वितरित सहमति प्रोटोकॉल के लिए एक सहकारी प्रूफ-ऑफ-वर्क योजना

विषय सूची

1. परिचय

यह शोध पत्र मानक प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoW) योजना में एक परिष्कार प्रस्तावित करता है, जिसका लक्ष्य एक ऐसे नॉन्स (nonce) की खोज करना है कि ब्लॉक हैडर का क्रिप्टोग्राफ़िक हैश एक निश्चित कठिनाई लक्ष्य को पूरा करे (जैसे, कई शून्यों से शुरू हो)। मूल नवाचार यह है कि PoW को खनिकों के बीच एक प्रतिस्पर्धी, विजेता-सब-कुछ-ले-जाए दौड़ से एक सहकारी प्रयास में बदल दिया जाता है, जहाँ उपयोगकर्ता अपने स्वयं के लेन-देन को मान्य करने और लेन-देन क्रम पर सहमति प्राप्त करने के लिए कम्प्यूटेशनल प्रयासों को संयोजित कर सकते हैं।

प्राथमिक प्रेरणा पारंपरिक PoW में निहित अक्षमताओं और विपरीत प्रोत्साहनों, जैसे कि प्रतिस्पर्धी हैशिंग से होने वाली भारी ऊर्जा खपत और खनन पूलों के केंद्रीकरण बल, का समाधान करना है। स्वाभाविक सहयोग को सक्षम करके, यह योजना लेन-देन शुल्क (खनिकों को भुगतान) को लेन-देन कर (सहकारी कार्य की लागत के रूप में लेन-देन प्रारंभकर्ताओं द्वारा भुगतान) से प्रतिस्थापित करने का लक्ष्य रखती है, जिससे प्रोत्साहन मितव्ययिता और सामूहिक सत्यापन की ओर संरेखित हो जाते हैं।

2. सहमति

2.1. वितरित सहमति समस्या

किसी केंद्रीय प्राधिकरण के बिना एक पीयर-टू-पीयर नेटवर्क में, साझा स्थिति (जैसे लेन-देन खाता बही) पर सहमति प्राप्त करना चुनौतीपूर्ण है। मूलभूत समस्या संदेश प्रसार विलंब है। यदि लेन-देन अंतराल सांख्यिकीय रूप से नेटवर्क के गॉसिप प्रसार समय से अधिक लंबे हैं, तो पीयर ट्रैफ़िक में एक साझा "विराम" का अवलोकन करके वास्तविक सहमति प्राप्त कर सकते हैं। हालाँकि, उच्च-आवृत्ति लेन-देन वातावरण में, यह सरल विधि विफल हो जाती है।

2.2. प्रूफ-ऑफ-वर्क की भूमिका

प्रूफ-ऑफ-वर्क एक दर-सीमित करने वाला तंत्र के रूप में कार्य करता है। एक कम्प्यूटेशनल रूप से महँगी, ब्रूट-फ़ोर्स पहेली (जैसे, $\text{Hash}(\text{data} || \text{nonce}) < \text{Target}$ वाले हैश की खोज) के समाधान की आवश्यकता करके, यह एक ऊपरी सीमा लगाता है कि कोई भी एकल पीयर कितनी तेज़ी से नए ब्लॉक प्रस्तावित कर सकता है। यह कृत्रिम रूप से प्रभावी लेन-देन आवृत्ति को एक ऐसे स्तर तक कम कर देता है जहाँ नेटवर्क विश्वसनीय रूप से सहमति प्राप्त कर सकता है, जैसा कि मूल रूप से बिटकॉइन के नाकामोटो सहमति में संकल्पना बनाई गई थी।

