طرح اثبات کار مشارکتی برای پروتکل‌های اجماع توزیع‌شده

فهرست مطالب

1. مقدمه

این مقاله یک اصلاح در طرح استاندارد اثبات کار (PoW) پیشنهاد می‌دهد، که در آن هدف یافتن یک نانس (عدد یکبارمصرف) است به طوری که هش رمزنگاری شده سرایند یک بلوک، هدف سختی مشخصی را برآورده کند (مثلاً با تعدادی صفر شروع شود). نوآوری اصلی، تبدیل اثبات کار از یک مسابقه رقابتی و برنده-همه-چیز-را-می‌برد در میان ماینرها، به یک تلاش مشارکتی است که در آن کاربران می‌توانند قدرت محاسباتی خود را برای اعتبارسنجی تراکنش‌های خود و دستیابی به اجماع بر سر ترتیب تراکنش‌ها تجمیع کنند.

انگیزه اصلی، پرداختن به ناکارآمدی‌های ذاتی و انگیزه‌های معکوس در اثبات کار سنتی است، مانند مصرف انرژی عظیم ناشی از هش‌کردن رقابتی و نیروی متمرکزکننده استخرهای استخراج. با فعال‌سازی همکاری ذاتی، این طرح هدف جایگزینی کارمزدهای تراکنش (پرداختی به ماینرها) با مالیات‌های تراکنش (پرداختی توسط آغازکنندگان تراکنش به عنوان هزینه کار مشارکتی) را دنبال می‌کند و بدین ترتیب انگیزه‌ها را به سمت صرفه‌جویی و اعتبارسنجی جمعی همسو می‌سازد.

2. اجماع

2.1. مسئله اجماع توزیع‌شده

در یک شبکه همتا به همتا بدون مرجع مرکزی، دستیابی به اجماع بر روی یک وضعیت مشترک (مانند یک دفترکل تراکنش) چالش‌برانگیز است. مسئله بنیادی، تأخیر انتشار پیام است. اگر فواصل تراکنش‌ها از نظر آماری طولانی‌تر از زمان انتشار شایعه‌ای شبکه باشد، همتایان می‌توانند با مشاهده یک «مکث» مشترک در ترافیک، به اجماع بالفعل دست یابند. با این حال، در محیط‌های با تراکنش‌های پرتکرار، این روش ساده شکست می‌خورد.

2.2. نقش اثبات کار

اثبات کار به عنوان یک سازوکار محدودکننده نرخ عمل می‌کند. با الزام به حل یک معمای محاسباتی پرهزینه و مبتنی بر نیروی بی‌رویه (مانند یافتن یک هش با شرط $\text{Hash}(\text{data} || \text{nonce}) < \text{Target}$)، یک حد بالایی بر سرعت پیشنهاد بلوک‌های جدید توسط هر همتای منفرد اعمال می‌کند. این امر به طور مصنوعی فرکانس مؤثر تراکنش را به سطحی کاهش می‌دهد که شبکه می‌تواند به طور قابل اطمینانی به اجماع برسد، همان‌طور که در ابتدا در اجماع ناکاموتوی بیت‌کوین مفهوم‌سازی شد.

3. اثبات کار مشارکتی

3.1. صوری‌سازی طرح

مقاله طرحی را صوری‌سازی می‌کند که در آن معمای اثبات کار به یک پیشنهاددهنده بلوک واحد گره نخورده است، بلکه می‌تواند به صورت مشارکتی توسط گروهی از کاربران علاقه‌مند به مجموعه‌ای از تراکنش‌ها حل شود. اجماع بر سر ترتیب این تراکنش‌ها از فرآیند حل مشارکتی خود سرچشمه می‌گیرد، نه اینکه توسط ماینری که اولین راه‌حل را پیدا می‌کند دیکته شود.

3.2. سازوکار کلیدی: از کارمزد به مالیات

مهم‌ترین تغییر اقتصادی، گذار از کارمزد به مالیات است. در اثبات کار سنتی، کاربران برای ترغیب ماینرها کارمزد می‌پردازند. در مدل مشارکتی، کاربران درگیر در یک تراکنش، یک «مالیات» می‌پردازند که سهم آن‌ها از هزینه محاسباتی مورد نیاز برای اثبات کار مشارکتی را نشان می‌دهد. این امر پویایی را از «پرداخت برای خدمات» به «تقسیم هزینه اعتبارسنجی» تبدیل می‌کند و به طور بالقوه هزینه کلی منابع را کاهش می‌دهد.

