分散式共識協議嘅合作工作量證明方案

目錄

1. 簡介

本文提出對傳統工作量證明方案嘅改良。傳統方案通常涉及搵到一個隨機數，令加密雜湊輸出有指定數量嘅前導零。核心創新係一個合作工作量證明方案，旨在容許多個自主用戶合作為自己嘅交易生成工作量證明。呢種合作嘅目標係喺分散式帳本系統內就交易順序建立共識。

主要動機係從競爭性、基於手續費嘅挖礦模式（礦工競爭解謎題並收取手續費）轉向合作性、基於稅收嘅模式（用戶合作並支付稅款）。作者認為呢個轉變可以緩解幾個問題：

• 降低能源消耗： 通過用節儉合作取代惡性競爭，整體計算量（從而能源使用）可以顯著降低。
• 提高吞吐量與公平性： 礦工之間競爭減少可能導致更快嘅交易處理速度，並減少對特定用戶群體嘅潛在歧視。
• 增強安全性： 由於固有嘅交易稅，阻斷服務攻擊對攻擊者而言成本更高。

該方案被定位為一種原生嘅合作解決方案，與現有嘅外部機制（如礦池）形成對比，後者可能存在激勵不一致嘅問題。

2. 共識

本節確立基本問題：喺一個無中央權威嘅點對點網絡中實現分散式共識。節點通過八卦協議進行通信，必須維護一個共享且一致同意嘅交易帳本。

核心挑戰係訊息傳播延遲。喺一個理想嘅低頻交易環境中，可以通過觀察網絡流量持續暫停——即「完全停止」——來達成共識，表明所有節點可能都睇到相同嘅一組訊息。然後，呢啲訊息可以按規範排序（例如，按雜湊值）並附加到帳本。

然而，現實世界嘅交易頻率對於呢個簡單方案嚟講太高。呢度就係工作量證明作為頻率限制器嘅作用。通過要求為每筆交易（或交易區塊）解決一個計算成本高昂嘅謎題，工作量證明人為地降低咗可以提議新共識事件嘅速率。謎題嘅難度可以校準，以實現必要嘅低頻率，令「基於暫停」嘅共識機制能夠喺整個網絡中有效運作。

3. 合作工作量證明

本文將提議嘅合作方案形式化。雖然完整嘅數學細節將喺下一節預覽，但概念轉變係清晰嘅。唔係個別礦工競相解決謎題以獲取區塊獎勵，而係形成交易集嘅用戶共同合作，為該集合生成單一嘅工作量證明。

該機制必須確保：

1. 合作係可驗證且安全嘅。
2. 集體工作達到網絡嘅難度目標。
3. 由此產生嘅交易順序共識具有約束力且防篡改。

提議嘅「交易稅」取代咗「交易手續費」。呢筆稅由參與合作挖礦輪次嘅用戶支付，將共識形成嘅成本內部化喺用戶群體內，而唔係外判畀一個獨立嘅礦工階層。

4. 核心洞察與分析

核心洞察： Kuijper嘅論文唔只係對工作量證明嘅微調；佢係對區塊鏈激勵結構嘅根本性重新架構。真正嘅突破在於認識到工作量證明喺共識中嘅主要價值唔只係「工作」，而係工作作為一種速率限制裝置。合作模式扭轉咗局面，令呢種速率限制成為一個協作、用戶驅動嘅過程，而唔係競爭、礦工驅動嘅過程。呢點直接攻擊咗比特幣能源困境嘅根本原因——唔係雜湊運算本身，而係要求更多雜湊運算嘅經濟競賽。

邏輯流程： 論證以優雅嘅邏輯進行：1) 共識需要低事件頻率，2) 工作量證明通過成本強制低頻率，3) 因此，承擔成本嘅實體控制共識節奏。傳統工作量證明讓礦工為利潤控制呢個節奏。Kuijper嘅方案通過令用戶為自己嘅交易直接承擔成本（稅收），將控制權交還畀用戶。從技術限制（傳播延遲）到經濟解決方案（合作成本承擔）嘅流程係具說服力嘅。