3. सहकारी प्रूफ-ऑफ-वर्क

3.1. योजना का औपचारिकीकरण

यह पत्र एक ऐसी योजना का औपचारिकीकरण करता है जहाँ प्रूफ-ऑफ-वर्क पहेली किसी एकल ब्लॉक प्रस्तावक से नहीं बल्कि लेन-देन के एक समुच्चय में रुचि रखने वाले उपयोगकर्ताओं के समूह द्वारा सहयोगात्मक रूप से हल की जा सकती है। इन लेन-देनों के क्रम पर सहमति सहकारी समाधान प्रक्रिया से ही उत्पन्न होती है, न कि सबसे पहले समाधान खोजने वाले खनिक द्वारा निर्धारित की जाती है।

3.2. मुख्य तंत्र: शुल्क से कर की ओर

सबसे महत्वपूर्ण आर्थिक परिवर्तन शुल्क से कर की ओर है। पारंपरिक PoW में, उपयोगकर्ता खनिकों को प्रोत्साहित करने के लिए शुल्क का भुगतान करते हैं। सहकारी मॉडल में, लेन-देन में संलग्न उपयोगकर्ता एक "कर" का भुगतान करते हैं जो सहकारी प्रूफ-ऑफ-वर्क के लिए आवश्यक कम्प्यूटेशनल लागत में उनके हिस्से का प्रतिनिधित्व करता है। यह गतिशीलता को "सेवा के लिए भुगतान" से "सत्यापन की लागत साझा करने" में बदल देता है, जिससे समग्र संसाधन व्यय संभावित रूप से कम हो सकता है।

4. मूल अंतर्दृष्टि एवं तार्किक प्रवाह

मूल अंतर्दृष्टि: इस पत्र की प्रतिभा इस बात को पहचानने में निहित है कि सहमति के लिए PoW का प्राथमिक मूल्य उसका दर-सीमित गुण है, न कि उसका प्रतिस्पर्धी लॉटरी पहलू। लेखक प्रतिस्पर्धी लॉटरी को भारी बर्बादी (ऊर्जा, हार्डवेयर होड़) और केंद्रीकरण (खनन पूल) के स्रोत के रूप में सही ढंग से पहचानते हैं। उनकी तार्किक छलांग यह प्रश्न पूछना है: "क्या हम दर-सीमित करने वाले गुण को बनाए रख सकते हैं लेकिन प्रतिस्पर्धा को छोड़ सकते हैं?" प्रस्तावित सहकारी योजना इसका उत्तर है—यह PoW के "अच्छे" भागों (विकेंद्रीकृत, सिबिल-प्रतिरोधी, कठिनाई-समायोज्य) को इंजीनियर करने का एक सोचा-समझा प्रयास है, जबकि "बुरे" (अपव्ययी प्रतिस्पर्धा) को सर्जिकल रूप से हटा दिया गया है।

तार्किक प्रवाह निर्दोष है: 1) सहमति समस्या (संदेश विलंब) की पहचान करना। 2) PoW को एक दर-सीमित समाधान के रूप में स्वीकार करना। 3) PoW के गंभीर दोष (प्रोत्साहित गैर-सहयोग) का निदान करना। 4) एक नई प्रोत्साहन संरचना (कर द्वारा भुगतान किया गया सहकारी कार्य) प्रस्तावित करना जो व्यक्तिगत तर्कसंगतता को नेटवर्क स्वास्थ्य के साथ संरेखित करती है। यह अपने सर्वोत्तम रूप में सिस्टम्स थिंकिंग है।

5. शक्तियाँ एवं दोष

शक्तियाँ:

• सुंदर प्रोत्साहन पुनःसंरेखण: शुल्क से कर की ओर स्थानांतरण एक गहन आर्थिक नवाचार है। यह सीधे PoW खनन में "सामान्य संसाधनों की त्रासदी" पर हमला करता है, जहाँ व्यक्तिगत खनिकों को सामाजिक रूप से इष्टतम से अधिक ऊर्जा खपत करने के लिए प्रोत्साहित किया जाता है।
• केंद्रीकरण को कम करता है: डिज़ाइन के अनुसार, यह खनन पूलों के आर्थिक तर्क को कमज़ोर करता है, जो मुख्य रूप से प्रतिस्पर्धी लॉटरी के विचरण को समतल करने के लिए मौजूद होते हैं। स्वाभाविक सहयोग एक अधिक समतावादी और लचीला नेटवर्क टोपोलॉजी की ओर ले जा सकता है।
• उच्च थ्रूपुट की संभावना: ब्लॉक पुरस्कारों के लिए कम प्रतिस्पर्धा सुरक्षा के लिए आवश्यक कठिनाई को कम कर सकती है, जिससे समग्र हैशिंग शक्ति के समान स्तर के लिए प्रति इकाई समय में अधिक लेन-देन की अनुमति मिलती है।

