Bitcoin's Nakamoto consensus, while revolutionary, introduced a fundamental tension between समावेशिता (किसी भी प्रतिभागी को शामिल होने की अनुमति देते हुए) और सुरक्षा (दुर्भावनापूर्ण अभिकर्ताओं को नेटवर्क को नियंत्रित करने से रोकना)। यह संघर्ष इसकी कमी में प्रकट होता है अंतिमता—लेन-देन की अपरिवर्तनीय पुष्टि। Bitcoin जैसी पारंपरिक प्रूफ-ऑफ-वर्क (PoW) ब्लॉकचेन केवल संभाव्यात्मक अंतिम स्थिरता प्रदान करती हैं, जहां किसी लेन-देन की पुष्टि समय के साथ अधिक निश्चित होती जाती है लेकिन कभी भी पूर्ण रूप से अंतिम नहीं होती। यह सीमा उच्च-मूल्य, समय-संवेदी अनुप्रयोगों के लिए उनके उपयोग में बाधा डालती है।
HotPoW इस मूल मुद्दे का समाधान करता है। यह एक नवीन सेतु प्रस्तावित करता है Nakamoto-style consensus (अनुमतिहीन, PoW-आधारित) और बाइज़ेंटाइन फॉल्ट टॉलरेंस (BFT) सहमति (जो त्वरित अंतिमता प्रदान करती है लेकिन ज्ञात प्रतिभागियों की आवश्यकता होती है)। प्रोटोकॉल इसे एक नए सैद्धांतिक निर्माण के माध्यम से प्राप्त करता है: प्रूफ-ऑफ-वर्क कोरम.
शोधपत्र एक मूल दुविधा की पहचान करता है: समावेशी होने के लिए, एक प्रोटोकॉल को आसान प्रवेश (कम Sybil प्रतिरोध) की अनुमति देनी चाहिए, लेकिन सुरक्षित होने के लिए, उसे समन्वित हमलों को महंगा बनाना चाहिए। Nakamoto consensus नई पहचानों के लिए एक दर सीमक के रूप में कम्प्यूटेशनल PoW का उपयोग करता है, जिससे एक स्टोकेस्टिक लीडर चुनाव सृजित होता है। हालाँकि, यह प्रक्रिया धीमी है और केवल प्रायिकता-आधारित सुरक्षा प्रदान करती है।
HotPoW का संकल्प केवल नेता चुनाव के लिए नहीं, बल्कि PoW का उपयोग करके अस्थायी, स्टोकेस्टिक कोरम बनाना है. ये कोरम नोड्स के ऐसे समूह हैं जिन्होंने एक विशिष्ट समय विंडो के भीतर कम्प्यूटेशनल प्रयास सिद्ध किया है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि किसी दिए गए सुरक्षा पैरामीटर के लिए, पॉइसन प्रक्रिया (PoW समाधान खोजों के मॉडलिंग) से लिए गए पर्याप्त रूप से बड़े कोरम व्यावहारिक रूप से अद्वितीय होंगेयह विशिष्टता क्वोरम को बीएफटी-शैली की अंतिमता राउंड के लिए एक विश्वसनीय मतदान समिति के रूप में कार्य करने में सक्षम बनाती है, बिना पूर्व-पंजीकृत पहचानों की आवश्यकता के।
सहमति अंतिमता से साइबिल प्रतिरोध को अलग करता है। PoW साइबिल-प्रतिरोधी समिति गठन प्रदान करता है, जबकि इस समिति के ऊपर चलने वाला एक पाइपलाइन BFT प्रोटोकॉल तेज, निर्धारक अंतिमता प्रदान करता है।
यह खंड एक स्टोकेस्टिक प्रक्रिया से उभरने वाले कोरम की अवधारणा को औपचारिक रूप देता है।
नोड्स द्वारा PoW समाधानों ("वोटों") की खोज को एक Poisson process दर $\lambda$ के साथ। समय अंतराल $\Delta$ में, पाए गए समाधानों की संख्या एक पॉइसन वितरण का अनुसरण करती है। एक "कोरम" को नोड्स के समूह के रूप में परिभाषित किया जाता है जो एक विशिष्ट विंडो के भीतर एक समाधान पाते हैं। इस कोरम का आकार एक यादृच्छिक चर $Q$ है।
