1. Utangulizi na Mgogoro Mkuu
Mgogoro wa msingi katika mifumo mingi ya Uthibitisho wa Kazi (PoW) upo katika kutafuta wakati mmoja ujumuishaji (kuruhusu ushiriki bila ruhusa) na usalama (kudumisha uadilifu wa makubaliano). Mgogoro huu, kama ulivyotambuliwa katika karatasi ya HotPoW, unazuia moja kwa moja kuhifadhiwa kwa haraka na kwa uaminifu kwa miamala, na kulazimisha itifaki za vitendo kukubali usawazishaji wa hatimaye badala ya uthibitisho wa mwisho. Ukosefu wa uthibitisho wa mwisho wenye uhakika ni kikwazo muhimu kwa matumizi ya miamala yenye thamani kubwa, jambo lililosisitizwa katika mazungumzo ya sekta ya kifedha.
HotPoW inashughulikia hili moja kwa moja kwa kupendekeza nadharia ya Makundi ya Uthibitisho wa Kazi (PoW Quorums), na kuunda daraja mpya kati ya mifumo ya makubaliano ya Uvumilivu wa Hitilafu za Byzantine (BFT) na ya Nakamoto. Tofauti na suluhisho zinazotegemea miundo tata ya minyororo ya ziada (k.m., kama ilivyojadiliwa katika mpango wa Ethereum au IBC ya Cosmos), HotPoW inalenga kufikia uthibitisho wa mwisho ndani ya safu moja iliyorahisishwa.
2. Nadharia ya Makundi ya Uthibitisho wa Kazi (PoW)
Ubunifu mkuu ni kuchukulia PoW sio tu kama utaratibu wa kuzuia Sybil au bahati nasibu, bali kama mchakato wa kihisabati (stochastic) wa kuunda makundi (quorums). Kura za makubaliano hutolewa kupitia PoW, na nadharia inachambua uwezekano wa kuunda kundi la kipekee na lenye ukubwa wa kutosha.
Ufahamu Muhimu:
Kwa kuiga ufika wa suluhisho za PoW kama mchakato wa kihisabati (k.m., usambazaji wa kielelezo au gamma), itifaki inaweza kuhakikisha kuwa kwa uwezekano mkubwa, kundi moja tu halali litatokea ndani ya muda uliopangwa, ikiwa kigezo cha usalama (ukubwa wa kundi) kimewekwa ipasavyo.
2.1. Upekee wa Kihisabati (Stochastic Uniqueness)
Uwezekano wa makundi mawili tofauti, halali kuundwa wakati mmoja umefanywa kuwa usio na maana. Hii ni tofauti na makubaliano ya kawaida ya Nakamoto, ambapo matawi (forks) yanawezekana na yanatatuliwa kwa uwezekano baada ya muda.
2.2. Uchambuzi wa Kigezo cha Usalama
Usalama wa kundi ni kazi ya moja kwa moja ya kigezo $k$, ambacho kinafafanua idadi inayohitajika ya kura zinazotegemea PoW. Uwezekano wa adui kudhibiti kundi hupungua kwa kasi sana (exponentially) kwa $k$, ikifafanuliwa kihisabati kama $P_{attack} \propto e^{-\lambda k}$ kwa kigezo fulani cha kiwango $\lambda$ kinachotokana na nguvu ya hashi ya wadau wema wa mtandao.
3. Ubunifu wa Itifaki ya HotPoW
HotPoW inatekeleza nadharia ya makundi kwa kurekebisha mantiki ya kuhifadhi katika hatua tatu ya bomba kutoka kwa HotStuff BFT na kuifanya ifae mazingira yasiyo na ruhusa na yanayotegemea PoW. Inabadilisha seti ya wathibitishaji walio wazi ya HotStuff na kundi la PoW linaloundwa kwa nguvu kwa kila duru ya makubaliano.
3.1. Mantiki ya Kuhifadhi Katika Hatua Tatu
Itifaki inaendelea kupitia hatua za Kutayarisha (Prepare), Kuhifadhi Kabla (Pre-Commit), na Kuhifadhi (Commit). Block inathibitishwa mwisho tu baada ya kupokea cheti cha kundi cha Kuhifadhi (QC), ambacho kinasaidiwa na kura za PoW. Hii inatoa uthibitisho wa mwisho wenye uhakika baada ya duru mbili za mawasiliano kufuatia kupendekezwa kwa block.