दोष एवं गंभीर प्रश्न:

• बूटस्ट्रैपिंग/समन्वय समस्या: उपयोगकर्ता सहयोग के लिए एक-दूसरे को कैसे ढूंढते हैं? पत्र इस पर सतही विचार करता है। व्यवहार में, प्रत्येक लेन-देन समुच्चय के लिए कुशल, ट्रस्टलेस गठबंधन बनाना एक बड़ी समन्वय चुनौती है, जिसके लिए संभवतः अपनी स्वयं की जटिल प्रोटोकॉल परत की आवश्यकता होती है—जटिलता और ओवरहेड को पुनः प्रस्तुत करती है।
• गठबंधन हमले के अंतर्गत सुरक्षा: मॉडल यह मानता है कि सहकारी समूह शांतिपूर्ण हैं। क्या एक बड़े, दुर्भावनापूर्ण गठबंधन को डबल-स्पेंडिंग या लेन-देन को सेंसर करने से रोकता है? सुरक्षा विश्लेषण बिटकॉइन बैकबोन प्रोटोकॉल विश्लेषण जैसे कार्यों में पाए जाने वाले पारंपरिक PoW के कठोर गेम-थ्योरेटिक उपचार की तुलना में सतही लगता है।
• कर संग्रह एवं प्रवर्तन: एक विकेंद्रीकृत, गुमनाम सेटिंग में "कर" को लागू करना तुच्छ नहीं है। इससे एक ऐसी प्रणाली बनने का जोखिम है जहाँ गैर-भुगतानकर्ता दूसरों के सहकारी कार्य पर मुफ्त में सवारी कर सकते हैं, यह एक क्लासिक प्रोत्साहन समस्या है जिसे यह पत्र हल करना चाहता है लेकिन अनजाने में पुनः सृजित कर सकता है।

6. क्रियान्वयन योग्य अंतर्दृष्टि एवं भविष्य की दिशाएँ

शोधकर्ताओं के लिए: इसे एक समाप्त प्रोटोकॉल के रूप में नहीं, बल्कि एक डिज़ाइन प्रतिमान के रूप में लें। मूल विचार—सहमति के लिए सहकारी लागत-साझाकरण—हैश-आधारित PoW से परे लागू होता है। प्रूफ-ऑफ-स्टेक (PoS) या प्रूफ-ऑफ-स्पेस के साथ इसके एकीकरण का अन्वेषण करें। मुख्य शोध अंतर इस नई सेटिंग में गठबंधन गठन और स्थिरता का एक मजबूत, गेम-थ्योरेटिक मॉडल है। प्रारंभिक बिंदु के लिए "कोएलिशन-प्रूफ नैश इक्विलिब्रियम" पर कार्य का संदर्भ लें।

विकासकर्ताओं/उद्यमों के लिए: यह मुख्य नेटवर्क (Mainnet) के लिए तैयार नहीं है। हालाँकि, निजी या कंसोर्टियम ब्लॉकचेन के लिए इस पर विचार करें जहाँ प्रतिभागी पहचान ज्ञात हो और समन्वय आसान हो। ऊर्जा-बचत का वादा यहाँ सबसे मूर्त है। एक ऐसी प्रणाली का पायलट चलाएँ जहाँ ज्ञात संस्थाएँ (जैसे, आपूर्ति श्रृंखला भागीदार) अपने साझा लेन-देनों का सहकारी रूप से सत्यापन करें, पारंपरिक प्रतिस्पर्धी खनन सेटअप की तुलना में कम्प्यूटेशनल ओवरहेड में कमी को मापें।