सिद्धांत साबित करता है कि लक्ष्य कोरम आकार $k$ और एक सुरक्षा पैरामीटर $\epsilon$ के लिए, आकार $\geq k$ के दो स्वतंत्र रूप से नमूने लिए गए कोरम्स के असंयुक्त होने की संभावना $\epsilon$ से बंधी होती है। यह है स्टोकेस्टिक यूनिकनेस संपत्ति। यह गारंटी देता है कि एक प्रतिद्वंद्वी एक ही स्लॉट के लिए एक प्रतिस्पर्धी, वैध कोरम बनाकर आसानी से चेन को फोर्क नहीं कर सकता है, क्योंकि एक ईमानदार कोरम के साथ अतिव्यापन न करने वाले पर्याप्त बड़े कोरम को इकट्ठा करने की संभावना नगण्य है। पैरामीटर $k$, $\lambda$, $\Delta$, और वांछित सुरक्षा स्तर से व्युत्पन्न होता है।
HotPoW सिद्धांत को एक कार्यशील प्रोटोकॉल में साकार करता है।
HotPoW अपनाता है pipelined three-phase commit (प्रिपेयर, प्री-कमिट, कमिट) हॉटस्टफ BFT से। हालांकि, एक स्थिर समिति के बजाय, प्रत्येक चरण में मतदाता उस युग के लिए PoW कोरम के सदस्य होते हैं। एक लीडर एक ब्लॉक प्रस्तावित करता है। प्रिपेयर, प्री-कमिट और कमिट चरणों के लिए क्रमिक रूप से गठित PoW कोरम के सदस्य प्रस्ताव पर मतदान करते हैं। एक बार जब कोई ब्लॉक कमिट-चरण कोरम से बहुमत मत प्राप्त कर लेता है, तो वह तुरंत अंतिम रूप दिया जाता है। यह अनुमानित, त्वरित अंतिमता प्रदान करता है, जो लॉन्गेस्ट-चेन नियमों की बढ़ती पुष्टि गहराई के विपरीत है।
प्रोटोकॉल अनुमतिहीन बना रहता है। कोई भी PoW पहेलियों को हल करके भाग ले सकता है। कोरम गठन स्वचालित रूप से नेटवर्क भागीदारी के अनुसार समायोजित होता है। संचार जटिलता कोरम आकार में रैखिक है ($O(k)$), जो ब्लॉकचेन प्रसार के समान है, और द्विघात BFT प्रोटोकॉल की तुलना में कहीं अधिक स्केलेबल है। यह साइडचेन-आधारित फाइनैलिटी समाधानों की जटिलता और ओवरहेड से बचाता है।
पेपर नेटवर्क विलंबता, चर्न (नोड्स के शामिल होने/छोड़ने), और लक्षित हमलों के खिलाफ सिमुलेशन के माध्यम से HotPoW का मूल्यांकन करता है।
चित्र 1 विश्लेषण (संकल्पनात्मक): PDF चित्र बहुमत/अल्पमत गुटों के लिए घातीय बनाम गामा वितरणों का विरोधाभास दर्शाता है। HotPoW का कोरम सैंपलिंग, एक गामा प्रक्रिया (दायाँ पैनल) के समान, समय के साथ एक वैध कोरम बनाने की ईमानदार बहुमत और एक हमलावर की संभावना के बीच एक स्पष्ट अलगाव पैदा करता है, जो एक "सुरक्षा मार्जिन" प्रदान करता है। यह बुनियादी PoW में उपयोग किए जाने वाले सरल घातीय मॉडल (बाएं) से बेहतर है, जहाँ पूंछ अधिक ओवरलैप होती है, जिससे कमजोर अंतिमता गारंटी होती है।
The सुरक्षा analysis relies on the properties of the Poisson process. Let $N(t)$ be the number of PoW solutions (votes) found by honest nodes by time $t$, with rate $\lambda_h$. The adversary has rate $\lambda_a < \lambda_h$ (honest majority assumption).
