Skema Bukti Kerja Koperatif untuk Protokol Konsensus Teragih

Kandungan

1. Pengenalan

Kertas kerja ini mencadangkan penambahbaikan kepada skema bukti kerja (PoW) piawai, di mana matlamatnya adalah untuk mencari nilai nonce supaya hash kriptografi bagi pengepala blok memenuhi sasaran kesukaran tertentu (contohnya, bermula dengan beberapa sifar). Inovasi terasnya adalah mengubah PoW daripada perlumbaan kompetitif, pemenang-ambil-semua di kalangan pelombong, menjadi usaha koperatif di mana pengguna boleh menggabungkan usaha pengiraan untuk mengesahkan transaksi mereka sendiri dan mencapai konsensus mengenai susunan transaksi.

Motivasi utama adalah untuk menangani ketidakcekapan dan insentif songsang yang wujud dalam PoW tradisional, seperti penggunaan tenaga yang besar daripada hashing kompetitif dan daya pemusatan kolam perlombongan. Dengan membolehkan kerjasama asli, skema ini bertujuan untuk menggantikan yuran transaksi (dibayar kepada pelombong) dengan cukai transaksi (dibayar oleh pengasas transaksi sebagai kos untuk kerja koperatif), seterusnya menyelaraskan insentif ke arah kehematan dan pengesahan kolektif.

2. Konsensus

2.1. Masalah Konsensus Teragih

Dalam rangkaian rakan ke rakan tanpa pihak berkuasa pusat, mencapai konsensus mengenai keadaan yang dikongsi (seperti lejar transaksi) adalah mencabar. Isu asasnya ialah kelewatan penyebaran mesej. Jika selang transaksi secara statistik lebih lama daripada masa penyebaran gosip rangkaian, rakan boleh mencapai konsensus de-facto dengan memerhati "jeda" yang dikongsi dalam trafik. Walau bagaimanapun, dalam persekitaran transaksi frekuensi tinggi, kaedah mudah ini gagal.

2.2. Peranan Bukti Kerja

Bukti kerja bertindak sebagai mekanisme had kadar. Dengan memerlukan penyelesaian kepada teka-teki kekerasan yang mahal dari segi pengiraan (contohnya, mencari hash dengan $\text{Hash}(\text{data} || \text{nonce}) < \text{Sasaran}$), ia mengenakan had atas seberapa pantas mana-mana rakan tunggal boleh mencadangkan blok baharu. Ini secara buatan menurunkan frekuensi transaksi berkesan ke tahap di mana rangkaian boleh mencapai konsensus dengan boleh dipercayai, seperti yang dikonsepsikan asalnya dalam konsensus Nakamoto Bitcoin.

3. Bukti Kerja Koperatif

3.1. Formalisme Skema

Kertas kerja ini memformalkan skema di mana teka-teki bukti kerja tidak terikat kepada pencadang blok tunggal tetapi boleh diselesaikan secara kolaboratif oleh sekumpulan pengguna yang berminat dengan satu set transaksi. Konsensus mengenai susunan transaksi ini timbul daripada proses penyelesaian koperatif itu sendiri, dan bukannya ditentukan oleh pelombong yang menemui penyelesaian terlebih dahulu.

3.2. Mekanisme Utama: Dari Yuran ke Cukai

Peralihan ekonomi yang paling ketara adalah dari yuran kepada cukai. Dalam PoW tradisional, pengguna membayar yuran untuk memberi insentif kepada pelombong. Dalam model koperatif, pengguna yang terlibat dalam transaksi membayar "cukai" yang mewakili bahagian mereka daripada kos pengiraan yang diperlukan untuk bukti kerja koperatif. Ini mengubah dinamik daripada "membayar untuk perkhidmatan" kepada "berkongsi kos pengesahan," berpotensi mengurangkan perbelanjaan sumber keseluruhan.

4. Inti Pati & Aliran Logik

Inti Pati: Kejeniusan kertas kerja ini terletak pada pengiktirafan bahawa nilai utama PoW untuk konsensus adalah sifat had kadarnya, bukan aspek loteri kompetitifnya. Penulis mengenal pasti loteri kompetitif dengan betul sebagai sumber pembaziran besar-besaran (tenaga, perlumbaan senjata perkakasan) dan pemusatan (kolam perlombongan). Lompatan logik mereka adalah bertanya: "Bolehkah kita mengekalkan had kadar tetapi membuang persaingan?" Skema koperatif yang dicadangkan adalah jawapannya—ia adalah percubaan sengaja untuk merekabentuk bahagian "baik" PoW (teragih, tahan sybil, boleh laraskan kesukaran) sambil membuang bahagian "buruk" (persaingan membazir) secara pembedahan.

