বিতরণকৃত ঐক্যমত্য প্রোটোকলের জন্য একটি সহযোগিতামূলক প্রমাণ-অব-ওয়ার্ক স্কিম

সূচিপত্র

1. ভূমিকা

এই গবেষণাপত্রটি আদর্শ প্রমাণ-অব-ওয়ার্ক (PoW) স্কিমের একটি পরিশোধিত রূপ প্রস্তাব করে, যার লক্ষ্য হল এমন একটি নন্স (nonce) খুঁজে বের করা যাতে একটি ব্লক হেডারের ক্রিপ্টোগ্রাফিক হ্যাশ একটি নির্দিষ্ট কঠিনতা লক্ষ্যমাত্রা পূরণ করে (যেমন, নির্দিষ্ট সংখ্যক শূন্য দিয়ে শুরু হয়)। মূল উদ্ভাবনটি হল PoW-কে মাইনারদের মধ্যে একটি প্রতিযোগিতামূলক, বিজয়ী-সব-পায় দৌড় থেকে এমন একটি সহযোগিতামূলক প্রচেষ্টায় রূপান্তর করা যেখানে ব্যবহারকারীরা তাদের নিজস্ব লেনদেন যাচাই করার জন্য এবং লেনদেনের ক্রম নির্ধারণে ঐক্যমত্যে পৌঁছানোর জন্য গণনামূলক প্রচেষ্টা একত্রিত করতে পারে।

প্রাথমিক প্রেরণা হল ঐতিহ্যবাহী PoW-এর অন্তর্নিহিত অদক্ষতা ও বিকৃত প্রণোদনাগুলি, যেমন প্রতিযোগিতামূলক হ্যাশিং থেকে বিপুল শক্তি খরচ এবং মাইনিং পুলগুলির কেন্দ্রীভবনকারী শক্তি, মোকাবেলা করা। স্বাভাবিক সহযোগিতা সক্ষম করে, এই স্কিমটি লেনদেন ফি (মাইনারদের প্রদত্ত) কে লেনদেন কর (লেনদেন প্রেরকদের দ্বারা সহযোগিতামূলক কাজের ব্যয় হিসাবে প্রদেয়) দ্বারা প্রতিস্থাপনের লক্ষ্য রাখে, যার ফলে মিতব্যয়িতা ও সম্মিলিত যাচাইয়ের দিকে প্রণোদনাগুলি সারিবদ্ধ হয়।

2. ঐক্যমত্য

2.1. বিতরণকৃত ঐক্যমত্য সমস্যা

কেন্দ্রীয় কর্তৃত্ববিহীন একটি পিয়ার-টু-পিয়ার নেটওয়ার্কে, একটি ভাগ করা অবস্থা (যেমন একটি লেনদেন খাতা) নিয়ে ঐক্যমত্য অর্জন করা চ্যালেঞ্জিং। মৌলিক সমস্যাটি হল বার্তা বিস্তারের বিলম্ব। যদি লেনদেনের মধ্যবর্তী সময় পরিসংখ্যানগতভাবে নেটওয়ার্কের গসিপ (gossip) বিস্তার সময়ের চেয়ে দীর্ঘ হয়, তাহলে পিয়াররা ট্রাফিকের একটি ভাগ করা "বিরতি" পর্যবেক্ষণ করে কার্যত ঐক্যমত্য অর্জন করতে পারে। তবে, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি লেনদেনের পরিবেশে, এই সরল পদ্ধতিটি ব্যর্থ হয়।

