Bitcoin'in Nakamoto mutabakatı, devrim niteliğinde olmasına rağmen, arasında temel bir gerilim yarattı. kapsayıcılık (herhangi bir katılımcının katılmasına izin vererek) ve güvenlik (kötü niyetli aktörlerin ağı kontrol etmesini önleyerek). Bu çatışma, aşağıdaki eksikliklerde kendini gösterir: kesinlik—işlemlerin geri döndürülemez onayı. Bitcoin gibi geleneksel iş ispatı (PoW) blok zincirleri yalnızca olasılıksal nihai tutarlılık sunar; burada bir işlemin onayı zamanla daha kesin hale gelir ancak asla kesinlikle nihai olmaz. Bu sınırlama, yüksek değerli ve zaman açısından kritik uygulamalarda kullanımlarını engeller.
HotPoW bu temel sorunu ele alır. Şu arasında yeni bir köprü önerir: Nakamoto tarzı mutabakat (izin gerektirmeyen, PoW tabanlı) ve Byzantine Fault Tolerance (BFT) konsensüs (hızlı kesinlik sunar ancak bilinen katılımcılar gerektirir). Protokol bunu yeni bir teorik yapı aracılığıyla başarır: proof-of-work quorums.
Makale, temel bir ikilemi tespit eder: Kapsayıcı olmak için bir protokolün kolay girişe izin vermesi (düşük Sybil direnci) gerekir, ancak güvenli olması için koordineli saldırıları pahalı hale getirmelidir. Nakamoto mutabakatı, yeni kimlikler için bir hız sınırlayıcı olarak hesaplamalı PoW kullanır ve stokastik bir lider seçimi yaratır. Ancak bu süreç yavaştır ve yalnızca olasılıksal güvenlik sağlar.
HotPoW'nin çözümü, PoW'u yalnızca lider seçimi için değil, aynı zamanda oluşturmak için kullanmaktır. geçici, stokastik yeter sayılar. Bu yeter sayılar, belirli bir zaman penceresi içinde hesaplama çabası kanıtlamış düğüm gruplarıdır. Temel içgörü, belirli bir güvenlik parametresi için, bir Poisson sürecinden (PoW çözüm bulmalarını modelleyen) örneklenen yeterince büyük bir yeter sayının pratik olarak benzersiz olacağıdır.Bu benzersizlik, önceden kayıtlı kimlikler gerektirmeden, kurulun BFT tarzı bir finalite turu için güvenilir bir oylama komitesi olarak hareket etmesini sağlar.
Sybil direncini konsensüs finalitesinden ayırır. PoW, Sybil'e dirençli komite oluşumunu sağlarken, bu komite üzerinde çalışan boru hattı şeklinde bir BFT protokolü hızlı ve deterministik finalite sağlar.
Bu bölüm, stokastik bir süreçten doğan quorum kavramını resmileştirir.
Düğümler tarafından PoW çözümlerinin ("oyların") bulunması, Poisson süreci $\lambda$ oranıyla. $\Delta$ zaman aralığında bulunan çözüm sayısı bir Poisson dağılımı izler. "Quorum", belirli bir pencere içinde bir çözüm bulan düğümler kümesi olarak tanımlanır. Bu quorumun boyutu $Q$ rastgele değişkenidir.
Teori, hedef quorum boyutu $k$ ve bir güvenlik parametresi $\epsilon$ için, boyutu $\geq k$ olan bağımsız olarak örneklenmiş iki quorumun ayrık olma olasılığının $\epsilon$ ile sınırlı olduğunu kanıtlar. Bu, stokastik benzersizlik Özellik. Bir saldırganın aynı yuva için, dürüst olanla örtüşmeyen yeterince büyük bir yeter sayı oluşturma olasılığı ihmal edilebilir düzeyde olduğundan, rekabet eden geçerli bir yeter sayı yaratarak zinciri kolayca çatallayamayacağını garanti eder. $k$ parametresi, $\lambda$, $\Delta$ ve istenen güvenlik seviyesinden türetilir.
HotPoW, teoriyi çalışan bir protokole dönüştürür.
HotPoW, boru hattı (pipeline) üç aşamalı taahhüdü benimser. (Hazırlık, Ön-Onay, Onay) HotStuff BFT'den alınmıştır. Ancak, statik bir komite yerine, her aşamadaki oy verenler o dönem için PoW yeter sayısının üyeleridir. Bir lider bir blok önerir. Sırayla oluşturulan Hazırlık, Ön-Onay ve Onay aşamalarındaki PoW yeter sayılarının üyeleri öneri üzerine oy kullanır. Bir blok, Onay aşaması yeter sayısından nitelikli çoğunluk oyu aldığında, hemen kesinleştirilir. Bu, en uzun zincir kurallarının artan onay derinliğinin aksine, öngörülebilir ve hızlı kesinleşme sağlar.