Aliran logiknya sempurna: 1) Kenal pasti masalah konsensus (kelewatan mesej). 2) Akui PoW sebagai penyelesaian had kadar. 3) Diagnosis kelemahan kritikal PoW (insentif untuk tidak bekerjasama). 4) Cadangkan struktur insentif baharu (kerja koperatif dibayar oleh cukai) yang menyelaraskan rasionaliti individu dengan kesihatan rangkaian. Ini adalah pemikiran sistem yang terbaik.

5. Kekuatan & Kelemahan

Kekuatan:

• Penyelarasan Insentif yang Elegan: Beralih daripada yuran kepada cukai adalah inovasi ekonomi yang mendalam. Ia secara langsung menyerang "tragedi milik bersama" dalam perlombongan PoW, di mana pelombong individu diberi insentif untuk menggunakan lebih banyak tenaga daripada yang optimum secara sosial.
• Mengurangkan Pemusatan: Secara reka bentuk, ia melemahkan logik ekonomi kolam perlombongan, yang wujud terutamanya untuk melicinkan varians loteri kompetitif. Kerjasama asli boleh membawa kepada topologi rangkaian yang lebih egalitarian dan berdaya tahan.
• Potensi untuk Keluaran Lebih Tinggi: Persaingan yang berkurangan untuk ganjaran blok boleh menurunkan kesukaran yang diperlukan untuk keselamatan, membolehkan lebih banyak transaksi per unit masa untuk tahap kuasa hashing keseluruhan yang sama.

Kelemahan & Soalan Kritikal:

• Masalah Permulaan/Penyelarasan: Bagaimanakah pengguna mencari antara satu sama lain untuk bekerjasama? Kertas kerja ini menganggapnya mudah. Dalam praktik, membentuk gabungan yang cekap dan tanpa kepercayaan untuk setiap set transaksi adalah cabaran penyelarasan yang besar, berpotensi memerlukan lapisan protokol kompleks tersendiri—memperkenalkan semula kerumitan dan overhed.
• Keselamatan Di Bawah Serangan Gabungan: Model ini menganggap kumpulan koperatif adalah benigna. Apa yang menghalang gabungan jahat yang besar daripada terbentuk untuk melakukan perbelanjaan berganda atau menyensor transaksi? Analisis keselamatan terasa cetek berbanding dengan rawatan teori permainan yang ketat bagi PoW tradisional yang terdapat dalam karya seperti analisis Protokol Tulang Belakang Bitcoin.
• Kutipan & Penguatkuasaan Cukai: Menguatkuasakan "cukai" dalam persekitaran teragih dan tanpa nama bukanlah perkara remeh. Ia berisiko mencipta sistem di mana mereka yang tidak membayar boleh menumpang percuma pada kerja koperatif orang lain, masalah insentif klasik yang cuba diselesaikan oleh kertas kerja ini tetapi mungkin secara tidak sengaja dicipta semula.

6. Pandangan Tindakan & Hala Tuju Masa Depan

Untuk Penyelidik: Jangan anggap ini sebagai protokol siap. Anggap ia sebagai paradigma reka bentuk. Idea teras—perkongsian kos koperatif untuk konsensus—boleh diaplikasikan melangkaui PoW berasaskan hash. Terokai integrasinya dengan Bukti Kepentingan (PoS) atau Bukti Ruang. Jurang penyelidikan utama ialah model teori permainan yang kukuh bagi pembentukan dan kestabilan gabungan dalam persekitaran baharu ini. Rujuk kerja mengenai "keseimbangan Nash bukti-gabungan" sebagai titik permulaan.

Untuk Pembangun/Perusahaan: Ini belum sedia untuk Mainnet. Walau bagaimanapun, pertimbangkannya untuk blockchain swasta atau konsortium di mana identiti peserta diketahui dan penyelarasan lebih mudah. Janji penjimatan tenaga paling ketara di sini. Jalankan sistem percubaan di mana entiti yang diketahui (contohnya, rakan kongsi rantaian bekalan) mengesahkan transaksi kongsi mereka secara koperatif, mengukur pengurangan dalam overhed pengiraan berbanding dengan persediaan perlombongan kompetitif tradisional.

Untuk Industri: Kertas kerja ini adalah naratif balas yang penting dalam dunia pasca-merge (peralihan Ethereum ke PoS). Ia berhujah bahawa masalah tenaga PoW bukanlah sifat semula jadi konsep bukti kerja, tetapi kepada pelaksanaannya. Apabila pengawasan pengawal selia terhadap penggunaan tenaga kripto semakin meningkat, inovasi seperti PoW koperatif patut dilihat semula sebagai alternatif "PoW hijau" yang berpotensi, terutamanya untuk rangkaian di mana andaian kepercayaan fizikal PoS tidak diingini.

