Konsensus Nakamoto Bitcoin, walaupun revolusioner, memperkenalkan ketegangan asas antara inklusif (membenarkan mana-mana peserta menyertai) dan keselamatan (menghalang pelaku berniat jahat mengawal rangkaian). Konflik ini menjelma dalam kekurangan finaliti—pengesahan transaksi yang tidak boleh dipulihkan. Rantai blok bukti-kerja (PoW) tradisional seperti Bitcoin hanya menawarkan konsistensi akhir kebarangkalian, di mana pengesahan transaksi menjadi lebih pasti dari masa ke masa tetapi tidak pernah mutlak final. Batasan ini menghalang penggunaannya untuk aplikasi bernilai tinggi dan sensitif masa.
HotPoW menangani isu teras ini. Ia mencadangkan jambatan novel antara konsensus gaya Nakamoto (tanpa kebenaran, berasaskan PoW) dan konsensus Toleransi Kerosakan Bizantium (BFT) (yang menawarkan finaliti pantas tetapi memerlukan peserta yang diketahui). Protokol mencapai ini melalui konstruk teori baharu: kuorum bukti-kerja.
Kertas kerja ini mengenal pasti dilema teras: untuk menjadi inklusif, protokol mesti membenarkan kemasukan mudah (rintangan Sybil rendah), tetapi untuk menjadi selamat, ia mesti menjadikan serangan terkoordinasi mahal. Konsensus Nakamoto menggunakan PoW pengiraan sebagai penghad kadar untuk identiti baharu, mencipta pilihan pemimpin stokastik. Walau bagaimanapun, proses ini perlahan dan hanya menyediakan keselamatan kebarangkalian.
Penyelesaian HotPoW adalah menggunakan PoW bukan untuk pilihan pemimpin semata-mata, tetapi untuk membentuk kuorum sementara dan stokastik. Kuorum ini adalah kumpulan nod yang telah membuktikan usaha pengiraan dalam tetingkap masa tertentu. Pandangan utama ialah untuk parameter keselamatan tertentu, kuorum yang cukup besar yang disampel daripada proses Poisson (memodelkan penemuan penyelesaian PoW) akan menjadi praktikal unik. Keunikan ini membolehkan kuorum bertindak sebagai jawatankuasa undian yang boleh dipercayai untuk pusingan finaliti gaya BFT, tanpa memerlukan identiti berdaftar awal.
Menyahgandingkan rintangan Sybil daripada finaliti konsensus. PoW menyediakan pembentukan jawatankuasa rintangan Sybil, manakala protokol BFT berpaip yang berjalan di atas jawatankuasa ini menyediakan finaliti pantas dan deterministik.
Bahagian ini memformalkan konsep kuorum yang muncul daripada proses stokastik.
Penemuan penyelesaian PoW ("undi") oleh nod dimodelkan sebagai proses Poisson dengan kadar $\lambda$. Sepanjang selang masa $\Delta$, bilangan penyelesaian yang ditemui mengikuti taburan Poisson. "Kuorum" ditakrifkan sebagai set nod yang menemui penyelesaian dalam tetingkap tertentu. Saiz kuorum ini ialah pembolehubah rawak $Q$.
Teori membuktikan bahawa untuk saiz kuorum sasaran $k$ dan parameter keselamatan $\epsilon$, kebarangkalian dua kuorum bersaiz $\geq k$ yang disampel secara bebas adalah tidak bertindih dihadkan oleh $\epsilon$. Ini ialah sifat keunikan stokastik. Ia menjamin bahawa penyerang tidak boleh mudah memfork rantai dengan mencipta kuorum saingan yang sah untuk slot yang sama, kerana kebarangkalian untuk mengumpul kuorum yang cukup besar yang tidak bertindih dengan kuorum jujur adalah boleh diabaikan. Parameter $k$ diperoleh daripada $\lambda$, $\Delta$, dan tahap keselamatan yang dikehendaki.
HotPoW menginstantkan teori kepada protokol berfungsi.
