Кооперативная схема доказательства выполнения работы для распределенных протоколов консенсуса

Содержание

1. Введение

В данной статье предлагается усовершенствование стандартной схемы доказательства выполнения работы (Proof-of-Work, PoW), целью которой является поиск одноразового числа (nonce), такого чтобы криптографический хеш заголовка блока соответствовал заданной цели сложности (например, начинался с определенного количества нулей). Ключевым нововведением является преобразование PoW из конкурентной гонки по принципу «победитель получает всё» среди майнеров в кооперативное начинание, где пользователи могут объединять вычислительные усилия для проверки собственных транзакций и достижения консенсуса относительно их порядка.

Основная мотивация — устранение присущих традиционному PoW неэффективностей и искаженных стимулов, таких как огромное энергопотребление из-за конкурентного хеширования и централизующая сила майнинговых пулов. Позволяя осуществлять естественное сотрудничество, схема стремится заменить комиссии за транзакции (выплачиваемые майнерам) на налоги за транзакции (уплачиваемые инициаторами транзакций как стоимость кооперативной работы), тем самым согласуя стимулы с бережливостью и коллективной проверкой.

2. Консенсус

2.1. Проблема распределенного консенсуса

В одноранговой сети без центрального органа достижение консенсуса относительно общего состояния (например, реестра транзакций) является сложной задачей. Фундаментальная проблема — задержка распространения сообщений. Если статистические интервалы между транзакциями длиннее времени распространения слухов (gossip) в сети, участники могут достичь де-факто консенсуса, наблюдая общую «паузу» в трафике. Однако в средах с высокой частотой транзакций этот простой метод не работает.

2.2. Роль доказательства выполнения работы

Доказательство выполнения работы действует как механизм ограничения скорости. Требуя решения вычислительно сложной, методом грубой силы задачи (например, нахождения хеша, где $\text{Hash}(\text{данные} || \text{nonce}) < \text{Цель}$), оно накладывает верхний предел на то, как быстро любой отдельный участник может предлагать новые блоки. Это искусственно снижает эффективную частоту транзакций до уровня, на котором сеть может надежно достигать консенсуса, как изначально задумывалось в консенсусе Накамото в Bitcoin.

3. Кооперативное доказательство выполнения работы

3.1. Формализация схемы

В статье формализуется схема, в которой задача доказательства выполнения работы не привязана к единственному предлагающему блок, а может быть совместно решена группой пользователей, заинтересованных в наборе транзакций. Консенсус относительно порядка этих транзакций возникает из самого процесса совместного решения, а не диктуется майнером, который первым находит решение.

3.2. Ключевой механизм: от комиссий к налогам

Наиболее значительный экономический сдвиг — переход от комиссий к налогам. В традиционном PoW пользователи платят комиссии для стимулирования майнеров. В кооперативной модели пользователи, участвующие в транзакции, платят «налог», который представляет их долю вычислительных затрат, необходимых для кооперативного доказательства выполнения работы. Это преобразует динамику от «оплаты за услугу» к «разделению затрат на проверку», потенциально снижая общие расходы ресурсов.

4. Ключевая идея и логическая последовательность

Ключевая идея: Гениальность статьи заключается в признании того, что основная ценность PoW для консенсуса — это его свойство ограничения скорости, а не аспект конкурентной лотереи. Авторы верно определяют конкурентную лотерею как источник колоссальных потерь (энергия, гонка вооружений оборудования) и централизации (майнинговые пулы). Их логический скачок заключается в вопросе: «Можем ли мы сохранить ограничение скорости, но отказаться от конкуренции?» Предлагаемая кооперативная схема — это ответ, представляющий собой преднамеренную попытку сконструировать «хорошие» части PoW (децентрализация, устойчивость к сибил-атакам, регулируемая сложность), при этом хирургически удалив «плохие» (расточительная конкуренция).