2.2. প্রমাণ-অব-ওয়ার্কের ভূমিকা

প্রমাণ-অব-ওয়ার্ক একটি হার-সীমিত প্রক্রিয়া হিসাবে কাজ করে। একটি গণনামূলকভাবে ব্যয়বহুল, ব্রুট-ফোর্স ধাঁধার সমাধান (যেমন, $ ext{Hash}( ext{data} || ext{nonce}) < ext{Target}$ সহ একটি হ্যাশ খুঁজে বের করা) প্রয়োজন করে, এটি যেকোনো একক পিয়ার কত দ্রুত নতুন ব্লক প্রস্তাব করতে পারে তার একটি ঊর্ধ্বসীমা আরোপ করে। এটি কার্যকর লেনদেন ফ্রিকোয়েন্সিকে কৃত্রিমভাবে এমন একটি স্তরে নামিয়ে আনে যেখানে নেটওয়ার্ক নির্ভরযোগ্যভাবে ঐক্যমত্য অর্জন করতে পারে, যেমনটি মূলত বিটকয়েনের নাকামোটো ঐক্যমত্যে ধারণা করা হয়েছিল।

3. সহযোগিতামূলক প্রমাণ-অব-ওয়ার্ক

3.1. স্কিমের আনুষ্ঠানিকীকরণ

গবেষণাপত্রটি এমন একটি স্কিম আনুষ্ঠানিকভাবে উপস্থাপন করে যেখানে প্রমাণ-অব-ওয়ার্ক ধাঁধাটি একটি একক ব্লক প্রস্তাবকারীর সাথে যুক্ত নয়, বরং একগুচ্ছ লেনদেনে আগ্রহী ব্যবহারকারীদের একটি দল দ্বারা সহযোগিতামূলকভাবে সমাধান করা যেতে পারে। এই লেনদেনগুলির ক্রমের উপর ঐক্যমত্য সহযোগিতামূলক সমাধান প্রক্রিয়া থেকেই উদ্ভূত হয়, প্রথমে সমাধান খুঁজে পাওয়া মাইনারের দ্বারা নির্ধারিত হওয়ার পরিবর্তে।

3.2. মূল প্রক্রিয়া: ফি থেকে করের দিকে

সবচেয়ে উল্লেখযোগ্য অর্থনৈতিক পরিবর্তন হল ফি থেকে কর-এর দিকে। ঐতিহ্যবাহী PoW-তে, ব্যবহারকারীরা মাইনারদের প্রণোদিত করার জন্য ফি প্রদান করে। সহযোগিতামূলক মডেলে, একটি লেনদেনে জড়িত ব্যবহারকারীরা একটি "কর" প্রদান করে যা সহযোগিতামূলক প্রমাণ-অব-ওয়ার্কের জন্য প্রয়োজনীয় গণনামূলক ব্যয়ের তাদের অংশকে প্রতিনিধিত্ব করে। এটি গতিশীলতাকে "সেবার জন্য অর্থপ্রদান" থেকে "যাচাইয়ের ব্যয় ভাগাভাগি"-তে রূপান্তরিত করে, সামগ্রিক সম্পদ ব্যয় সম্ভাব্যভাবে হ্রাস করে।

4. মূল অন্তর্দৃষ্টি ও যৌক্তিক প্রবাহ

মূল অন্তর্দৃষ্টি: গবেষণাপত্রের প্রতিভা হল এই স্বীকৃতিতে যে ঐক্যমত্যের জন্য PoW-এর প্রাথমিক মূল্য হল এর হার-সীমিত বৈশিষ্ট্য, এর প্রতিযোগিতামূলক লটারি দিক নয়। লেখকরা সঠিকভাবে প্রতিযোগিতামূলক লটারিকে বিপুল অপচয় (শক্তি, হার্ডওয়্যার অস্ত্র প্রতিযোগিতা) এবং কেন্দ্রীভবন (মাইনিং পুল) এর উৎস হিসাবে চিহ্নিত করেছেন। তাদের যৌক্তিক লাফ হল প্রশ্ন করা: "আমরা কি হার-সীমিত বৈশিষ্ট্য রাখতে পারি কিন্তু প্রতিযোগিতা বাদ দিতে পারি?" প্রস্তাবিত সহযোগিতামূলক স্কিমটিই এর উত্তর—এটি PoW-এর "ভাল" অংশগুলি (বিকেন্দ্রীভূত, সাইবিল-প্রতিরোধী, কঠিনতা-সামঞ্জস্যযোগ্য) প্রকৌশলগতভাবে বজায় রেখে "খারাপ" অংশগুলি (অপচয়মূলক প্রতিযোগিতা) অত্যন্ত সূক্ষ্মভাবে অপসারণের একটি সচেতন প্রচেষ্টা।