4. بینش اصلی و جریان منطقی

بینش اصلی: نبوغ مقاله در تشخیص این نکته نهفته است که ارزش اصلی اثبات کار برای اجماع، ویژگی محدودکننده نرخ آن است، نه جنبه قرعه‌کشی رقابتی آن. نویسندگان به درستی قرعه‌کشی رقابتی را منبع اتلاف عظیم (انرژی، مسابقه تسلیحاتی سخت‌افزار) و تمرکزگرایی (استخرهای استخراج) شناسایی می‌کنند. جهش منطقی آن‌ها این پرسش است: «آیا می‌توانیم محدودیت نرخ را حفظ کنیم اما رقابت را کنار بگذاریم؟» طرح مشارکتی پیشنهادی پاسخ این پرسش است—تلاشی عمدی برای مهندسی بخش‌های «خوب» اثبات کار (توزیع‌شده، مقاوم در برابر حمله سیبیل، قابل تنظیم از نظر سختی) در حالی که بخش‌های «بد» آن (رقابت اتلاف‌کننده) به طور جراحی حذف می‌شوند.

جریان منطقی بی‌عیب است: 1) شناسایی مسئله اجماع (تأخیر پیام). 2) پذیرش اثبات کار به عنوان یک راه‌حل محدودکننده نرخ. 3) تشخیص نقص بحرانی اثبات کار (انگیزه عدم همکاری). 4) پیشنهاد یک ساختار انگیزشی جدید (کار مشارکتی که با مالیات پرداخت می‌شود) که عقلانیت فردی را با سلامت شبکه همسو می‌سازد. این تفکر سیستمی در بهترین حالت خود است.

5. نقاط قوت و ضعف

نقاط قوت:

• هم‌ترازی انگیزشی ظریف: گذار از کارمزد به مالیات یک نوآوری اقتصادی عمیق است. این امر مستقیماً به «تراژدی منابع مشترک» در استخراج اثبات کار حمله می‌کند، جایی که ماینرهای منفرد انگیزه دارند انرژی بیشتری از حد بهینه اجتماعی مصرف کنند.
• کاهش تمرکزگرایی: به طور طراحی، منطق اقتصادی استخرهای استخراج را تضعیف می‌کند، که عمدتاً برای هموار کردن واریانس قرعه‌کشی رقابتی وجود دارند. همکاری ذاتی می‌تواند به یک توپولوژی شبکه برابرگراتر و مقاوم‌تر منجر شود.
• پتانسیل برای توان عملیاتی بالاتر: کاهش رقابت برای پاداش بلوک می‌تواند سختی مورد نیاز برای امنیت را کاهش دهد و امکان تراکنش‌های بیشتر در واحد زمان را برای همان سطح کلی قدرت هش‌کردن فراهم کند.

نقاط ضعف و پرسش‌های بحرانی:

• مسئله راه‌اندازی/هماهنگی: کاربران چگونه یکدیگر را برای همکاری پیدا می‌کنند؟ مقاله این موضوع را به سادگی رد می‌کند. در عمل، تشکیل ائتلاف‌های کارآمد و بدون نیاز به اعتماد برای هر مجموعه تراکنش، یک چالش عظیم هماهنگی است که به طور بالقوه نیازمند یک لایه پروتکل پیچیده مختص به خود است—که پیچیدگی و سربار را دوباره معرفی می‌کند.
• امنیت تحت حمله ائتلافی: مدل فرض می‌کند گروه‌های مشارکتی خوش‌خواه هستند. چه چیزی از تشکیل یک ائتلاف بزرگ و مخرب برای خرج دوباره یا سانسور تراکنش‌ها جلوگیری می‌کند؟ تحلیل امنیتی در مقایسه با بررسی دقیق نظریه بازی‌های اثبات کار سنتی که در آثار تحلیل پروتکل ستون فقرات بیت‌کوین یافت می‌شود، سطحی به نظر می‌رسد.
• وصول و اجرای مالیات: اجرای «مالیات» در یک محیط غیرمتمرکز و ناشناس، امری پیش پا افتاده نیست. این امر خطر ایجاد سیستمی را دارد که در آن پرداخت‌کنندگان می‌توانند بر کار مشارکتی دیگران سوار رایگان شوند، یک مسئله کلاسیک انگیزشی که مقاله به دنبال حل آن است اما ممکن است ناخواسته آن را بازتولید کند.