HotPoW menerima pakai komit tiga fasa berpaip (Sedia, Pra-Komit, Komit) daripada BFT HotStuff. Walau bagaimanapun, bukannya jawatankuasa statik, pengundi dalam setiap fasa adalah ahli kuorum PoW untuk epok tersebut. Seorang pemimpin mencadangkan blok. Ahli kuorum PoW yang dibentuk secara berurutan untuk fasa Sedia, Pra-Komit, dan Komit mengundi cadangan tersebut. Sebaik sahaja blok mendapat undian majoriti super daripada kuorum fasa Komit, ia difinalkan serta-merta. Ini menyediakan finaliti yang boleh diramal dan pantas, tidak seperti kedalaman pengesahan yang semakin meningkat dalam peraturan rantai terpanjang.
Protokol kekal tanpa kebenaran. Sesiapa sahaja boleh menyertai dengan menyelesaikan teka-teki PoW. Pembentukan kuorum melaraskan secara automatik kepada penyertaan rangkaian. Kerumitan komunikasi adalah linear dalam saiz kuorum ($O(k)$), serupa dengan penyebaran rantai blok, dan jauh lebih boleh skala daripada protokol BFT kuadratik. Ia mengelakkan kerumitan dan overhead penyelesaian finaliti berasaskan rantai sisi.
Kertas kerja menilai HotPoW melalui simulasi terhadap kependaman rangkaian, perubahan (nod menyertai/meninggalkan), dan serangan disasarkan.
Analisis Rajah 1 (Konseptual): Rajah PDF membandingkan taburan eksponen vs. gamma untuk faksi majoriti/minoriti. Pensampelan kuorum HotPoW, serupa dengan proses gamma (panel kanan), mencipta pemisahan yang lebih jelas antara kebarangkalian majoriti jujur dan penyerang untuk membentuk kuorum sah dari masa ke masa, menyediakan "margin keselamatan." Ini lebih unggul daripada model eksponen mudah (kiri) yang digunakan dalam PoW asas, di mana ekor bertindih lebih banyak, membawa kepada jaminan finaliti yang lebih lemah.
Analisis keselamatan bergantung pada sifat proses Poisson. Biarkan $N(t)$ menjadi bilangan penyelesaian PoW (undi) yang ditemui oleh nod jujur pada masa $t$, dengan kadar $\lambda_h$. Penyerang mempunyai kadar $\lambda_a < \lambda_h$ (andaian majoriti jujur).
Kebarangkalian penyerang boleh mencipta kuorum bersaiz $k$ dalam masa $\Delta$ tanpa bertindih dengan kuorum jujur bersaiz $m$ dihadkan oleh ekor taburan Poisson:
$P(\text{kuorum unik penyerang} \geq k) \leq \sum_{i=k}^{\infty} \frac{e^{-\lambda_a \Delta}(\lambda_a \Delta)^i}{i!} \cdot F(m, i)$
Di mana $F(m,i)$ ialah sebutan kombinatorik yang mewakili kebarangkalian sifar tindihan. Dengan menetapkan $k$, $m$, dan $\Delta$ dengan sewajarnya, kebarangkalian ini boleh dibuat kecil secara eksponen ($\epsilon$). Logik HotStuff berpaip kemudian memastikan jika kuorum komit unik terbentuk, blok adalah final.
Kerangka untuk Membandingkan Mekanisme Finaliti:
Contoh Kes - Senario Serangan: Penyerang dengan 30% kuasa hash cuba melakukan perbelanjaan berganda. Dalam Bitcoin, mereka cuba reorg dalam. Dalam HotPoW, mereka mesti sama ada 1) mendominasi perlumbaan PoW untuk mengawal kuorum berurutan untuk Sedia, Pra-Komit, Komit (sangat sukar dengan hash <50%), atau 2) mencipta kuorum komit berasingan yang cukup besar yang tidak bertindih dengan kuorum jujur. Teori keunikan stokastik menunjukkan kebarangkalian (2) boleh diabaikan ($\epsilon$). Oleh itu, serangan gagal, dan transaksi asal kekal final selepas satu fasa komit.
