اجماع ناکاموتوی بیتکوین که توسط اثبات کار متوالی ایمن شده است، اعتماد غیرمتمرکز را متحول کرد اما قطعیت احتمالی را معرفی کرد. امنیت پذیرش یک تراکنش مجانبی است — تنها پس از انتظار برای تأییدهای چندگانه بلوک، "به اندازه کافی ایمن" میشود. این عدم قطعیت، علت ریشهای حملات دوبار خرج کردن و استراتژیهای استخراج خودخواهانه است. در حالی که کار اخیر لی و همکاران (AFT '21) ارائه داد concrete برای مدل بیتکوین، یک پرسش اساسی باقی مانده بود: آیا طراحیهای غیرمتوالی اثبات کار میتوانند امنیتی برتر و قابلاندازهگیری ارائه دهند؟
این مقاله توسط کلر و بوهمه مستقیماً به چالش کشیدن پارادایم متوالی میپردازد. این مقاله خانوادهای جدید از پروتکلهای تکثیر حالت مبتنی بر اثبات کار موازی, که در آن هر بلوک توسط $k$ معمای رمزنگاری مستقل که به طور همزمان حل میشوند، ایمن میشود، نه یک زنجیره از معماهای وابسته. مشارکت اصلی یک طراحی از پایین به بالا از یک زیرپروتکل توافق قوی است که امکان استخراج کرانهای بالایی مشخص و قابل محاسبه برای احتمال شکست پروتکل تحت شرایط مخرب در شبکههای همگامساز را فراهم میکند.
اثبات کار موازی میتواند امکانپذیر کند قطعیت بهروزرسانی وضعیت پس از یک تأیید بلوک با احتمال شکست محدود و بهطور قابل قبول پایین، به طور مؤثر خطر دوبار خرج کردن را برای بسیاری از کاربردها بدون زمانهای انتظار طولانی حذف میکند.
طراحی پروتکل نشاندهنده یک انحراف اصولی از پیشنهادهای اکتشافی PoW موازی (مانند Bobtail) است.
تغییر بنیادین از یک زنجیره خطی به یک گراف جهتدار غیرمدور (DAG) از وابستگیهای معمّا در سطح بلوک است.
هسته این ساختار پروتکل $A_k$ است که در مورد یک بهروزرسانی وضعیت واحد به توافق میرسد. این پروتکل در یک مدل شبکه همگام با حداکثر تاخیر پیام شناخته شده $\Delta$ عمل میکند. گرههای صادق کسری معادل $\beta$ از کل قدرت محاسباتی را کنترل میکنند، در حالی که یک مهاجم بیزانسی $\alpha = 1 - \beta$ را کنترل میکند.
$A_k$ در دورها پیش میرود. در هر دور، گرهها سعی میکنند $k$ پازل را حل کنند. توافق بر روی یک مقدار پیشنهادی (مثلاً یک بلوک) زمانی حاصل میشود که یک گره صادق تعداد کافی از راهحلهای پازل ($\geq$ یک آستانه $t$) را برای آن مقدار در یک پنجره زمانی خاص که از $\Delta$ و سختی پازل مشتق شده است، مشاهده کند. پارامترهای $k$ و $t$ اهرمهای حیاتی برای تنظیم امنیت و تاخیر هستند.
دستاورد تحلیلی کلیدی مقاله، محدود کردن احتمال شکست $A_k$ است (یعنی گرههای صادق در مورد مقدار توافقشده اختلاف نظر پیدا میکنند). شکست میتواند رخ دهد اگر مهاجم، از طریق یک جهش قدرت محاسباتی یا دستکاری تأخیر شبکه، بتواند مجموعهای رقابتی از راهحلهای پازل ایجاد کند که منجر به ایجاد یک دیدگاه تقسیمشده شود.
این کران به عنوان تابعی از: $\alpha$ (قدرت مهاجم)، $k$ (پازلها در هر بلوک)، $t$ (آستانه توافق)، $\Delta$ (تأخیر شبکه) و پارامتر دشواری پازل بیان میشود. تحلیل از استدلال احتمالی در مورد فرآیندهای پواسون برای حل پازل و زمانبندی بدترین حالت اقدامات مهاجم استفاده میکند. با تکرار $A_k$، این کران به کل پروتکل تکثیر حالت گسترش مییابد.
چارچوب نظری از طریق بهینهسازی پارامتر و شبیهسازی تأیید میشود.
این مقاله یک نمونه پروتکل با $k=51$ معمّا/بلوک ارائه میدهد که فاصله زمانی مورد انتظار ۱۰ دقیقهای بیتکوین را حفظ میکند. تحت فرضیات محافظهکارانه (قدرت مهاجم ۲۵٪، $\Delta=2s$)، این پروتکل پس از یک بلوک، سازگاری را با احتمال شکست $2.2 \times 10^{-4}$تضمین میکند. این بدان معناست که یک مهاجم که سعی در برگرداندن یک بلوک تأییدشده دارد، برای یک موفقیت منفرد باید معادل کار هزاران بلوک را صرف کند. این امر قطعیت عملی برای پرداختها را پس از یک تأیید واحد ممکن میسازد.