3.2. Muundo wa Bomba (Pipelined Architecture)
Kikichochewa na HotStuff, hatua zinawekwa kwenye bomba kwenye block mfululizo (k.m., hatua ya Kutayarisha kwa block $n+1$ inaweza kufanyika wakati mmoja na hatua ya Kuhifadhi kwa block $n$). Uboreshaji huu unaboresha kwa kiasi kikubwa kiwango cha utendaji ikilinganishwa na itifaki za BFT zisizo na bomba.
4. Uigizaji na Matokeo ya Majaribio
Karatasi hii inatathmini HotPoW kupitia uigizaji, kujaribu uthabiti dhidi ya:
- Ucheleweshaji wa Mtandao: Itifaki inadumisha uthabiti chini ya hali halisi za mtandao zisizo na mwendo mmoja (asynchronous).
- Mabadiliko ya Washiriki (Churn): Ushiriki wa nguvu wa nodi hauvunji uhai wa mfumo (liveness).
- Mashambulio Lengwa: Uigizaji huiga wadui wanaojaribu kukiuka uthabiti (usalama) au uhai wa mfumo.
Ufafanuzi wa Chati (Kurejelea Mchoro 1 kwenye PDF):
Takwimu hizi zinalinganisha msongamano wa uwezekano kwa muda. Mchoro 1(a) unaonyesha usambazaji wa kielelezo, ukipendekeza ufika wa mapema na hivyo "ujumuishaji wa haki" kwa wachache ambao hutatua PoW haraka. Mchoro 1(b) unaonyesha usambazaji wa gamma (na kigezo cha umbo >1), na kuunda kikomo cha usalama. Inapunguza faida ya suluhisho haraka sana, na kuifanya iwe ngumu kwa wachache waliokusanyika (mshambuliaji) kuunda makundi kwa uthabiti kabla ya wengi wema. Eneo chini ya mkunjo linawakilisha uwezekano wa kushinda "mbio" za kuunda kundi.
Matokeo Yaliyoripotiwa: HotPoW ilionyesha uvumilivu kwa hali hizi za uadui na mzigo mdogo wa hifadhi kuliko makubaliano safi ya Nakamoto na utata mdogo kuliko suluhisho za uthibitisho wa mwisho zinazotegemea minyororo ya ziada.
5. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo wa Hisabati
Uchambuzi wa usalama unategemea kuhesabu uwezekano kwamba adui anayedhibiti sehemu $\beta$ ya jumla ya nguvu ya hashi anaweza kukusanya kundi la ukubwa $k$ kabla ya mtandao mwema (wenye nguvu ya hashi $1-\beta$).
Kiini cha Hisabati: Muda wa nodi ya $i$-th kupata suluhisho la PoW huigwa kama kutofautisha kwa nasibu $X_i \sim \text{Exp}(\lambda_i)$, ambapo $\lambda_i$ ni sawia na kiwango cha hashi cha nodi. Muda wa suluhisho la $k$-th haraka zaidi (takwimu ya mpangilio) inafafanua muda wa kuundwa kwa kundi. Nadharia inathibitisha kuwa kwa $k$ iliyochaguliwa vyema, usambazaji wa takwimu hii ya mpangilio $k$-th unahakikisha upekee kwa uwezekano mkubwa. Uwezekano wa shambulio linalofanikiwa unaweza kufungwa kwa kutumia usawa wa mkia (tail inequalities) kwa takwimu hizi za mpangilio.
6. Uchambuzi wa Kulinganisha na Nafasi ya Sekta
Ikilinganishwa na Makubaliano ya Nakamoto (Bitcoin): Inatoa uthibitisho wa mwisho wenye uhakika na wa haraka zaidi dhidi ya uthibitisho wa uwezekano. Uwezekano wa kiwango cha juu cha utendaji kwa sababu ya bomba, lakini kwa gharama ya muundo mgumu kidogo wa ujumbe.
