مخطط إثبات العمل التعاوني لبروتوكولات الإجماع الموزعة

جدول المحتويات

1. المقدمة

تقدم هذه الورقة البحثية تحسينًا لمخطط إثبات العمل القياسي، حيث الهدف هو العثور على قيمة عشوائية (nonce) بحيث يفي التجزئة التشفيرية لرأس الكتلة (block header) بمعيار صعوبة معين (مثل أن يبدأ بعدد من الأصفار). الابتكار الأساسي هو تحويل إثبات العمل من سباق تنافسي (الفائز يأخذ الكل) بين المعدّنين إلى جهد تعاوني يمكن للمستخدمين من خلاله تجميع الجهود الحسابية للتحقق من معاملاتهم الخاصة وتحقيق الإجماع على ترتيبها.

الدافع الرئيسي هو معالجة أوجه القصور الكامنة والحوافز المنحرفة في إثبات العمل التقليدي، مثل الاستهلاك الهائل للطاقة الناتج عن التجزئة التنافسية وقوة المركزية التي تمثلها تجمعات التعدين (mining pools). من خلال تمكين التعاون الأصلي، يهدف المخطط إلى استبدال رسوم المعاملات (التي تُدفع للمعدّنين) بـ ضرائب المعاملات (التي يدفعها مُرسلو المعاملة كتكلفة للعمل التعاوني)، وبالتالي محاذاة الحوافز نحو الاقتصاد والتحقق الجماعي.

2. الإجماع

2.1. مشكلة الإجماع الموزع

في شبكة نظير إلى نظير (peer-to-peer) دون سلطة مركزية، يعد تحقيق الإجماع على حالة مشتركة (مثل دفتر الأستاذ للمعاملات) أمرًا صعبًا. المشكلة الأساسية هي تأخر انتشار الرسائل. إذا كانت الفواصل الزمنية بين المعاملات أطول إحصائيًا من وقت انتشار الإشاعات (gossip) عبر الشبكة، فيمكن للأقران تحقيق إجماع فعلي من خلال ملاحظة "توقف" مشترك في حركة المرور. ومع ذلك، في بيئات المعاملات عالية التردد، تفشل هذه الطريقة البسيطة.

2.2. دور إثبات العمل

يعمل إثبات العمل كآلية للحد من المعدل. من خلال اشتراط حل لغز حسابي مكلف يعتمد على القوة الغاشمة (مثل العثور على تجزئة تحقق $\text{Hash}(\text{data} || \text{nonce}) < \text{Target}$)، فإنه يفرض حدًا أقصى لسرعة أي نظير فردي في اقتراح كتل جديدة. وهذا يخفض بشكل مصطنع تردد المعاملات الفعال إلى مستوى يمكن للشبكة من خلاله تحقيق الإجماع بشكل موثوق، كما تم تصوره في الأصل في إجماع ناكاموتو (Nakamoto consensus) الخاص بالبتكوين.

3. إثبات العمل التعاوني

3.1. صياغة المخطط

تصوغ الورقة مخططًا لا يرتبط فيه لغز إثبات العمل بمقترح كتلة واحد، بل يمكن حله بشكل تعاوني من قبل مجموعة من المستخدمين المهتمين بمجموعة من المعاملات. ينبثق الإجماع على ترتيب هذه المعاملات من عملية الحل التعاونية نفسها، بدلاً من أن يفرضه المعدّن الذي يجد الحل أولاً.

3.2. الآلية الأساسية: من الرسوم إلى الضرائب

التحول الاقتصادي الأكثر أهمية هو من الرسوم إلى الضرائب. في إثبات العمل التقليدي، يدفع المستخدمون رسومًا لتحفيز المعدّنين. في النموذج التعاوني، يدفع المستخدمون المشاركون في معاملة "ضريبة" تمثل حصتهم من التكلفة الحسابية المطلوبة لإثبات العمل التعاوني. وهذا يحول الديناميكية من "الدفع مقابل الخدمة" إلى "تشارك تكلفة التحقق"، مما قد يقلل من إجمالي الإنفاق على الموارد.