優點與缺陷： 其優點在於激勵機制嘅優雅對齊。通過將共識成本直接與交易發起者掛鉤，佢消除咗困擾如合併前以太坊等系統嘅礦工可提取價值同礦池中心化問題。然而，明顯嘅缺陷係「引導問題」——你點樣喺一個無信任環境中啟動合作？本文對呢個關鍵嘅協調問題輕描淡寫。正如區塊鏈博弈論分析（例如，arXiv上關於共識動態嘅研究）所示，喺無預先存在嘅社會或算法框架下，要喺理性、匿名嘅參與者之間實現自發、穩定嘅合作係出名困難嘅。該方案似乎亦假設咗用戶雜湊算力嘅同質性，但呢種同質性並唔存在，可能導致新形式嘅中心化，即高算力用戶主導合作群組。

可行洞察： 對於協議設計者，關鍵要點係探索混合模型。唔好完全拋棄競爭性工作量證明；將其用作後備層或用於檢查點，同時允許合作工作量證明用於高頻、低價值嘅交易批次。實施一種與合作工作並行嘅權益質押機制，以解決引導問題——用戶必須質押代幣才能加入合作輪次，從而懲罰不良行為者。呢個結合咗權益證明嘅安全性同工作量證明嘅速率限制。此外，「交易稅」嘅概念應該根據現實世界支付系統數據進行嚴格建模，以找到一個最佳稅率，既能阻止垃圾交易，又唔會妨礙可用性。

5. 技術細節與數學形式化

合作工作量證明方案可以形式化如下：

設 $T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$ 為一組由用戶群 $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$ 提議嘅交易。

設 $H(\cdot)$ 為一個加密雜湊函數（例如，SHA-256）。傳統工作量證明要求搵到一個隨機數 $N$，使得對於一個區塊 $B$，$H(B || N) < D$，其中 $D$ 係難度目標。

喺合作模型中，「區塊」係達成一致嘅交易集 $T$。謎題被集體解決。每個用戶 $u_i$ 貢獻一個部分解決方案（一份「份額」）$s_i$。集體工作量證明 $P$ 係所有份額同交易集嘅函數：

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

有效合作證明嘅條件變為：

$H(P) < D$

函數 $F$ 必須構建為：

1. 佢需要 $U$ 中大多數成員付出顯著嘅組合計算努力，以搵到能產生 $H(P) < D$ 嘅輸入 $s_i$。
2. 佢允許驗證所有 $u_i \in U$ 都對 $P$ 作出貢獻。
3. 佢防止任何單一用戶或小群組主導解決方案或偽造他人參與。

$F$ 嘅一個潛在構造可能涉及迭代式嘅多重簽名類方案或可驗證延遲函數，結合雜湊承諾，確保工作係順序進行且必須由不同方貢獻。

6. 分析框架與示例案例

框架：評估共識機制轉變

我哋可以使用一個比較關鍵維度嘅框架來分析呢個提議：

示例案例：微交易批次

想像有1000個用戶想進行細額、頻繁嘅支付（例如，喺一個物聯網數據市場內）。

• 傳統工作量證明： 每筆交易等待礦工將其包含喺一個區塊中，與其他交易競爭手續費優先級。高延遲，高有效成本。
• 合作工作量證明： 呢1000個用戶形成一個臨時群組。佢哋共同為一個包含所有交易嘅區塊進行單一工作量證明。工作被分攤，所以個人成本低。一旦工作量證明被解決，區塊就被傳播。支付嘅「稅款」由佢哋分攤，可能低於個別手續費。關於佢哋批次順序嘅共識直接達成。

呢個案例突顯咗喺特定高流量、低價值場景下提高吞吐量嘅潛力。

7. 應用前景與未來方向

應用前景：

• 許可制聯盟鏈： 理想環境，參與者已知且存在現有關係，解決咗引導問題。適用於供應鏈或銀行間帳本。
• 第二層擴容解決方案： 合作方案可用於喺狀態通道或側鏈參與者集合內達成共識，並定期向主鏈結算。
• 去中心化數據預言機： 預言機節點群組可以使用合作工作量證明，就數據點嘅價值達成共識，然後再將其提交上鏈，為虛假報告增加成本。

未來研究方向：

1. 形式化安全證明： 該方案需要嚴格嘅密碼學分析，以證明其喺現實網絡條件下對抗女巫攻擊、串謀及其他威脅模型嘅安全性。
2. 群組形成嘅機制設計： 合作群組如何動態形成？需要研究算法群組匹配，可能使用匹配理論或隨機過程嘅概念。
3. 與其他共識模型整合： 探索與權益證明或權威證明嘅混合模型，用於群組選擇或最終性層。
4. 能源影響量化： 建立詳細嘅仿真模型，量化喺不同採用率同交易負載場景下，相比傳統工作量證明嘅潛在節能效果。

8. 參考文獻

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