उद्योग के लिए: यह पत्र पोस्ट-मर्ज (एथेरियम का PoS की ओर बढ़ना) दुनिया में एक महत्वपूर्ण प्रतिवाद है। यह तर्क देता है कि PoW की ऊर्जा समस्या प्रूफ-ऑफ-वर्क अवधारणा के लिए नहीं, बल्कि उसके कार्यान्वयन के लिए निहित है। क्रिप्टो की ऊर्जा उपयोग पर नियामक जाँच तीव्र होने के साथ, सहकारी PoW जैसे नवाचार एक संभावित "हरित PoW" विकल्प के रूप में, विशेष रूप से उन नेटवर्कों के लिए जहाँ PoS की भौतिक विश्वास धारणाएँ अवांछनीय हैं, एक ताज़ा नज़र के योग्य हैं।

7. तकनीकी विवरण एवं गणितीय औपचारिकीकरण

यह पत्र सहकारी PoW को एक बहु-पक्षीय कम्प्यूटेशन समस्या के रूप में औपचारिक रूप देने का सुझाव देता है। हालाँकि पूरी तरह से विस्तृत नहीं है, मूल पहेली संभवतः मानक हैश लक्ष्य को अनुकूलित करती है। $\text{Hash}(\text{Block}_{\text{proposer}} || \text{nonce}) < T$ के बजाय, इसमें $n$ प्रतिभागियों से संयुक्त इनपुट शामिल हो सकता है: $\text{Hash}(\text{TxSet} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{ID}_{\text{coalition}}) < T$।

कठिनाई लक्ष्य $T$ को सहकारी ब्लॉक गठन की वांछित दर के आधार पर समायोजित किया जाता है। "कार्य" इस प्रकार वितरित किया जाता है कि प्रत्येक प्रतिभागी $i$ एक आंशिक नॉन्स $\text{nonce}_i$ की खोज करता है, और संयुक्त प्रयास लक्ष्य को पूरा करता है। कर के लिए एक सरल मॉडल हो सकता है: $\text{Tax}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$, जहाँ $C$ हल की गई पहेली की कुल कम्प्यूटेशनल लागत है, और $w_i$ प्रतिभागी $i$ द्वारा योगदान किया गया सिद्ध कार्य है। यह योगदान के अनुपात में लागत-साझाकरण सुनिश्चित करता है।

8. विश्लेषण ढाँचा एवं संकल्पनात्मक उदाहरण

ढाँचा: सहकारी सहमति खेल

1. खिलाड़ी: लंबित लेन-देन वाले उपयोगकर्ताओं का एक समुच्चय $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$।
2. क्रियाएँ: प्रत्येक खिलाड़ी चुन सकता है: (a) अकेले कार्य करना (मानक PoW), (b) एक गठबंधन $S \subseteq U$ बनाना/शामिल होना, (c) मुफ्त सवारी करना (यदि संभव हो)।
3. प्रतिफल: एक गठबंधन $S$ के लिए जो अपने लेन-देन वाला एक ब्लॉक सफलतापूर्वक बनाता है:
   • लाभ: लेन-देन पुष्टि हो जाते हैं (उपयोगकर्ता $i$ के लिए मूल्य $V_i$)।
   • लागत: किए गए कार्य के आधार पर भुगतान किया गया कर $\text{Tax}_i$।
   • शुद्ध प्रतिफल: $V_i - \text{Tax}_i$।
4. संतुलन अवधारणा: प्रणाली एक ऐसी स्थिति का लक्ष्य रखती है जहाँ "महान गठबंधन" $U$ (सभी उपयोगकर्ता सहयोग करते हैं) का गठन एक स्थिर, कुशल नैश संतुलन है, जो सभी लेन-देनों की पुष्टि करते हुए कुल लागत $\sum \text{Tax}_i$ को न्यूनतम करता है।