6. بینش‌های عملی و جهت‌های آتی

برای پژوهشگران: این را به عنوان یک پروتکل کامل در نظر نگیرید. آن را به عنوان یک الگوی طراحی در نظر بگیرید. ایده اصلی—تقسیم هزینه مشارکتی برای اجماع—فراتر از اثبات کار مبتنی بر هش قابل اعمال است. ادغام آن با اثبات سهام (PoS) یا اثبات فضا را بررسی کنید. شکاف پژوهشی کلیدی، یک مدل قوی نظریه بازی از تشکیل و پایداری ائتلاف در این محیط جدید است. برای شروع، به کار روی «تعادل نش مقاوم در برابر ائتلاف» مراجعه کنید.

برای توسعه‌دهندگان/شرکت‌ها: این طرح برای شبکه اصلی آماده نیست. با این حال، آن را برای زنجیره‌های بلوکی خصوصی یا کنسرسیومی در نظر بگیرید که هویت مشارکت‌کنندگان مشخص است و هماهنگی آسان‌تر است. وعده صرفه‌جویی در انرژی در اینجا ملموس‌ترین است. یک سیستم پایلوت راه‌اندازی کنید که در آن نهادهای شناخته شده (مانند شرکای زنجیره تأمین) به طور مشارکتی تراکنش‌های مشترک خود را اعتبارسنجی می‌کنند و کاهش سربار محاسباتی را در مقایسه با یک تنظیم استخراج رقابتی سنتی اندازه‌گیری می‌کنند.

برای صنعت: این مقاله یک روایت متقابل حیاتی در جهان پس از ادغام (انتقال اتریوم به اثبات سهام) است. این مقاله استدلال می‌کند که مشکل انرژی اثبات کار ذاتی مفهوم اثبات کار نیست، بلکه مربوط به پیاده‌سازی آن است. با تشدید نظارت مقرراتی بر مصرف انرژی رمزارزها، نوآوری‌هایی مانند اثبات کار مشارکتی به عنوان یک جایگزین بالقوه «اثبات کار سبز» شایسته نگاه تازه‌ای هستند، به ویژه برای شبکه‌هایی که مفروضات اعتماد فیزیکی اثبات سهام در آن‌ها نامطلوب است.

7. جزئیات فنی و صوری‌سازی ریاضی

مقاله پیشنهاد می‌کند که اثبات کار مشارکتی به عنوان یک مسئله محاسبات چندطرفه صوری‌سازی شود. اگرچه به طور کامل جزئیات داده نشده است، اما معمای اصلی احتمالاً هدف هش استاندارد را تطبیق می‌دهد. به جای $\text{Hash}(\text{Block}_{\text{proposer}} || \text{nonce}) < T$، ممکن است شامل یک ورودی ترکیبی از $n$ مشارکت‌کننده باشد: $\text{Hash}(\text{TxSet} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{ID}_{\text{coalition}}) < T$.

هدف سختی $T$ بر اساس نرخ مطلوب تشکیل بلوک مشارکتی تنظیم می‌شود. «کار» به گونه‌ای توزیع می‌شود که هر مشارکت‌کننده $i$ به دنبال یک نانس جزئی $\text{nonce}_i$ می‌گردد و تلاش ترکیبی هدف را برآورده می‌کند. یک مدل ساده برای مالیات می‌تواند این باشد: $\text{Tax}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$، که در آن $C$ کل هزینه محاسباتی معمای حل‌شده است و $w_i$ کار قابل اثبات ارائه شده توسط مشارکت‌کننده $i$ است. این امر تقسیم هزینه متناسب با مشارکت را تضمین می‌کند.