যৌক্তিক প্রবাহটি নির্ভুল: ১) ঐক্যমত্য সমস্যা চিহ্নিত করা (বার্তা বিলম্ব)। ২) PoW-কে একটি হার-সীমিত সমাধান হিসাবে স্বীকার করা। ৩) PoW-এর সমালোচনামূলক ত্রুটি নির্ণয় করা (প্রণোদিত অ-সহযোগিতা)। ৪) একটি নতুন প্রণোদনা কাঠামো প্রস্তাব করা (কর দ্বারা অর্থায়িত সহযোগিতামূলক কাজ) যা ব্যক্তিগত যৌক্তিকতাকে নেটওয়ার্ক স্বাস্থ্যের সাথে সারিবদ্ধ করে। এটি সেরা সিস্টেম চিন্তাভাবনা।

5. শক্তি ও দুর্বলতা

শক্তি:

• সুন্দর প্রণোদনা পুনঃসারিবদ্ধকরণ: ফি থেকে করের দিকে স্থানান্তর একটি গভীর অর্থনৈতিক উদ্ভাবন। এটি সরাসরি PoW মাইনিং-এর "সাধারণ সম্পদের ট্র্যাজেডি"-কে আক্রমণ করে, যেখানে ব্যক্তিগত মাইনারদের সামাজিকভাবে সর্বোত্তম মাত্রার চেয়ে বেশি শক্তি খরচ করার প্রণোদনা দেওয়া হয়।
• কেন্দ্রীভবন প্রশমিত করে: নকশা অনুসারে, এটি মাইনিং পুলগুলির অর্থনৈতিক যুক্তিকে দুর্বল করে, যেগুলি প্রধানত প্রতিযোগিতামূলক লটারির তারতম্য মসৃণ করার জন্য বিদ্যমান। স্বাভাবিক সহযোগিতা একটি আরও সমতাবাদী ও স্থিতিস্থাপক নেটওয়ার্ক টপোলজির দিকে নিয়ে যেতে পারে।
• উচ্চ থ্রুপুটের সম্ভাবনা: ব্লক পুরস্কারের জন্য প্রতিযোগিতা হ্রাস পাওয়ায় নিরাপত্তার জন্য প্রয়োজনীয় কঠিনতা কমতে পারে, সামগ্রিক হ্যাশিং শক্তির একই স্তরে প্রতি একক সময়ে আরও লেনদেনের অনুমতি দেয়।

দুর্বলতা ও সমালোচনামূলক প্রশ্ন:

• বুটস্ট্র্যাপিং/সমন্বয় সমস্যা: ব্যবহারকারীরা কীভাবে একে অপরকে সহযোগিতা করার জন্য খুঁজে পায়? গবেষণাপত্রটি এটিকে অগভীরভাবে উল্লেখ করেছে। অনুশীলনে, প্রতিটি লেনদেন সেটের জন্য দক্ষ, বিশ্বাসহীন জোট গঠন একটি বিশাল সমন্বয় চ্যালেঞ্জ, সম্ভাব্যভাবে এর নিজস্ব জটিল প্রোটোকল স্তরের প্রয়োজন হতে পারে—জটিলতা ও ওভারহেড পুনরায় প্রবর্তন করে।
• জোট আক্রমণের অধীনে নিরাপত্তা: মডেলটি ধরে নেয় যে সহযোগিতামূলক দলগুলি শান্তিপূর্ণ। একটি বড়, দূষিত জোট গঠন করে ডাবল-স্পেন্ডিং বা লেনদেন সেন্সর করার কী বাধা? নিরাপত্তা বিশ্লেষণটি ঐতিহ্যবাহী PoW-এর কঠোর গেম-থিওরেটিক চিকিৎসার তুলনায় (যেমন বিটকয়েন ব্যাকবোন প্রোটোকল বিশ্লেষণের কাজে পাওয়া যায়) অগভীর মনে হয়।
• কর সংগ্রহ ও প্রয়োগ: একটি বিকেন্দ্রীভূত, বেনামী পরিবেশে "কর" প্রয়োগ করা তুচ্ছ নয়। এটি এমন একটি সিস্টেম তৈরি করার ঝুঁকি তৈরি করে যেখানে অ-প্রদানকারীরা অন্যদের সহযোগিতামূলক কাজে ফ্রি-রাইড করতে পারে, এটি একটি ক্লাসিক প্রণোদনা সমস্যা যা গবেষণাপত্রটি সমাধান করতে চায় কিন্তু অনিচ্ছাকৃতভাবে পুনরায় তৈরি করতে পারে।