Логическая последовательность безупречна: 1) Определить проблему консенсуса (задержка сообщений). 2) Признать PoW решением для ограничения скорости. 3) Диагностировать критический недостаток PoW (стимулирование несотрудничества). 4) Предложить новую структуру стимулов (кооперативная работа, оплачиваемая налогом), которая согласует индивидуальную рациональность со здоровьем сети. Это системное мышление в лучшем его проявлении.

5. Сильные стороны и недостатки

Сильные стороны:

• Элегантное перераспределение стимулов: Переход от комиссий к налогам — это глубокое экономическое нововведение. Он напрямую атакует «трагедию общин» в майнинге PoW, где отдельные майнеры стимулируются потреблять больше энергии, чем это оптимально для общества.
• Смягчение централизации: По замыслу, это подрывает экономическую логику майнинговых пулов, которые существуют в основном для сглаживания дисперсии конкурентной лотереи. Естественное сотрудничество может привести к более эгалитарной и устойчивой топологии сети.
• Потенциал для более высокой пропускной способности: Снижение конкуренции за награды за блок может уменьшить требуемую сложность для безопасности, позволяя обрабатывать больше транзакций за единицу времени при том же общем уровне хеш-мощности.

Недостатки и критические вопросы:

• Проблема начальной загрузки/координации: Как пользователи находят друг друга для сотрудничества? В статье этот вопрос обходится стороной. На практике формирование эффективных, не требующих доверия коалиций для каждого набора транзакций — это огромная проблема координации, потенциально требующая собственного сложного протокольного уровня, что вновь вносит сложность и накладные расходы.
• Безопасность при атаке коалиции: Модель предполагает, что кооперативные группы доброжелательны. Что мешает сформироваться большой злонамеренной коалиции для двойной траты или цензуры транзакций? Анализ безопасности кажется поверхностным по сравнению с строгим теоретико-игровым анализом традиционного PoW, как, например, в работе по анализу Bitcoin Backbone Protocol.
• Сбор и обеспечение уплаты налога: Обеспечение уплаты «налога» в децентрализованной, анонимной среде — нетривиальная задача. Существует риск создания системы, в которой неплательщики могут бесплатно пользоваться кооперативной работой других, что является классической проблемой стимулов, которую статья стремится решить, но может непреднамеренно воссоздать.

6. Практические выводы и направления будущих исследований

Для исследователей: Не рассматривайте это как готовый протокол. Рассматривайте это как парадигму проектирования. Основная идея — кооперативное разделение затрат для консенсуса — применима за пределами PoW на основе хеширования. Исследуйте её интеграцию с доказательством доли владения (Proof-of-Stake, PoS) или доказательством пространства (Proof-of-Space). Ключевой пробел в исследованиях — это надежная теоретико-игровая модель формирования и стабильности коалиций в этой новой среде. В качестве отправной точки обратитесь к работам по «коалиционно-устойчивому равновесию Нэша».

Для разработчиков/предприятий: Это не готово для основной сети (Mainnet). Однако рассмотрите это для частных или консорциумных блокчейнов, где идентичность участников известна и координация проще. Обещание экономии энергии здесь наиболее ощутимо. Запустите пилотную систему, в которой известные субъекты (например, партнеры по цепочке поставок) совместно проверяют свои общие транзакции, измеряя снижение вычислительных накладных расходов по сравнению с традиционной конкурентной майнинговой установкой.

Для отрасли: Эта статья представляет собой важную контрнарратив в мире после «Слияния» (переход Ethereum на PoS). В ней утверждается, что энергетическая проблема PoW не присуща самой концепции доказательства выполнения работы, а её реализации. Поскольку нормативный контроль за энергопотреблением в криптоиндустрии усиливается, таким инновациям, как кооперативное PoW, стоит уделить новое внимание как потенциальной «зеленой» альтернативе PoW, особенно для сетей, где физические допущения о доверии в PoS нежелательны.

7. Технические детали и математическая формализация

В статье предлагается формализовать кооперативное PoW как задачу многосторонних вычислений. Хотя и не полностью детализировано, основная задача, вероятно, адаптирует стандартную хеш-цель. Вместо $\text{Hash}(\text{Блок}_{\text{предлагающий}} || \text{nonce}) < T$, она может включать объединенный ввод от $n$ участников: $\text{Hash}(\text{НаборТранзакций} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{ID}_{\text{коалиции}}) < T$.