4. الفكرة الأساسية والتسلسل المنطقي

الفكرة الأساسية: تكمن عبقرية الورقة في إدراك أن القيمة الأساسية لإثبات العمل للإجماع هي خاصيته في الحد من المعدل، وليس جانبه كـ يانصيب تنافسي. يحدد المؤلفون بشكل صحيح اليانصيب التنافسي كمصدر هدر هائل (الطاقة، سباق التسلح بالأجهزة) ومركزية (تجمعات التعدين). قفزتهم المنطقية هي السؤال: "هل يمكننا الاحتفاظ بالحد من المعدل والتخلص من المنافسة؟" المخطط التعاوني المقترح هو الجواب - إنه محاولة متعمدة لتصميم الأجزاء "الجيدة" من إثبات العمل (لامركزية، مقاومة للهويات الوهمية، قابلة لضبط الصعوبة) مع إزالة الأجزاء "السيئة" (المنافسة المهدرة) بدقة.

التسلسل المنطقي لا تشوبه شائبة: 1) تحديد مشكلة الإجماع (تأخر الرسائل). 2) الاعتراف بإثبات العمل كحل للحد من المعدل. 3) تشخيص العيب الحرج في إثبات العمل (الحوافز على عدم التعاون). 4) اقتراح هيكل حوافز جديد (عمل تعاوني يتم دفعه عن طريق الضريبة) ينسق العقلانية الفردية مع صحة الشبكة. هذا هو التفكير المنظومي في أفضل حالاته.

5. نقاط القوة والضعف

نقاط القوة:

• إعادة محاذاة الحوافز بأناقة: التحول من الرسوم إلى الضرائب هو ابتكار اقتصادي عميق. إنه يهاجم مباشرة "مأساة المشاع" في تعدين إثبات العمل، حيث يتم تحفيز المعدّنين الأفراد لاستهلاك طاقة أكثر مما هو مثالي اجتماعيًا.
• يخفف من المركزية: بحسب التصميم، فإنه يقوض المنطق الاقتصادي لتجمعات التعدين، التي توجد أساسًا لتخفيف تباين اليانصيب التنافسي. يمكن أن يؤدي التعاون الأصلي إلى طوبولوجيا شبكة أكثر مساواة وقدرة على الصمود.
• إمكانية تحقيق معدل نقل أعلى: يمكن أن يؤدي انخفاض المنافسة على مكافآت الكتل إلى خفض الصعوبة المطلوبة للأمان، مما يسمح بمزيد من المعاملات لكل وحدة زمنية لنفس المستوى من قوة التجزئة الإجمالية.

نقاط الضعف والأسئلة النقدية:

• مشكلة التمهيد/التنسيق: كيف يجد المستخدمون بعضهم البعض للتعاون؟ تتجاهل الورقة البحثية هذه النقطة. عمليًا، تشكيل تحالفات فعالة لا تتطلب الثقة لكل مجموعة معاملات يمثل تحدي تنسيق هائل، مما قد يتطلب طبقة بروتوكول معقدة خاصة به - مما يعيد إدخال التعقيد والنفقات العامة.
• الأمان تحت هجوم التحالف: يفترض النموذج أن المجموعات التعاونية حميدة. ما الذي يمنع تشكيل تحالف خبيث كبير لإنفاق مزدوج أو حجب المعاملات؟ يبدو تحليل الأمان سطحيًا مقارنة بالمعالجة الصارمة لنظرية الألعاب لإثبات العمل التقليدي الموجودة في أعمال مثل تحليل بروتوكول العمود الفقري للبتكوين (Bitcoin Backbone Protocol).
• تحصيل الضريبة وإنفاذها: إنفاذ "الضريبة" في بيئة لامركزية ومجهولة ليس بالأمر الهين. إنه يخاطر بخلق نظام يمكن فيه لغير الدافعين أن يستفيدوا مجانًا من العمل التعاوني للآخرين، وهي مشكلة حوافز كلاسيكية تسعى الورقة إلى حلها ولكنها قد تعيد إنشاؤها عن غير قصد.