6. কার্যকরী অন্তর্দৃষ্টি ও ভবিষ্যৎ দিকনির্দেশনা

গবেষকদের জন্য: এটিকে একটি সমাপ্ত প্রোটোকল হিসাবে বিবেচনা করবেন না। এটিকে একটি নকশা প্যারাডাইম হিসাবে বিবেচনা করুন। মূল ধারণা—ঐক্যমত্যের জন্য সহযোগিতামূলক ব্যয়-ভাগাভাগি—হ্যাশ-ভিত্তিক PoW-এর বাইরেও প্রযোজ্য। প্রুফ-অব-স্টেক (PoS) বা প্রুফ-অব-স্পেসের সাথে এর একীকরণ অন্বেষণ করুন। মূল গবেষণা ফাঁক হল এই নতুন পরিবেশে জোট গঠন ও স্থিতিশীলতার একটি মজবুত, গেম-থিওরেটিক মডেল। শুরু করার জন্য "কোয়ালিশন-প্রুফ ন্যাশ ভারসাম্য"-এর কাজটি দেখুন।

ডেভেলপার/এন্টারপ্রাইজগুলির জন্য: এটি মেইননেটের জন্য প্রস্তুত নয়। তবে, প্রাইভেট বা কনসোর্টিয়াম ব্লকচেইন-এর জন্য এটি বিবেচনা করুন যেখানে অংশগ্রহণকারীর পরিচয় জানা থাকে এবং সমন্বয় করা সহজ। শক্তি-সঞ্চয়ের প্রতিশ্রুতি এখানে সবচেয়ে বাস্তব। এমন একটি পাইলট সিস্টেম বিবেচনা করুন যেখানে পরিচিত সত্তা (যেমন, সরবরাহ শৃঙ্খল অংশীদার) তাদের ভাগ করা লেনদেনগুলি সহযোগিতামূলকভাবে যাচাই করে, একটি ঐতিহ্যবাহী প্রতিযোগিতামূলক মাইনিং সেটআপের তুলনায় গণনামূলক ওভারহেড হ্রাস পরিমাপ করে।

শিল্পের জন্য: এই গবেষণাপত্রটি পোস্ট-মার্জ (ইথেরিয়ামের PoS-এ স্থানান্তর) বিশ্বে একটি গুরুত্বপূর্ণ পাল্টা-কাহিনী। এটি যুক্তি দেয় যে PoW-এর শক্তি সমস্যাটি প্রমাণ-অব-ওয়ার্ক ধারণার অন্তর্নিহিত নয়, বরং এর বাস্তবায়ন-এর। ক্রিপ্টোর শক্তি ব্যবহার নিয়ে নিয়ন্ত্রক তদন্ত তীব্র হওয়ায়, সহযোগিতামূলক PoW-এর মতো উদ্ভাবনগুলিকে একটি সম্ভাব্য "সবুজ PoW" বিকল্প হিসাবে বিশেষ করে সেই নেটওয়ার্কগুলির জন্য যেখানে PoS-এর শারীরিক বিশ্বাসের অনুমানগুলি অপ্রত্যাশিত, একটি নতুন করে দেখার দাবি রাখে।