Цель сложности $T$ корректируется на основе желаемой скорости формирования кооперативных блоков. «Работа» распределяется таким образом, что каждый участник $i$ ищет частичный одноразовый номер $\text{nonce}_i$, и объединенные усилия достигают цели. Простая модель для налога может быть: $\text{Налог}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$, где $C$ — общая вычислительная стоимость решенной задачи, а $w_i$ — доказуемая работа, внесенная участником $i$. Это обеспечивает разделение затрат пропорционально вкладу.

8. Аналитическая структура и концептуальный пример

Структура: Игра кооперативного консенсуса

1. Игроки: Набор пользователей $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$ с ожидающими транзакциями.
2. Действия: Каждый игрок может выбрать: (a) Работать в одиночку (стандартный PoW), (b) Сформировать/присоединиться к коалиции $S \subseteq U$, (c) Бесплатно пользоваться результатами (если возможно).
3. Выигрыши: Для коалиции $S$, успешно создавшей блок, содержащий их транзакции:
   • Выгода: Транзакции подтверждены (ценность $V_i$ для пользователя $i$).
   • Затраты: Уплаченный налог $\text{Налог}_i$ на основе внесенной работы.
   • Чистый выигрыш: $V_i - \text{Налог}_i$.
4. Концепция равновесия: Система стремится к состоянию, где формирование «большой коалиции» $U$ (все пользователи сотрудничают) является стабильным, эффективным равновесием Нэша, минимизирующим общие затраты $\sum \text{Налог}_i$ при подтверждении всех транзакций.

Концептуальный пример: Представьте пять пользователей, от A до E, каждый из которых хочет отправить транзакцию. В Bitcoin они рассылают транзакции и надеются, что майнер включит их. Майнеры тратят 100 единиц энергии на конкуренцию; победитель получает комиссии. Общая энергия: 100 единиц. В Кооперативном PoW, A-E формируют группу. Они коллективно тратят 20 единиц энергии (меньше из-за отсутствия конкуренции) на решение задачи для блока, содержащего все пять транзакций. Каждый из них платит налог, в сумме составляющий 20 единиц (например, по 4 единицы каждый). Сэкономленная энергия: 80 единиц. Подтверждение гарантировано для группы, а не вероятностно.

9. Перспективы применения и дальнейшее развитие

Краткосрочные (следующие 2-3 года): Наиболее жизнеспособное применение — в корпоративных/консорциумных распределенных реестрах (DLT). Например, группа банков, осуществляющих межбанковские расчеты, могла бы использовать реестр на основе кооперативного PoW. Идентичность известна, координация управляема, а цель — эффективность и окончательность, а не анонимное участие. Исследования будут сосредоточены на эффективных алгоритмах формирования коалиций и измерении проверяемого вклада.

Среднесрочные (3-5 лет): В случае успеха в закрытых средах, концепция может вдохновить гибридные проекты публичных блокчейнов. Публичная цепочка может иметь базовый уровень, использующий традиционный PoW или PoS, с определенными «кооперативными шардами» или сайдчейнами, которые используют эту модель для высокопроизводительных, низкокомиссионных транзакций для конкретных приложений (например, микроплатежи, регистрация данных IoT).

Долгосрочные и фундаментальные исследования: Окончательная проверка — может ли полностью децентрализованная, не требующая разрешений версия быть безопасной. Это требует прорывов в генерации децентрализованных случайных маяков (для справедливого распределения по коалициям) и криптоэкономических механизмов для наказания безбилетников без ущерба для конфиденциальности. Это также открывает новое поле: Разнообразие механизмов консенсуса, где различные типы транзакций или группы пользователей могут выбирать разные модели консенсуса (конкурентные, кооперативные, на основе доли) в рамках одной экосистемы, подобно тому, как компьютерные сети используют разные протоколы (TCP, UDP) для разных нужд.

10. Ссылки

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.