6. رؤى قابلة للتطبيق واتجاهات مستقبلية

للباحثين: لا تعاملوا هذا كبروتوكول مكتمل. عالجوه كـ نموذج تصميم. الفكرة الأساسية - تشارك التكلفة التعاوني للإجماع - قابلة للتطبيق خارج إثبات العمل القائم على التجزئة. استكشفوا تكامله مع إثبات الحصة (PoS) أو إثبات المساحة (Proof-of-Space). الفجوة البحثية الرئيسية هي نموذج قوي لنظرية الألعاب لتشكيل التحالفات واستقرارها في هذا الإطار الجديد. راجعوا العمل على "توازن ناش المقاوم للتحالفات (coalition-proof Nash equilibrium)" كنقطة بداية.

للمطورين/الشركات: هذا ليس جاهزًا للشبكة الرئيسية (Mainnet). ومع ذلك، فكروا فيه لـ سلاسل الكتل الخاصة أو التكتلية (consortium blockchains) حيث تكون هوية المشاركين معروفة والتنسيق أسهل. وعد توفير الطاقة هنا هو الأكثر واقعية. جربوا نظامًا حيث تقوم كيانات معروفة (مثل شركاء سلسلة التوريد) بالتحقق بشكل تعاوني من معاملاتهم المشتركة، مع قياس الانخفاض في النفقات العامة الحسابية مقابل إعداد التعدين التنافسي التقليدي.

للصناعة: هذه الورقة البحثية هي رواية مضادة حيوية في عالم ما بعد الدمج (انتقال إيثيريوم إلى إثبات الحصة). فهي تدعي أن مشكلة الطاقة في إثبات العمل ليست متأصلة في مفهوم إثبات العمل نفسه، ولكن في تنفيذه. مع تشديد التدقيق التنظيمي على استخدام الطاقة في العملات المشفرة، تستحق ابتكارات مثل إثبات العمل التعاوني نظرة جديدة كبديل محتمل لـ "إثبات العمل الأخضر"، خاصة للشبكات التي تكون فيها افتراضات الثقة المادية لإثبات الحصة غير مرغوب فيها.

7. التفاصيل التقنية والصياغة الرياضية

تقترح الورقة البحثية صياغة إثبات العمل التعاوني كمشكلة حساب متعدد الأطراف. على الرغم من عدم تفصيلها بالكامل، فمن المحتمل أن يقوم اللغز الأساسي بتكييف هدف التجزئة القياسي. بدلاً من $\text{Hash}(\text{Block}_{\text{proposer}} || \text{nonce}) < T$، قد يتضمن مدخلات مجمعة من $n$ مشارك: $\text{Hash}(\text{TxSet} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{ID}_{\text{coalition}}) < T$.

يتم ضبط هدف الصعوبة $T$ بناءً على المعدل المطلوب لتشكيل الكتل التعاونية. يتم توزيع "العمل" بحيث يبحث كل مشارك $i$ عن قيمة عشوائية جزئية $\text{nonce}_i$، ويُفي الجهد المشترك بالهدف. يمكن أن يكون نموذجًا بسيطًا للضريبة: $\text{Tax}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$، حيث $C$ هي التكلفة الحسابية الإجمالية للغز المحلول، و $w_i$ هو العمل القابل للإثبات الذي ساهم به المشارك $i$. وهذا يضمن تشارك التكلفة بما يتناسب مع المساهمة.

