proof-of-Stake (PoS) или Proof-of-Authority (PoA) для слоя выбора группы или финализации.
4. Количественная оценка влияния на энергопотребление: Создание детальных имитационных моделей для количественной оценки потенциальной экономии энергии по сравнению с традиционным PoW при различных сценариях внедрения и нагрузки транзакциями.

8. Ссылки

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). (Ссылка на CycleGAN для анализа структуры координации/соперничества)