Aplikasi Potensi:
Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan:
Pandangan Teras: HotPoW bukan sekadar ubah suai konsensus lain; ia adalah seni bina semula asas satah kepercayaan dalam sistem tanpa kebenaran. Kertas kerja ini mendiagnosis dengan betul "kanser inklusif vs. keselamatan" di jantung konsensus Nakamoto—pertukaran yang telah memaksa pemaju memilih antara desentralisasi lasak Bitcoin dan finaliti pantas rantai BFT yang dibenarkan seperti yang menyokong Diem (dahulu Libra). Penyelesaian mereka, kuorum PoW stokastik, adalah elegan secara intelektual. Ia memperlakukan bukti-kerja bukan sebagai mekanisme konsensus itu sendiri, tetapi sebagai alat sortisi kriptografi untuk membentuk jawatankuasa BFT ad hoc. Ini mencerminkan anjakan falsafah yang dilihat dalam sortisi bukti-pertaruhan Algorand, tetapi mendasarinya dalam dunia PoW yang teruji pertempuran dan tahan ASIC (jika tidak cekap tenaga). Sambungan kepada BFT berpaip HotStuff adalah genius pragmatik, mengangkat enjin finaliti kerumitan linear yang terbukti dan menjatuhkannya ke atas asas rintangan Sybil yang dijana secara dinamik.
Aliran Logik: Hujah berjalan dengan kejelasan yang menarik: 1) Kenal pasti jurang finaliti, 2) Cadangkan teori di mana kerja pengiraan membeli keahlian jawatankuasa, 3) Buktikan jawatankuasa ini unik boleh dipercayai (keunikan stokastik), 4) Slot protokol BFT moden (HotStuff) di atas. Keputusan simulasi, walaupun bukan dari rangkaian langsung, meyakinkan menunjukkan protokol bertahan di bawah tekanan. Perbandingan dengan finaliti berasaskan rantai sisi (seperti Bitcoin-NG atau cadangan awal) adalah kekuatan utama—HotPoW mencapai matlamat yang sama tanpa kerumitan besar menguruskan pelbagai rantai terjalin, kerumitan yang telah menyusahkan projek seperti model keselamatan IBC Cosmos, seperti yang dinyatakan dalam dokumentasi mereka sendiri mengenai keselamatan antara rantai.
Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan utama ialah penyatuan konseptual. Ia menjambatani dua silo penyelidikan yang secara sejarah berasingan. Profil prestasi—komunikasi O(n), finaliti pantas—secara teori lebih unggul daripada kedua-dua BFT tradisional dan PoW rantai terpanjang. Walau bagaimanapun, kelemahan adalah ketara. Pertama, persoalan penggunaan tenaga diketepikan, tetapi dalam dunia pasca-ESG, sebarang cadangan PoW baharu menghadapi pertempuran sukar. Kedua, kepekaan parameter membimbangkan. Parameter keselamatan $\epsilon$ bergantung kritikal pada anggaran tepat kuasa hash jujur vs. musuh ($\lambda_h$, $\lambda_a$). Penyerang boleh sementara meningkatkan kuasa hash (serangan "kilat" melalui pasaran sewa, seperti dibincangkan dalam analisis "Perlombongan Mementingkan Diri" oleh Eyal dan Sirer) untuk melanggar andaian majoriti jujur semasa tetingkap pembentukan kuorum kritikal, berpotensi memecahkan finaliti. Ini adalah risiko yang lebih akut daripada dalam PoW tradisional, di mana serangan sedemikian hanya menjejaskan beberapa blok. Ketiga, keberkesanan semasa penyertaan rendah tidak jelas—apa yang berlaku jika tidak cukup nod bersusah payah menyelesaikan teka-teki PoW untuk membentuk kuorum bersaiz $k$? Protokol mungkin terhenti.
Pandangan Boleh Tindak: Untuk penyelidik, langkah seterusnya segera adalah memformalkan model BFT/stokastik gabungan dalam kerangka seperti model Universally Composable (UC) untuk mengukur keselamatannya dengan tepat di bawah rasuah adaptif. Untuk jurutera, pelaksanaan testnet diperlukan untuk mengesahkan andaian kependaman dunia sebenar. Untuk pelabur dan pembina, HotPoW membentangkan pelan induk yang menarik untuk kelas baharu lejar "tugas berat" untuk mata wang digital bank pusat (CBDC) atau penyelesaian institusi, di mana finaliti tidak boleh dirunding tetapi kebolehauditan tanpa kebenaran dikehendaki. Walau bagaimanapun, ia bukan pengganti terus untuk Ethereum atau Bitcoin. Nisnya adalah dalam aplikasi yang kini menggunakan alat finaliti kompleks yang dipercayai atau rantai sisi berpakat. Ujian muktamad akan sama ada teori elegannya dapat bertahan realiti huru-hara rangkaian global dan musuh—realiti yang telah merendahkan banyak reka bentuk rantai blok yang cantik.