تضاد با اثبات کار ترتیبی آشکار است. پیکربندی "بهینه" ترتیبی برای قطعیت سریع—یک "بیتکوین سریع" با نرخ 7 بلوک در دقیقه—دارای احتمال شکست 9٪ تحت شرایط یکسان (مهاجم 25%، تأخیر 2 ثانیه). یک مهاجم تقریباً هر 2 ساعت موفق خواهد شد، که پرداختهای مبتنی بر تأیید واحد را بسیار پرخطر میکند. اثبات کار موازی این نرخ شکست را بیش از دو مرتبه قدر کاهش میدهد.
توضیح نمودار (ضمنی): یک نمودار دو محوری نشان میدهد: 1) احتمال شکست (مقیاس لگاریتمی) در مقابل قدرت مهاجم $\alpha$، که منحنیهای موازی ($k=51$) و سریع متوالی را مقایسه میکند. منحنی موازی همچنان مرتبهای قدر پایینتر باقی میماند. 2) زمان تا قطعیت (بلوکها)، که پروتکل موازی را در 1 بلوک و پروتکل متوالی را برای امنیتی قابل مقایسه نیازمند 6+ بلوک نشان میدهد.
شبیهسازیها نشان میدهند که پروتکل حتی زمانی که مدل شبکه همگام نظری تا حدی نقض میشود (مانند تأخیرهای گاهبهگاه طولانیتر) همچنان مقاوم باقی میماند. ماهیت آماری نیاز به چندین ($k$) راهحل مستقل، انعطافپذیری ذاتی فراهم میکند، زیرا یک مهاجم نمیتواند به راحتی همه انتشارهای راهحل را به طور همزمان مختل کند.
بینش اصلی: این مقاله با موفقیت مسئله امنیت بلاکچین را از یک رقابت مبتنی بر زنجیره به یک اجماع آستانه آماری مشکل. پیشرفت واقعی فقط موازیسازی نیست—بلکه شناسایی رسمی این است که الزام به دستآوردن حد نصاب (کوئوروم) از اثباتهای محاسباتی مستقل (k معما) در یک بازه زمانی محدود، امکان مدلسازی احتمالی مستقیم از بدترین حالت حملات را فراهم میکند. این مشابه حرکت از قضاوت یک مسابقه بر اساس پیشتازی یک دونفر، به الزام تأیید همزمان نتیجه توسط اکثریت داوران مستقل است. کار Li و همکارانش در مورد حدود عینی برای بیتکوین، پیشنیاز ضروری بود و ثابت کرد چنین تحلیلی ممکن است. سپس Keller و Böhme سوال درست بعدی را پرسیدند: اگر بتوانیم یک زنجیره را محدود کنیم، آیا میتوانیم یک اولیه بهتر طراحی کنیم که به حد تنگتری منجر شود؟ این تحول در سایر زمینهها را منعکس میکند، مانند تغییر از متمایزکنندههای تکی در GANهای اولیه به متمایزکنندههای چندمقیاسی در مدلهایی مانند Pix2Pix یا CycleGAN برای بهبود پایداری و وفاداری.
جریان منطقی: استدلال بهشیوایی ساخته شده است: 1) شناسایی محدودیت: قطعیت احتمالی Sequential PoW ذاتی است و منجر به عدم قطعیت قابل بهرهبرداری میشود. 2) ارائه یک Primitive جدید: جایگزینی پیوند زنجیره تک-معما با یک بلوک چند-معما. 3) ساخت از اصول اولیه: یک پروتکل توافق یکمرحلهای ($A_k$) برای این ابتکار جدید طراحی کنید. 4) کمّیسازی دقیق: احتمال شکست مشخص $A_k$ را تحت یک مدل دشمن استاندارد استخراج کنید. 5) مقیاسگذاری و مقایسه: نشان دهید که چگونه تکرار $A_k$ یک دفترکل کامل ایجاد میکند و برتری قاطع آن را نسبت به خط پایه ترتیبی بهینهشده اثبات کنید. منطق آن کاملاً مستحکم است و از کلیگوییهایی که پیشنهادهای موازی قبلی را آزار میداد، اجتناب میکند.
نقاط قوت:
Flaws & Open Questions:
بینشهای کاربردی:
هسته استخراج کران مشخص بر مدلسازی فرآیند حل معما به عنوان یک فرآیند پواسون با نرخ λ = 1/D استوار است، که در آن D زمان مورد انتظار برای حل یک معما است. گرههای صادق نرخ ترکیبی λ_h = β · k / D را دارند و مهاجم نرخ λ_a = α · k / D را برای حل معماها برای یک بلوک رقیب خاص دارد.
رویداد شکست پروتکل A_k در یک پنجره زمانی بحرانی به طول L تحلیل میشود که تابعی از Δ و دورههای انتظار پروتکل است. احتمال اینکه مهاجم بتواند حداقل t راهحل در این پنجره تولید کند در حالی که شبکه صادق کمتر از t راهحل برای بلوک صادق تولید میکند، با استفاده از نامساویهای دنباله برای توزیعهای پواسون (مانند کرانهای چرنوف) محدود میشود.
کران بالای حاصل برای احتمال شکست $\epsilon$ شکلی به خود میگیرد که یادآور این است:
سناریو: یک صرافی دارایی دیجیتال میخواهد تصمیم بگیرد که آیا سپردهها را پس از 1 تأیید در یک بلاکچین جدید PoW موازی اعتبار دهد یا نیاز به 6 تأیید در یک زنجیره سنتی سبک Bitcoin داشته باشد.
کاربرد چارچوب:
کاربردهای فوری:
جهتهای پژوهشی: