Makubaliano ya Nakamoto ya Bitcoin, ingawa yalikuwa ya mapinduzi, yalianzisha mvutano wa msingi kati ya ushirikiano (kuruhusu mshiriki yeyote kujiunga) na usalama (kuzuia watu wabaya kudhibiti mtandao). Mgogoro huu unaonekana katika ukosefu wa uthibitisho wa mwisho—uthibitisho usioweza kubatilika wa manunuzi. Minyororo ya kuzuia ya jadi ya uthibitisho wa kazi (PoW) kama Bitcoin hutoa tu uthabiti wa mwisho wa uwezekano, ambapo uthibitisho wa manunuzi huwa wa hakika zaidi baada ya muda lakini haujawahi kuwa wa mwisho kabisa. Kizuizi hiki kinazuia matumizi yao kwa programu zenye thamani kubwa na zenye mda mfupi.
HotPoW inashughulikia suala hili la msingi. Inapendekeza daraja mpya kati ya makubaliano ya mtindo wa Nakamoto (isiyo na ruhusa, yenye msingi wa PoW) na makubaliano ya Uvumilivu wa Hitilafu ya Byzantine (BFT) (ambayo hutoa uthibitisho wa mwisho wa haraka lakini inahitaji washiriki wanaojulikana). Itifaki hii inafanikiwa kupitia muundo mpya wa kinadharia: quorums za uthibitisho wa kazi.
Karatasi hii inabainisha shida kuu: ili kuwa ya kushirikiana, itifaki lazima iruhusu kuingia kwa urahisi (upinzani mdogo wa Sybil), lakini ili kuwa salama, lazima ifanye mashambulizi yaliyopangwa yawe ya gharama kubwa. Makubaliano ya Nakamoto hutumia PoW ya hesabu kama kizuizi cha kiwango cha vitambulisho vipya, na kuunda uchaguzi wa kiongozi wa stokastiki. Hata hivyo, mchakato huu ni wa polepole na hutoa tu usalama wa uwezekano.
Suluhisho la HotPoW ni kutumia PoW sio kwa ajili ya uchaguzi wa kiongozi pekee, bali kuunda quorums za muda mfupi, za stokastiki. Quorums hizi ni vikundi vya nodi ambavyo vimeonyesha juhudi za hesabu ndani ya muda maalum. Ufahamu muhimu ni kwamba kwa kigezo cha usalama kilichopewa, quorum kubwa ya kutosha iliyochaguliwa kutoka kwa mchakato wa Poisson (kwa kuiga utafutaji wa suluhisho za PoW) itakuwa ya kipekee kivitendo. Upekee huu huwezesha quorum kufanya kazi kama kamati ya kupiga kura ya kuaminika kwa raundi ya uthibitisho wa mwisho wa mtindo wa BFT, bila kuhitaji vitambulisho vilivyosajiliwa mapema.
Hutenganisha upinzani wa Sybil na uthibitisho wa mwisho wa makubaliano. PoW hutoa uundaji wa kamati yenye upinzani wa Sybil, wakati itifaki ya BFT iliyowekwa kwenye bomba inayoendeshwa juu ya kamati hii hutoa uthibitisho wa mwisho wa haraka na wa hakika.
Sehemu hii inaweka dhana ya quorums zinazotokana na mchakato wa stokastiki.
Kupatikana kwa suluhisho za PoW ("kura") na nodi kunachukuliwa kama mchakato wa Poisson na kiwango cha $λ$. Katika muda wa $Δ$, idadi ya suluhisho zinazopatikana hufuata usambazaji wa Poisson. "Quorum" inafafanuliwa kama seti ya nodi zinazopata suluhisho ndani ya dirisha maalum. Ukubwa wa quorum hii ni tofauti nasibu $Q$.
Nadharia inathibitisha kwamba kwa ukubwa wa quorum lengwa $k$ na kigezo cha usalama $ε$, uwezekano kwamba quorums mbili zilizochaguliwa kwa kujitegemea za ukubwa $≥ k$ hazina mwingiliano umefungwa na $ε$. Hii ndio sifa ya upekee wa stokastiki. Inahakikisha kwamba adui hawezi kwa urahisi kugawanya mnyororo kwa kuunda quorum mbadala, halali kwa wakati mmoja, kwani uwezekano wa kuunda quorum kubwa ya kutosha ambayo hailingani na ile ya wakweli ni ndogo sana. Kigezo $k$ kinatokana na $λ$, $Δ$, na kiwango cha usalama kinachohitajika.
HotPoW inaweka nadharia hiyo katika itifaki inayofanya kazi.
HotPoW inachukua uthibitisho wa hatua tatu uliowekwa kwenye bomba (Andaa, Kabla ya Kuthibitisha, Thibitisha) kutoka kwa HotStuff BFT. Hata hivyo, badala ya kamati isiyobadilika, wapiga kura katika kila hatua ni wanachama wa quorum ya PoW kwa enzi hiyo. Kiongozi anapendekeza kizuizi. Wanachama wa quorums za PoW zilizoundwa kwa mpangilio kwa ajili ya hatua za Andaa, Kabla ya Kuthibitisha, na Thibitisha wanapiga kura kuhusu pendekezo hilo. Mara tu kizuizi kinapopata idadi kubwa ya kura kutoka kwa quorum ya hatua ya Thibitisha, kinathibitishwa mara moja. Hii hutoa uthibitisho wa mwisho wa kutabirika na wa haraka tofauti na kina kinachokua cha uthibitisho cha sheria za mnyororo mrefu zaidi.
Itifaki inabaki isiyo na ruhusa. Yeyote anaweza kushiriki kwa kutatua fumbo za PoW. Uundaji wa quorum hubadilika kiotomatiki kulingana na ushiriki wa mtandao. Ugumu wa mawasiliano ni wa mstari katika ukubwa wa quorum ($O(k)$), sawa na usambazaji wa mnyororo wa kuzuia, na unaweza kupanuka zaidi kuliko itifaki za BFT za quadratic. Inaepuka ugumu na mzigo wa suluhisho za uthibitisho wa mwisho zenye msingi wa mnyororo wa upande.
Karatasi hii inatathmini HotPoW kupitia uigizaji dhidi ya ucheleweshaji wa mtandao, mabadiliko (nodi zinazojiunga/kuondoka), na mashambulizi yaliyolengwa.
Uchambuzi wa Kielelezo 1 (Kiufundi): Kielelezo cha PDF kinalinganisha usambazaji wa kielelezo dhidi ya usambazaji wa gamma kwa makundi makubwa/madogo. Uchaguzi wa quorum wa HotPoW, sawa na mchakato wa gamma (panel ya kulia), huunda utenganisho wazi zaidi kati ya uwezekano wa wengi wa wakweli na wa mshambuliaji wa kuunda quorum halali baada ya muda, na kutoa "kiwango cha usalama." Hii ni bora kuliko muundo rahisi wa kielelezo (kushoto) unaotumika katika PoW ya msingi, ambapo mikia inalingana zaidi, na kusababisha dhamana dhaifu zaidi ya uthibitisho wa mwisho.
Uchambuzi wa usalama unategemea sifa za mchakato wa Poisson. Acha $N(t)$ iwe idadi ya suluhisho za PoW (kura) zinazopatikana na nodi za wakweli kufikia wakati $t$, na kiwango cha $λ_h$. Adui ana kiwango cha $λ_a < λ_h$ (dhana ya wengi wa wakweli).
Uwezekano kwamba adui anaweza kuunda quorum ya ukubwa $k$ katika muda $Δ$ bila kuingiliana na quorum ya wakweli ya ukubwa $m$ umefungwa na mkia wa usambazaji wa Poisson:
$P(\text{quorum ya kipekee ya adui} \geq k) \leq \sum_{i=k}^{\infty} \frac{e^{-λ_a Δ}(λ_a Δ)^i}{i!} \cdot F(m, i)$
Ambapo $F(m,i)$ ni neno la mchanganyiko linalowakilisha uwezekano wa kutokuwa na mwingiliano. Kwa kuweka $k$, $m$, na $Δ$ ipasavyo, uwezekano huu unaweza kufanywa kuwa mdogo sana ($ε$). Mantiki ya HotStuff iliyowekwa kwenye bomba kisha inahakikisha kwamba ikiwa quorum ya kipekee ya kuthibitisha inaundwa, kizuizi hicho ni cha mwisho.
Mfumo wa Kulinganisha Mbinu za Uthibitisho wa Mwisho:
Mfano wa Kesi - Hali ya Shambulio: Mshambuliaji mwenye 30% ya nguvu ya hash anajaribu kutumia pesa mara mbili. Katika Bitcoin, wanajaribu kurekebisha upya kwa kina. Katika HotPoW, lazima ama 1) kutawala mbio za PoW ili kudhibiti quorums mfululizo za Andaa, Kabla ya Kuthibitisha, Thibitisha (ngumu sana na hash <50%), au 2) kuunda quorum tofauti, kubwa ya kutosha ya kuthibitisha ambayo hailingani na ile ya wakweli. Nadharia ya upekee wa stokastiki inaonyesha uwezekano wa (2) ni ndogo sana ($ε$). Kwa hivyo, shambulio linashindwa, na manunuzi ya asili yanabaki ya mwisho baada ya hatua moja ya kuthibitisha.
Matumizi Yanayowezekana:
Mwelekeo wa Utafiti wa Siku Zijazo:
Ufahamu wa Msingi: HotPoW sio marekebisho mengine tu ya makubaliano; ni uundaji upya wa msingi wa ndege ya uaminifu katika mifumo isiyo na ruhusa. Karatasi hiyo inatambua kwa usahihi "ushirikiano dhidi ya usalama" kama ugonjwa wa msingi katika makubaliano ya Nakamoto—badiliko ambalo limelazimisha wasanidi programu kuchagua kati ya utawala wa kijamii wa Bitcoin na uthibitisho wa mwisho wa haraka wa minyororo ya BFT iliyoruhusiwa kama ile inayounga mkono Diem (zamani Libra). Suluhisho lao, quorums za PoW za stokastiki, ni la kifahari kiakili. Hazingatii uthibitisho wa kazi kama mbinu ya makubaliano yenyewe, bali kama zana ya kuchagua kriptografia kwa ajili ya kuunda kamati za BFT za muda mfupi. Hii inafanana na mabadiliko ya kifalsafa yanayoonekana katika uchaguzi wa uthibitisho wa dau wa Algorand, lakini inaiweka katika ulimwengu uliojaribiwa, wenye upinzani wa ASIC (ikiwa sio wa ufanisi wa nishati) wa PoW. Uhusiano na BFT iliyowekwa kwenye bomba ya HotStuff ni hekima ya vitendo, inainua injini ya uthibitisho wa mwisho iliyothibitishwa, yenye ugumu wa mstari na kuiweka kwenye msingi unaozalishwa kwa nguvu, wenye upinzani wa Sybil.
Mtiririko wa Mantiki: Hoja inaendelea kwa uwazi wa kulazimisha: 1) Tambua pengo la uthibitisho wa mwisho, 2) Pendekeza nadharia ambapo kazi ya hesabu hununua uanachama wa kamati, 3) Thibitisha kuwa kamati hii ni ya kuaminika kipekee (upekee wa stokastiki), 4) Weka itifaki ya kisasa ya BFT (HotStuff) juu yake. Matokeo ya uigizaji, ingawa hayatoki kwenye mtandao wa moja kwa moja, yanaonyesha kwa ushawishi kuwa itifaki inashikilia chini ya msongo. Ulinganisho na uthibitisho wa mwisho wenye msingi wa mnyororo wa upande (kama Bitcoin-NG au mapendekezo ya awali) ni nguvu muhimu—HotPoW inafikia lengo moja bila ugumu mkubwa wa kusimamia minyororo mingi iliyounganishwa, ugumu ambao umewatesa miradi kama muundo wa usalama wa Cosmos IBC, kama ilivyoelezwa katika hati zao wenyewe kuhusu usalama wa kati ya minyororo.
Nguvu na Kasoro: Nguvu kuu ni umoja wa dhana. Inaunganisha silos mbili za utafiti zilizotengwa kihistoria. Profaili ya utendaji—mawasiliano ya $O(n)$, uthibitisho wa mwisho wa haraka—ni bora zaidi kinadharia kuliko BFT ya jadi na PoW ya mnyororo mrefu zaidi. Hata hivyo, kasoro ni muhimu. Kwanza, swali la matumizi ya nishati limepuzwa, lakini katika ulimwengu wa baada ya ESG, pendekezo lolote jipya la PoW linakabiliwa na mapambano magumu. Pili, unyeti wa kigezo unaogopesha. Kigezo cha usalama $ε$ kinategemea sana makadirio sahihi ya nguvu ya hash ya wakweli dhidi ya adui ($λ_h$, $λ_a$). Mshambuliaji anaweza kwa muda kuongeza nguvu ya hash ("shambulio la mwanga" kupitia masoko ya kukodisha, kama ilivyojadiliwa katika uchambuzi wa "Uchimbaji wa Kujipendelea" na Eyal na Sirer) ili kukiuka dhana ya wengi wa wakweli wakati wa dirisha muhimu la uundaji wa quorum, na kuvunja uthibitisho wa mwisho. Hii ni hatari kubwa zaidi kuliko katika PoW ya jadi, ambapo shambulio kama hilo linaathiri vizuizi vichache tu. Tatu, uhai wakati wa ushiriki mdogo haujulikani—nini hufanyika ikiwa nodi hazitoshi kutatua fumbo za PoW kuunda quorum ya ukubwa $k$? Itifaki inaweza kusimama.
Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa watafiti, hatua inayofuata ya haraka ni kuweka rasmi muundo wa mchanganyiko wa stokastiki/BFT katika mfumo kama Muundo Unaoweza Kuchanganyika Kwa Ujumla (UC) ili kupima kwa usahihi usalama wake chini ya uharibifu unaobadilika. Kwa wahandisi, utekelezaji wa mtandao wa majaribio unahitajika ili kuthibitisha mawazo ya ucheleweshaji wa ulimwengu halisi. Kwa wawekezaji na waunda, HotPoW inawasilisha mchoro wa kulazimisha wa aina mpya ya "vitabu vya mizigo mizito" kwa sarafu za dijiti za benki kuu (CBDCs) au malipo ya taasisi, ambapo uthibitisho wa mwisho hauwezi kubadilishwa lakini ukaguzi usio na ruhusa unahitajika. Hata hivyo, sio badala ya moja kwa moja kwa Ethereum au Bitcoin. Niche yake iko katika programu ambazo kwa sasa hutumia vifaa vya uthibitisho wa mwisho vilivyochanganyika, vya kuaminika au minyororo ya upande ya shirikisho. Jaribio la mwisho litakuwa ikiwa nadharia yake nzuri inaweza kustahimili ukweli wa fujo wa mtandao wa kimataifa, wa adui—ukweli ambao umewanyenyekea miundo mingi mizuri ya mnyororo wa kuzuia.