7. প্রযুক্তিগত বিবরণ ও গাণিতিক আনুষ্ঠানিকীকরণ

গবেষণাপত্রটি সহযোগিতামূলক PoW-কে একটি মাল্টি-পার্টি কম্পিউটেশন সমস্যা হিসাবে আনুষ্ঠানিকভাবে উপস্থাপনের পরামর্শ দেয়। যদিও সম্পূর্ণ বিস্তারিত নয়, মূল ধাঁধাটি সম্ভবত আদর্শ হ্যাশ লক্ষ্যমাত্রা অনুসারে তৈরি। $ ext{Hash}( ext{Block}_{ ext{proposer}} || ext{nonce}) < T$-এর পরিবর্তে, এটি $n$ অংশগ্রহণকারীর একটি সম্মিলিত ইনপুট জড়িত হতে পারে: $ ext{Hash}( ext{TxSet} || ext{nonce}_1 || ... || ext{nonce}_n || ext{ID}_{ ext{coalition}}) < T$।

কঠিনতা লক্ষ্যমাত্রা $T$ সহযোগিতামূলক ব্লক গঠনের কাঙ্ক্ষিত হারের ভিত্তিতে সামঞ্জস্য করা হয়। "কাজ" এমনভাবে বিতরণ করা হয় যে প্রতিটি অংশগ্রহণকারী $i$ একটি আংশিক নন্স $ ext{nonce}_i$ খোঁজে, এবং সম্মিলিত প্রচেষ্টা লক্ষ্যমাত্রা পূরণ করে। করের জন্য একটি সরল মডেল হতে পারে: $ ext{Tax}_i = rac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$, যেখানে $C$ হল সমাধানকৃত ধাঁধার মোট গণনামূলক ব্যয়, এবং $w_i$ হল অংশগ্রহণকারী $i$ দ্বারা প্রদত্ত প্রমাণযোগ্য কাজ। এটি অবদানের অনুপাতে ব্যয়-ভাগাভাগি নিশ্চিত করে।

8. বিশ্লেষণ কাঠামো ও ধারণাগত উদাহরণ

কাঠামো: সহযোগিতামূলক ঐক্যমত্য খেলা

1. খেলোয়াড়: বাকি থাকা লেনদেন সহ ব্যবহারকারীদের একটি সেট $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$।
2. ক্রিয়া: প্রতিটি খেলোয়াড় চয়ন করতে পারে: (ক) একা কাজ করুন (আদর্শ PoW), (খ) একটি জোট $S \subseteq U$ গঠন করুন/যোগ দিন, (গ) ফ্রি-রাইড করুন (সম্ভব হলে)।
3. লাভ: একটি জোট $S$ এর জন্য যারা তাদের লেনদেন সম্বলিত একটি ব্লক সফলভাবে তৈরি করে:
   • সুবিধা: লেনদেনগুলি নিশ্চিত হয় (ব্যবহারকারী $i$ এর জন্য মান $V_i$)।
   • ব্যয়: প্রদত্ত কাজের ভিত্তিতে প্রদত্ত কর $\text{Tax}_i$।
   • নিট লাভ: $V_i - \text{Tax}_i$।
4. ভারসাম্য ধারণা: সিস্টেমটি এমন একটি অবস্থার লক্ষ্য রাখে যেখানে "গ্র্যান্ড কোয়ালিশন" $U$ (সকল ব্যবহারকারী সহযোগিতা করে) গঠন একটি স্থিতিশীল, দক্ষ ন্যাশ ভারসাম্য, সমস্ত লেনদেন নিশ্চিত করার সময় মোট ব্যয় $\sum \text{Tax}_i$ কমিয়ে আনে।