7. Butiran Teknikal & Formalisme Matematik

Kertas kerja ini mencadangkan memformalkan PoW koperatif sebagai masalah pengiraan pelbagai pihak. Walaupun tidak diterangkan sepenuhnya, teka-teki teras kemungkinan menyesuaikan sasaran hash piawai. Daripada $\text{Hash}(\text{Blok}_{\text{pencadang}} || \text{nonce}) < T$, ia mungkin melibatkan input gabungan daripada $n$ peserta: $\text{Hash}(\text{SetTx} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{ID}_{\text{gabungan}}) < T$.

Sasaran kesukaran $T$ dilaraskan berdasarkan kadar pembentukan blok koperatif yang diingini. "Kerja" diagihkan supaya setiap peserta $i$ mencari nonce separa $\text{nonce}_i$, dan usaha gabungan memenuhi sasaran. Model mudah untuk cukai boleh jadi: $\text{Cukai}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$, di mana $C$ ialah jumlah kos pengiraan teka-teki yang diselesaikan, dan $w_i$ ialah kerja terbukti yang disumbangkan oleh peserta $i$. Ini memastikan perkongsian kos berkadar dengan sumbangan.

8. Kerangka Analisis & Contoh Konseptual

Kerangka: Permainan Konsensus Koperatif

1. Pemain: Satu set pengguna $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ dengan transaksi tertunda.
2. Tindakan: Setiap pemain boleh memilih untuk: (a) Bekerja sendiri (PoW piawai), (b) Membentuk/menyertai gabungan $S \subseteq U$, (c) Menumpang percuma (jika mungkin).
3. Bayaran: Untuk gabungan $S$ yang berjaya mencipta blok mengandungi transaksi mereka:
   • Manfaat: Transaksi disahkan (nilai $V_i$ untuk pengguna $i$).
   • Kos: Cukai dibayar $\text{Cukai}_i$ berdasarkan kerja yang disumbangkan.
   • Bayaran bersih: $V_i - \text{Cukai}_i$.
4. Konsep Keseimbangan: Sistem bertujuan untuk keadaan di mana pembentukan "gabungan agung" $U$ (semua pengguna bekerjasama) adalah keseimbangan Nash yang stabil dan cekap, meminimumkan jumlah kos $\sum \text{Cukai}_i$ sambil mengesahkan semua transaksi.

Contoh Konseptual: Bayangkan lima pengguna, A hingga E, setiap seorang ingin menghantar transaksi. Dalam Bitcoin, mereka menyiarkan dan berharap pelombong memasukkannya. Pelombong menggunakan 100 unit tenaga bersaing; pemenang mendapat yuran. Jumlah tenaga: 100 unit. Dalam PoW Koperatif, A-E membentuk kumpulan. Mereka secara kolektif menggunakan 20 unit tenaga (kurang kerana tiada persaingan) untuk menyelesaikan teka-teki untuk blok yang mengandungi kelima-lima transaksi. Mereka masing-masing membayar cukai berjumlah 20 unit (contohnya, 4 unit setiap seorang). Tenaga dijimatkan: 80 unit. Pengesahan dijamin untuk kumpulan, bukan probabilistik.

9. Prospek Aplikasi & Pembangunan Masa Depan

Jangka Pendek (2-3 tahun akan datang): Aplikasi yang paling berdaya maju adalah dalam DLT perusahaan/konsortium. Sebagai contoh, sekumpulan bank menyelesaikan pembayaran antara bank boleh menggunakan lejar PoW koperatif. Identiti diketahui, penyelarasan boleh diuruskan, dan matlamatnya adalah kecekapan dan kemuktamadan—bukan penyertaan tanpa nama. Penyelidikan akan memberi tumpuan kepada algoritma pembentukan gabungan yang cekap dan pengukuran sumbangan yang boleh disahkan.

Jangka Sederhana (3-5 tahun): Jika berjaya dalam persekitaran tertutup, konsep ini mungkin mengilhami reka bentuk blockchain awam hibrid. Rantaian awam mungkin mempunyai lapisan asas menggunakan PoW atau PoS tradisional, dengan "serpihan koperatif" atau rantai sisi khusus yang menggunakan model ini untuk transaksi khusus aplikasi berkeluaran tinggi, yuran rendah (contohnya, pembayaran mikro, log data IoT).

Jangka Panjang & Penyelidikan Asas: Ujian muktamad adalah sama ada versi sepenuhnya teragih, tanpa kebenaran boleh selamat. Ini memerlukan kejayaan dalam penjanaan pancaran rawak teragih (untuk tugasan gabungan yang adil) dan mekanisme kriptoekonomi untuk menghukum penumpang percuma tanpa menjejaskan privasi. Ia juga membuka bidang baharu: Kepelbagaian Mekanisme Konsensus, di mana jenis transaksi atau kohort pengguna yang berbeza boleh memilih model konsensus yang berbeza (kompetitif, koperatif, bertaruh) dalam ekosistem yang sama, sama seperti rangkaian komputer menggunakan protokol berbeza (TCP, UDP) untuk keperluan berbeza.

10. Rujukan

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.