8. إطار التحليل والمثال المفاهيمي

الإطار: لعبة الإجماع التعاوني

1. اللاعبون: مجموعة من المستخدمين $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ لديهم معاملات معلقة.
2. الإجراءات: يمكن لكل لاعب أن يختار: (أ) العمل بمفرده (إثبات عمل قياسي)، (ب) تشكيل/الانضمام إلى تحالف $S \subseteq U$، (ج) الاستفادة المجانية (إن أمكن).
3. المكاسب: بالنسبة لتحالف $S$ يخلق بنجاح كتلة تحتوي على معاملاتهم:
   • المنفعة: يتم تأكيد المعاملات (قيمة $V_i$ للمستخدم $i$).
   • التكلفة: الضريبة المدفوعة $\text{Tax}_i$ بناءً على العمل المساهم به.
   • صافي المكسب: $V_i - \text{Tax}_i$.
4. مفهوم التوازن: يهدف النظام إلى حالة يكون فيها تشكيل "التحالف الكبير" $U$ (تعاون جميع المستخدمين) هو توازن ناش (Nash equilibrium) مستقر وفعال، مما يقلل التكلفة الإجمالية $\sum \text{Tax}_i$ مع تأكيد جميع المعاملات.

مثال مفاهيمي: تخيل خمسة مستخدمين، من أ إلى هـ، كل منهم يريد إرسال معاملة. في البتكوين، يبثونها ويأملون أن يدرجها معدّن. ينفق المعدّنون 100 وحدة طاقة في المنافسة؛ الفائز يحصل على الرسوم. إجمالي الطاقة: 100 وحدة. في إثبات العمل التعاوني، يشكل أ-هـ مجموعة. ينفقون بشكل جماعي 20 وحدة طاقة (أقل بسبب عدم وجود منافسة) لحل لغز لكتلة تحتوي على جميع المعاملات الخمس. يدفع كل منهم ضريبة إجمالية قدرها 20 وحدة (مثلاً، 4 وحدات لكل منهم). الطاقة الموفرّة: 80 وحدة. التأكيد مضمون للمجموعة، وليس احتماليًا.

9. آفاق التطبيق والتطوير المستقبلي

قصير المدى (السنوات 2-3 القادمة): التطبيق الأكثر جدوى هو في تقنيات دفتر الأستاذ الموزع (DLT) المؤسسية/التكتلية. على سبيل المثال، يمكن لمجموعة من البنوك التي تسوي مدفوعات ما بين البنوك استخدام دفتر أستاذ إثبات عمل تعاوني. الهوية معروفة، والتنسيق يمكن إدارته، والهدف هو الكفاءة والنهائية - وليس المشاركة المجهولة. سيركز البحث على خوارزميات تشكيل التحالفات الفعالة وقياس المساهمة القابل للتحقق.

متوسط المدى (3-5 سنوات): إذا نجح المفهوم في البيئات المغلقة، فقد يلهم تصميمات سلاسل الكتل العامة الهجينة. قد تحتوي سلسلة عامة على طبقة أساسية تستخدم إثبات العمل التقليدي أو إثبات الحصة، مع "شظايا تعاونية" محددة أو سلاسل جانبية تستخدم هذا النموذج للمعاملات عالية الإنتاجية ومنخفضة الرسوم المخصصة لتطبيق معين (مثل المدفوعات الصغيرة، تسجيل بيانات إنترنت الأشياء).

طويل المدى والبحث الأساسي: الاختبار النهائي هو ما إذا كان بإمكان نسخة لامركزية بالكامل، بدون إذن (permissionless) أن تكون آمنة. وهذا يتطلب إنجازات في توليد منارة عشوائية لامركزية (للتخصيص العادل للتحالفات) وآليات الاقتصاد التشفيري (cryptoeconomic) لمعاقبة المستفيدين المجانيين دون المساس بالخصوصية. كما يفتح مجالًا جديدًا: تنوع آليات الإجماع، حيث يمكن لأنواع مختلفة من المعاملات أو مجموعات المستخدمين اختيار نماذج إجماع مختلفة (تنافسية، تعاونية، قائمة على الحصة) داخل نفس النظام البيئي، على غرار كيفية استخدام شبكات الكمبيوتر لبروتوكولات مختلفة (TCP، UDP) لاحتياجات مختلفة.

10. المراجع

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. Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications. Annual International Conference on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques.
6. Buterin, V., et al. (2022). Combining GHOST and Casper. Ethereum Research.
7. Narayanan, A., Bonneau, J., Felten, E., Miller, A., & Goldfeder, S. (2016). Bitcoin and Cryptocurrency Technologies: A Comprehensive Introduction. Princeton University Press.