प्रतिकूल के लिए समय $\Delta$ में आकार $k$ का कोरम बनाने की संभावना, जो आकार $m$ के ईमानदार कोरम के साथ अतिव्याप्त नहीं होता है, पॉइसन वितरण की पुच्छ (टेल) द्वारा सीमित होती है:
$P(\text{adversary unique quorum} \geq k) \leq \sum_{i=k}^{\infty} \frac{e^{-\lambda_a \Delta}(\lambda_a \Delta)^i}{i!} \cdot F(m, i)$
जहां $F(m,i)$ एक संयोजनात्मक पद है जो शून्य ओवरलैप की संभावना को दर्शाता है। $k$, $m$, और $\Delta$ को उचित रूप से निर्धारित करके, इस संभावना को घातांकीय रूप से छोटा ($\epsilon$) बनाया जा सकता है। पाइपलाइन्ड HotStuff तर्क तब सुनिश्चित करता है कि यदि एक अद्वितीय कमिटिंग कोरम बनता है, तो ब्लॉक अंतिम होता है।
Framework for Comparing Finality Mechanisms:
केस उदाहरण - हमला परिदृश्य: An attacker with 30% of the hash power tries to double-spend. In Bitcoin, they attempt a deep reorg. In HotPoW, they must either 1) dominate the PoW race to control sequential quorums for Prepare, Pre-Commit, Commit (very hard with <50% hash), or 2) create a separate, large-enough committing quorum that doesn't overlap with the honest one. The theory of स्टोकेस्टिक यूनिकनेस shows the probability of (2) is negligible ($\epsilon$). Thus, the attack fails, and the original transaction remains final after one commit phase.
संभावित अनुप्रयोग:
भविष्य के अनुसंधान दिशाएँ:
मूल अंतर्दृष्टि: HotPoW केवल एक और सहमति तंत्र में छेड़छाड़ नहीं है; या अनुमतिहीन प्रणालियों में विश्वास तल का एक मौलिक पुनर्गठन है। शोधपत्र नकामोटो सहमति के मूल में "समावेशिता बनाम सुरक्षा" के कैंसर का सही निदान करता है—एक ऐसा समझौता जिसने डेवलपर्स को Bitcoin के मजबूत विकेंद्रीकरण और अनुमतिप्राप्त BFT श्रृंखलाओं (जैसे कि Diem, पूर्व में Libra, को आधार देने वाली) की त्वरित अंतिमता के बीच चयन करने के लिए मजबूर किया है। उनका समाधान, स्टोकेस्टिक PoW कोरम, बौद्धिक रूप से सुरुचिपूर्ण है। यह proof-of-work को स्वयं एक सहमति तंत्र के रूप में नहीं, बल्कि एक cryptographic sortition tool एड-हॉक BFT समितियों के गठन के लिए। यह अल्गोरैंड के प्रूफ-ऑफ-स्टेक सॉर्टिशन में देखे गए दार्शनिक बदलाव को दर्शाता है, लेकिन इसे PoW की युद्ध-परीक्षित, ASIC-प्रतिरोधी (यदि ऊर्जा-कुशल नहीं तो) दुनिया में स्थापित करता है। HotStuff के पाइपलाइन्ड BFT से संबंध व्यावहारिक प्रतिभा है, जो एक सिद्ध, रैखिक-जटिलता वाले फाइनैलिटी इंजन को उठाकर इसे गतिशील रूप से उत्पन्न, साइबिल-प्रतिरोधी आधार पर स्थापित कर देता है।