8. چارچوب تحلیلی و مثال مفهومی

چارچوب: بازی اجماع مشارکتی

1. بازیکنان: مجموعه‌ای از کاربران $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ با تراکنش‌های در انتظار.
2. کنش‌ها: هر بازیکن می‌تواند انتخاب کند: (الف) به تنهایی کار کند (اثبات کار استاندارد)، (ب) یک ائتلاف $S \subseteq U$ تشکیل دهد/به آن بپیوندد، (ج) سوار رایگان شود (در صورت امکان).
3. پرداخت‌ها: برای یک ائتلاف $S$ که با موفقیت یک بلوک حاوی تراکنش‌های آن‌ها ایجاد می‌کند:
   • منفعت: تراکنش‌ها تأیید می‌شوند (ارزش $V_i$ برای کاربر $i$).
   • هزینه: مالیات پرداختی $\text{Tax}_i$ بر اساس کار ارائه شده.
   • پرداخت خالص: $V_i - \text{Tax}_i$.
4. مفهوم تعادل: سیستم هدف دستیابی به حالتی را دارد که تشکیل «ائتلاف بزرگ» $U$ (همکاری همه کاربران) یک تعادل نش پایدار و کارآمد باشد، که هزینه کل $\sum \text{Tax}_i$ را در حالی که همه تراکنش‌ها تأیید می‌شوند، به حداقل می‌رساند.

مثال مفهومی: تصور کنید پنج کاربر، A تا E، هر کدام می‌خواهند یک تراکنش ارسال کنند. در بیت‌کوین، آن‌ها تراکنش را پخش می‌کنند و امیدوارند یک ماینر آن‌ها را شامل شود. ماینرها 100 واحد انرژی برای رقابت مصرف می‌کنند؛ برنده کارمزدها را دریافت می‌کند. کل انرژی: 100 واحد. در اثبات کار مشارکتی، A-E یک گروه تشکیل می‌دهند. آن‌ها به طور جمعی 20 واحد انرژی مصرف می‌کنند (کمتر به دلیل عدم رقابت) تا یک معما را برای یک بلوک حاوی هر پنج تراکنش حل کنند. هر کدام مالیاتی می‌پردازند که در مجموع 20 واحد است (مثلاً هر کدام 4 واحد). انرژی ذخیره‌شده: 80 واحد. تأیید برای گروه تضمین شده است، نه احتمالی.

9. چشم‌انداز کاربرد و توسعه آتی

کوتاه‌مدت (2 تا 3 سال آینده): قابل‌اجراترین کاربرد در DLTهای شرکتی/کنسرسیومی است. به عنوان مثال، گروهی از بانک‌ها برای تسویه پرداخت‌های بین‌بانکی می‌توانند از یک دفترکل اثبات کار مشارکتی استفاده کنند. هویت مشخص است، هماهنگی قابل مدیریت است و هدف کارایی و قطعیت است—نه مشارکت ناشناس. پژوهش بر روی الگوریتم‌های کارآمد تشکیل ائتلاف و اندازه‌گیری مشارکت قابل تأیید متمرکز خواهد شد.

میان‌مدت (3 تا 5 سال): در صورت موفقیت در محیط‌های بسته، این مفهوم ممکن است الهام‌بخش طراحی‌های ترکیبی زنجیره بلوکی عمومی شود. یک زنجیره عمومی ممکن است یک لایه پایه با استفاده از اثبات کار یا اثبات سهام سنتی داشته باشد، با «شاردهای مشارکتی» یا زنجیره‌های جانبی خاص که از این مدل برای تراکنش‌های پرتکرار و کم‌کارمزد مختص برنامه (مانند پرداخت‌های خرد، ثبت داده‌های اینترنت اشیاء) استفاده می‌کنند.

بلندمدت و پژوهش بنیادی: آزمون نهایی این است که آیا یک نسخه کاملاً غیرمتمرکز و بدون نیاز به مجوز می‌تواند امن باشد. این امر نیازمند پیشرفت‌هایی در تولید پرتو تصادفی غیرمتمرکز (برای تخصیص منصفانه ائتلاف) و سازوکارهای رمزاقتصادی برای مجازات سواران رایگان بدون به خطر انداختن حریم خصوصی است. همچنین زمینه جدیدی را باز می‌کند: تنوع سازوکار اجماع، که در آن انواع مختلف تراکنش‌ها یا گروه‌های کاربری می‌توانند در همان اکوسیستم، مدل‌های اجماع مختلف (رقابتی، مشارکتی، مبتنی بر سهام) را انتخاب کنند، مشابه نحوه‌ای که شبکه‌های کامپیوتری از پروتکل‌های مختلف (TCP، UDP) برای نیازهای مختلف استفاده می‌کنند.

10. منابع

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.