संकल्पनात्मक उदाहरण: कल्पना कीजिए पाँच उपयोगकर्ता, A से E तक, प्रत्येक एक लेन-देन भेजना चाहता है। बिटकॉइन में, वे प्रसारित करते हैं और आशा करते हैं कि एक खनिक उन्हें शामिल करेगा। खनिक प्रतिस्पर्धा करते हुए 100 इकाई ऊर्जा व्यय करते हैं; विजेता को शुल्क मिलता है। कुल ऊर्जा: 100 इकाई। सहकारी PoW में, A-E एक समूह बनाते हैं। वे सामूहिक रूप से 20 इकाई ऊर्जा (प्रतिस्पर्धा के अभाव में कम) व्यय करते हैं ताकि सभी पाँच लेन-देन वाले एक ब्लॉक के लिए पहेली हल कर सकें। वे प्रत्येक 20 इकाई का कुल कर (जैसे, प्रत्येक 4 इकाई) का भुगतान करते हैं। बचाई गई ऊर्जा: 80 इकाई। समूह के लिए पुष्टि की गारंटी है, संभाव्य नहीं।

9. अनुप्रयोग संभावना एवं भविष्य का विकास

अल्पकालिक (अगले 2-3 वर्ष): सबसे व्यवहार्य अनुप्रयोग उद्यम/कंसोर्टियम DLTs में है। उदाहरण के लिए, अंतरबैंक भुगतानों का निपटान करने वाले बैंकों का एक समूह एक सहकारी PoW खाता बही का उपयोग कर सकता है। पहचान ज्ञात है, समन्वय प्रबंधनीय है, और लक्ष्य दक्षता और अंतिमता है—गुमनाम भागीदारी नहीं। शोध कुशल गठबंधन गठन एल्गोरिदम और सत्यापन योग्य योगदान माप पर केंद्रित होगा।

मध्यम अवधि (3-5 वर्ष): यदि बंद वातावरण में सफल होता है, तो यह अवधारणा संकर सार्वजनिक ब्लॉकचेन डिज़ाइन को प्रेरित कर सकती है। एक सार्वजनिक श्रृंखला में पारंपरिक PoW या PoS का उपयोग करने वाली एक आधार परत हो सकती है, जिसमें विशिष्ट "सहकारी शार्ड" या साइडचेन हों जो उच्च-थ्रूपुट, कम-शुल्क अनुप्रयोग-विशिष्ट लेन-देन (जैसे, माइक्रो-पेमेंट्स, IoT डेटा लॉगिंग) के लिए इस मॉडल का उपयोग करते हैं।

दीर्घकालिक एवं मौलिक शोध: अंतिम परीक्षण यह है कि क्या एक पूर्णतः विकेंद्रीकृत, अनुमतिहीन संस्करण सुरक्षित हो सकता है। इसके लिए विकेंद्रीकृत यादृच्छिक बीकन जनरेशन (निष्पक्ष गठबंधन असाइनमेंट के लिए) और गोपनीयता से समझौता किए बिना मुफ्त सवारों को दंडित करने के लिए क्रिप्टोइकोनॉमिक तंत्रों में सफलता की आवश्यकता है। यह एक नया क्षेत्र भी खोलता है: सहमति तंत्र विविधता, जहाँ विभिन्न लेन-देन प्रकार या उपयोगकर्ता समूह एक ही पारिस्थितिकी तंत्र के भीतर विभिन्न सहमति मॉडल (प्रतिस्पर्धी, सहकारी, स्टेक्ड) में शामिल हो सकते हैं, उसी तरह जैसे कंप्यूटर नेटवर्क विभिन्न आवश्यकताओं के लिए विभिन्न प्रोटोकॉल (TCP, UDP) का उपयोग करते हैं।

10. संदर्भ

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