तार्किक प्रवाह: तर्क आकर्षक स्पष्टता के साथ आगे बढ़ता है: 1) फाइनैलिटी अंतराल की पहचान करें, 2) एक सिद्धांत प्रस्तावित करें जहां कम्प्यूटेशनल कार्य समिति सदस्यता खरीदता है, 3) सिद्ध करें कि यह समिति विशिष्ट रूप से विश्वसनीय है (स्टोकेस्टिक विशिष्टता), 4) शीर्ष पर एक आधुनिक BFT प्रोटोकॉल (HotStuff) स्थापित करें। सिमुलेशन परिणाम, हालांकि लाइव नेटवर्क से नहीं हैं, प्रोटोकॉल के तनाव में स्थिर रहने को विश्वसनीय ढंग से दर्शाते हैं। साइडचेन-आधारित फाइनैलिटी (जैसे Bitcoin-NG या पहले के प्रस्तावों) से तुलना एक प्रमुख शक्ति है—HotPoW बहुत सी अंतर्गुंथित श्रृंखलाओं के प्रबंधन की भीषण जटिलता के बिना वही लक्ष्य प्राप्त करता है, एक ऐसी जटिलता जिसने Cosmos IBC के सुरक्षा मॉडल जैसी परियोजनाओं को परेशान किया है, जैसा कि इंटरचेन सुरक्षा पर उनके अपने दस्तावेज़ में उल्लेख किया गया है।
Strengths & Flaws: The primary strength is conceptual unificationयह दो ऐतिहासिक रूप से अलग-अलग शोध क्षेत्रों को जोड़ता है। इसका प्रदर्शन प्रोफाइल—O(n) संचार, त्वरित अंतिमता—सैद्धांतिक रूप से पारंपरिक BFT और लॉन्गेस्ट-चेन PoW दोनों से बेहतर है। हालाँकि, इसकी कमियाँ महत्वपूर्ण हैं। पहली, ऊर्जा खपत सवाल को टाल दिया जाता है, लेकिन एक पोस्ट-ESG दुनिया में, किसी भी नए PoW प्रस्ताव के लिए चुनौतीपूर्ण संघर्ष का सामना करना पड़ता है। दूसरा, पैरामीटर संवेदनशीलता चिंताजनक है। सुरक्षा पैरामीटर $\epsilon$ ईमानदार बनाम प्रतिकूल हैश पावर ($\lambda_h$, $\lambda_a$) के सटीक अनुमानों पर निर्णायक रूप से निर्भर करता है। एक हमलावर एक महत्वपूर्ण कोरम गठन विंडो के दौरान ईमानदार बहुमत धारणा का उल्लंघन करने के लिए हैश पावर को अस्थायी रूप से बढ़ा सकता है (किराये के बाजारों के माध्यम से एक "फ्लैश अटैक", जैसा कि एयाल और सिरर के "सेल्फिश माइनिंग" विश्लेषण में चर्चा की गई है), संभावित रूप से अंतिमता को तोड़ सकता है। यह पारंपरिक PoW की तुलना में अधिक तीव्र जोखिम है, जहां ऐसा हमला केवल कुछ ब्लॉकों को प्रभावित करता है। तीसरा, कम भागीदारी के दौरान जीवंतता अस्पष्ट है—यदि $k$ आकार का कोरम बनाने के लिए पर्याप्त नोड PoW पहेलियों को हल करने की जहमत नहीं उठाते हैं तो क्या होता है? प्रोटोकॉल अटक सकता है।
कार्रवाई योग्य अंतर्दृष्टि: शोधकर्ताओं के लिए, अगला तत्काल कदम संयुक्त स्टोकेस्टिक/BFT मॉडल को यूनिवर्सली कम्पोज़ेबल (UC) मॉडल जैसे ढांचे में औपचारिक रूप देना है ताकि अनुकूली भ्रष्टाचार के तहत इसकी सुरक्षा को सटीक रूप से मापा जा सके। इंजीनियरों के लिए, वास्तविक दुनिया की विलंबता धारणाओं को मान्य करने के लिए एक टेस्टनेट कार्यान्वयन की आवश्यकता है। निवेशकों और निर्माताओं के लिए, HotPoW केंद्रीय बैंक डिजिटल मुद्राओं (CBDCs) या संस्थागत समाशोधन के लिए "भारी-भरकम" खाता बही के एक नए वर्ग के लिए एक सम्मोहक खाका प्रस्तुत करता है, जहां अंतिमता पर बातचीत नहीं की जा सकती लेकिन अनुमतिहीन लेखापरीक्षा वांछित है। हालांकि, यह Ethereum या Bitcoin का सीधा प्रतिस्थापन नहीं है। इसकी विशेषता उन अनुप्रयोगों में है जो वर्तमान में जटिल, विश्वसनीय अंतिमता गैजेट्स या संघीय साइडचेन्स का सहारा लेते हैं। अंतिम परीक्षा यह होगी कि क्या इसका सुंदर सिद्धांत एक वैश्विक, प्रतिकूल नेटवर्क की अराजक वास्तविकता का सामना कर सकता है—एक ऐसी वास्तविकता जिसने कई सुंदर ब्लॉकचेन डिज़ाइनों को नम्र कर दिया है।