Ikilinganishwa na BFT ya Kawaida (PBFT, Tendermint): Inafikia ushiriki usio na ruhusa bila seti ya wathibitishaji walio wazi, maendeleo makubwa katika utawala wengi. Hata hivyo, muda wa uthibitisho wa mwisho unabadilika (kutegemea muda wa suluhisho la PoW) ikilinganishwa na muda wa duru uliowekwa wa itifaki nyingi za BFT.
Ikilinganishwa na Mifumo ya Mchanganyiko/Minyororo ya Ziada (Polygon, Cosmos): Inatoa suluhisho la safu moja lililounganishwa kwa nguvu zaidi, na kupunguza uwezekano wa utata na hatari za kuunganisha. Inashindana moja kwa moja na suluhisho zingine za uthibitisho wa mwisho wa mnyororo mmoja kama uhamisho wa Ethereum kwa PoS + CBC Casper.
7. Matumizi ya Baadaye na Mpango wa Maendeleo
Muda mfupi (miaka 1-2): Utekelezaji na majaribio katika mitandao ya majaribio ya blockchain isiyo na ruhusa. Uchunguzi kama kifaa cha uthibitisho wa mwisho kwa minyororo iliyopo ya PoW (k.m., kama safu ya juu juu ya Bitcoin au Ethereum Classic) ili kuwezesha uthibitisho wa mwisho wa haraka kwa minyororo ya ziada au njia za hali.
Muda wa kati (miaka 3-5): Kubadilika kwa Uthibitisho wa Hisa (PoS) na vyanzo vingine vya nasibu vinavyotegemea Kazi ya Kuchelewesha Inayoweza Kuthibitishwa (VDF), na kuunda aina zenye ufanisi wa nishati. Matumizi yanayowezekana katika mitandao ya hakimu isiyo na mkataba au madaraja ya kuvuka minyororo yenye uhakika wa juu ambapo uthibitisho wa mwisho ni muhimu.
Muda mrefu (miaka 5+): Ikiwa imethibitishwa kuwa imara, inaweza kuwa moduli ya kawaida katika zana ya "safu ya makubaliano" kwa miundombinu ya Web3. Kanuni zake zinaweza kuathiri ubunifu wa makubaliano kwa mitandao ya miundombinu ya kimwili isiyo na mkataba (DePIN) na mifumo mingine ya uratibu wa thamani kubwa na ya wakati halisi.
Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi (Sio Msimbo):
Hali: Kutathmini uchaguzi wa makubaliano ya blockchain mpya ya L1.
Hatua ya 1 (Kuundwa kwa Kundi): Je, inatumia seti iliyowekwa, bahati nasibu, au mchakato wenye wakati wa kihisabati kama HotPoW? Panga kwenye mabadiliko ya ujumuishaji/usalama.
Hatua ya 2 (Utaratibu wa Uthibitisho wa Mwisho): Je, uthibitisho wa mwisho ni wa uwezekano (Nakamoto) au wenye uhakika (aina ya BFT)? Ikiwa ni wenye uhakika, ni duru ngapi za mawasiliano?
Hatua ya 3 (Mfano wa Adui): Ni sehemu gani ya rasilimali ($\beta$) itifaki inadhania kwa usalama/uhai? HotPoW inaiga hili wazi kupitia kigezo $k$.
Hatua ya 4 (Gharama ya Utata): Tathmini utata wa ujumbe, mzigo wa hifadhi, na mzigo wa hesabu zaidi ya makubaliano ya msingi (k.m., gharama ya PoW).
Kutumia mfumo huu kunapeana HotPoW nafasi ya juu kwa uthibitisho wa mwisho wenye uhakika na ujumuishaji usio na ruhusa, na utata wa kati na gharama ya muda inayobadilika.
8. Marejeo
- Keller, P., & Böhme, R. (2020). HotPoW: Finality from Proof-of-Work Quorums. arXiv preprint arXiv:1907.13531v3.
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
- Yin, M., Malkhi, D., Reiter, M. K., Gueta, G. G., & Abraham, I. (2019). HotStuff: BFT Consensus with Linearity and Responsiveness. Proceedings of the 2019 ACM Symposium on Principles of Distributed Computing (PODC '19).
- Buterin, V., & Griffith, V. (2017). Casper the Friendly Finality Gadget. arXiv preprint arXiv:1710.09437.
- Buchman, E. (2016). Tendermint: Byzantine Fault Tolerance in the Age of Blockchains. PhD Thesis.
- Pass, R., & Shi, E. (2017). The Sleepy Model of Consensus. ASIACRYPT 2017.
- Lewis, A. (2019). The Basics of Bitcoins and Blockchains. Mango Publishing.
- Zhu, J., et al. (2022). A Survey on Blockchain Consensus Protocols. ACM Computing Surveys.
Uchambuzi wa Mchambuzi: Ufahamu Mkuu, Mtiririko wa Mantiki, Nguvu na Kasoro, Ufahamu Unaotumika
Ufahamu Mkuu: Uzuri wa HotPoW sio katika kuvumbua usimbu fiche mpya, bali katika kufafanua upya. Haionyi PoW tena kama tikiti ya bahati nasibu tu, bali kuanza kuichukulia kama ishara ya matangazo yenye wakati na inayoweza kuthibitishwa. Mabadiliko haya ya mtazamo—kutoka "kushinda mbio" hadi "kukusanya saini zenye wakati"—ndiyo inayofungua daraja kwa uthibitisho wa mwisho wa aina ya BFT. Ni somo la jinsi kukagua upya kanuni za msingi kunaweza kuvunja mabadiliko yanayoonekana.
Mtiririko wa Mantiki: Hoja hiyo inavutia: 1) Kutambua mgogoro wa ujumuishaji/usalama kama sababu ya msingi ya kutokuwa na uthibitisho wa mwisho. 2) Kupendekeza makundi ya PoW kama safu ya msingi ya kihisabati. 3) Kuweka mashine ya hali ya BFT imara, yenye bomba (HotStuff) juu yake. 4) Kuthibitisha kupitia uigizaji kuwa mchanganyiko huo unafanya kazi. Mantiki ni safi, lakini shida iko katika mawazo ya kihisabati—usambazaji wa nguvu ya hashi ulimwenguni halisi hauna usawa, jambo linaloweza kuwa kasoro katika msingi.
Nguvu na Kasoro:
Nguvu: Msingi wa nadharia mzuri; inatumia mantiki ya HotStuff iliyojaribiwa; inaepuka ugumu wa utawala wa juu wa minyororo ya ziada/minyororo iliyokusanywa. Hali yake ya kutokuwa na ruhusa ni faida halisi ikilinganishwa na mifumo safi ya BFT.
Kasoro: "Muda unaotabirika wa uthibitisho wa mwisho" bado ni wa uwezekano, sio wenye uhakika—kuitangaza kama uthibitisho wa mwisho inahitaji ufafanuzi makini. Inarithi wasiwasi wa nishati ya PoW. Uthabiti wa itifaki hiyo dhidi ya mgawanyiko mkali wa mtandao (hitilafu za "kozmologia") haujaeleweka vizuri kuliko katika itifaki za mnyororo mrefu zaidi. Tathmini, ingawa nzuri, bado inategemea uigizaji; uchumi wa usimbu fiche wa usawa wa motisha kwa ushiriki wa kundi unahitaji uchunguzi wa kina zaidi.
Ufahamu Unaotumika: Kwa waunda, huu ni mchoro wa kizazi kijacho cha makubaliano ya "moduli". Safu ya kundi la PoW inaweza kubadilishwa na kielelezo cha nasibu cha Uthibitisho wa Hisa (PoS) (kama RANDAO/VDF ya Ethereum), na kuunda "HotPoS". Kwa wawekezaji, fuata miradi inayotekeleza falsafa hii ya mchanganyiko—inaweza kushika nafasi bora kati ya utawala wengi na utendaji. Kwa watafiti, swali kubwa la wazi ni uthibitisho rasmi chini ya mfano kamili wa mtandao usio na mwendo mmoja na wadui wanaobadilika. Hii sio karatasi ya kitaaluma tu; ni muundo wa ubunifu wenye nguvu.