ধারণাগত উদাহরণ: কল্পনা করুন পাঁচজন ব্যবহারকারী, A থেকে E, প্রত্যেকে একটি লেনদেন পাঠাতে চায়। বিটকয়েনে, তারা ব্রডকাস্ট করে এবং আশা করে একজন মাইনার তাদের অন্তর্ভুক্ত করবে। মাইনাররা প্রতিযোগিতা করে 100 ইউনিট শক্তি ব্যয় করে; বিজয়ী ফি পায়। মোট শক্তি: 100 ইউনিট। সহযোগিতামূলক PoW-তে, A-E একটি দল গঠন করে। তারা পাঁচটি লেনদেন সম্বলিত একটি ব্লকের জন্য একটি ধাঁধা সমাধান করতে সম্মিলিতভাবে 20 ইউনিট শক্তি ব্যয় করে (কোনো প্রতিযোগিতা না থাকায় কম)। তারা প্রত্যেকে মোট 20 ইউনিট কর প্রদান করে (যেমন, প্রত্যেকে 4 ইউনিট)। সংরক্ষিত শক্তি: 80 ইউনিট। দলের জন্য নিশ্চিতকরণ নিশ্চিত, সম্ভাব্যতা-ভিত্তিক নয়।

9. প্রয়োগের সম্ভাবনা ও ভবিষ্যৎ উন্নয়ন

স্বল্পমেয়াদী (পরবর্তী ২-৩ বছর): সবচেয়ে কার্যকর প্রয়োগ হল এন্টারপ্রাইজ/কনসোর্টিয়াম DLT-তে। উদাহরণস্বরূপ, আন্তঃব্যাংক পেমেন্ট নিষ্পত্তিকারী ব্যাংকগুলির একটি দল একটি সহযোগিতামূলক PoW খাতা ব্যবহার করতে পারে। পরিচয় জানা থাকে, সমন্বয় করা যায়, এবং লক্ষ্য হল দক্ষতা ও চূড়ান্ততা—বেনামী অংশগ্রহণ নয়। গবেষণা দক্ষ জোট গঠন অ্যালগরিদম এবং যাচাইযোগ্য অবদান পরিমাপের উপর কেন্দ্রীভূত হবে।

মধ্যমেয়াদী (৩-৫ বছর): বদ্ধ পরিবেশে সফল হলে, এই ধারণাটি হাইব্রিড পাবলিক ব্লকচেইন নকশাগুলিকে অনুপ্রাণিত করতে পারে। একটি পাবলিক চেইনের একটি বেস লেয়ার থাকতে পারে যা ঐতিহ্যবাহী PoW বা PoS ব্যবহার করে, নির্দিষ্ট "সহযোগিতামূলক শার্ড" বা সাইডচেইন সহ যা উচ্চ-থ্রুপুট, কম-ফি অ্যাপ্লিকেশন-নির্দিষ্ট লেনদেনের জন্য (যেমন, মাইক্রো-পেমেন্ট, IoT ডেটা লগিং) এই মডেল ব্যবহার করে।

দীর্ঘমেয়াদী ও মৌলিক গবেষণা: চূড়ান্ত পরীক্ষা হল একটি সম্পূর্ণরূপে বিকেন্দ্রীভূত, অনুমতিবিহীন সংস্করণ নিরাপদ কিনা। এর জন্য বিকেন্দ্রীভূত র্যান্ডম বীকন জেনারেশন (ন্যায্য জোট বরাদ্দের জন্য) এবং গোপনীয়তা বিঘ্নিত না করে ফ্রি-রাইডারদের শাস্তি দেওয়ার ক্রিপ্টোইকোনমিক প্রক্রিয়ায় যুগান্তকারী অগ্রগতির প্রয়োজন। এটি একটি নতুন ক্ষেত্রও খোলে: ঐক্যমত্য প্রক্রিয়া বৈচিত্র্য, যেখানে বিভিন্ন লেনদেনের ধরন বা ব্যবহারকারী গোষ্ঠী একই ইকোসিস্টেমের মধ্যে বিভিন্ন ঐক্যমত্য মডেল (প্রতিযোগিতামূলক, সহযোগিতামূলক, স্টেকড) বেছে নিতে পারে, ঠিক যেমন কম্পিউটার নেটওয়ার্ক বিভিন্ন প্রয়োজনের জন্য বিভিন্ন প্রোটোকল (TCP, UDP) ব্যবহার করে।

10. তথ্যসূত্র

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.