Protokol izinsiz olmaya devam eder. Herkes PoW bulmacalarını çözerek katılabilir. Quorum oluşumu, ağ katılımına otomatik olarak uyum sağlar. İletişim karmaşıklığı, quorum boyutunda doğrusaldır ($O(k)$), blok zinciri yayılımına benzer şekilde ve kuadratik BFT protokollerinden çok daha ölçeklenebilirdir. Yan zincir tabanlı nihailik çözümlerinin karmaşıklığı ve ek yükünden kaçınır.
Makale, HotPoW'u ağ gecikmesi, devir (düğümlerin katılması/ayrılması) ve hedefli saldırılara karşı simülasyon yoluyla değerlendirir.
Şekil 1 Analizi (Kavramsal): PDF şekli, çoğunluk/azınlık grupları için üstel ve gama dağılımlarını karşılaştırır. HotPoW'nun yeter sayı örneklemesi, bir gama sürecine (sağ panel) benzer şekilde, dürüst bir çoğunluğun ve bir saldırganın zaman içinde geçerli bir yeter sayı oluşturma olasılıkları arasında daha net bir ayrım yaratarak bir "güvenlik payı" sağlar. Bu, temel PoW'da kullanılan ve kuyrukların daha fazla örtüşmesi nedeniyle daha zayıf kesinlik garantilerine yol açan basit üstel modelden (sol) üstündür.
The güvenlik analysis relies on the properties of the Poisson süreci. 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).
Bir rakibin, boyutu $m$ olan dürüst bir yeter sayı ile örtüşmeden, $\Delta$ süresi içinde boyutu $k$ olan bir yeter sayı oluşturma olasılığı, Poisson dağılımının kuyruğu ile sınırlıdır:
$P(\text{rakip benzersiz kurul} \geq k) \leq \sum_{i=k}^{\infty} \frac{e^{-\lambda_a \Delta}(\lambda_a \Delta)^i}{i!} \cdot F(m, i)$
Burada $F(m,i)$, sıfır örtüşme olasılığını temsil eden bir kombinatoryal terimdir. $k$, $m$ ve $\Delta$ uygun şekilde ayarlanarak bu olasılık üstel olarak küçük ($\epsilon$) yapılabilir. Ardından, boru hattına alınmış HotStuff mantığı, eğer benzersiz bir taahhüt kurulu oluşursa, bloğun nihai olduğunu garanti eder.
Nihailik Mekanizmalarını Karşılaştırma Çerçevesi:
Örnek Vaka - Saldırı Senaryosu: 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 stokastik benzersizlik shows the probability of (2) is negligible ($\epsilon$). Thus, the attack fails, and the original transaction remains final after one commit phase.
Potansiyel Uygulamalar:
Gelecekteki Araştırma Yönleri:
Temel İçgörü: HotPoW, sadece başka bir mutabakat ayarı değil; izinsiz sistemlerdeki güven düzleminin temelden yeniden mimarilenmesidir. Makale, Nakamoto mutabakatının kalbindeki "kapsayıcılık vs. güvenlik" kanserini doğru teşhis ediyor - bu ödünleşim, geliştiricileri Bitcoin'in sağlam merkeziyetsizliği ile Diem (eski adıyla Libra) gibi izinli BFT zincirlerinin hızlı kesinliği arasında seçim yapmaya zorlamıştır. Onların çözümü olan stokastik PoW yeter sayıları, entelektüel olarak zariftir. İş kanıtını, bir mutabakat mekanizması olarak değil, bir kriptografik kura çekme aracı geçici BFT komiteleri oluşturmak için. Bu, Algorand'ın proof-of-stake kurasında görülen felsefi değişimi yansıtıyor, ancak onu savaşta test edilmiş, ASIC'e dirençli (enerji verimli olmasa da) PoW dünyasına temellendiriyor. HotStuff'ın pipeline BFT'siyle bağlantısı pratik bir deha örneği; kanıtlanmış, doğrusal karmaşıklığa sahip bir finalite motorunu alıp, dinamik olarak oluşturulmuş, Sybil'e dirençli bir tabanın üzerine yerleştiriyor.
Mantıksal Akış: Argüman ikna edici bir netlikle ilerliyor: 1) Finalite boşluğunu tanımla, 2) Hesaplama işinin komite üyeliği satın aldığı bir teori öne sür, 3) Bu komitenin benzersiz şekilde güvenilir olduğunu kanıtla (stokastik benzersizlik), 4) Üzerine modern bir BFT protokolü (HotStuff) yerleştir. Simülasyon sonuçları, canlı bir ağdan olmasa da, protokolün stres altında ayakta kaldığını ikna edici şekilde gösteriyor. Yan zincir tabanlı finaliteyle (Bitcoin-NG veya önceki öneriler gibi) karşılaştırma kilit bir güç noktası—HotPoW, birbirine geçmiş birden fazla zinciri yönetmenin muazzam karmaşıklığı olmadan aynı hedefe ulaşıyor; Cosmos IBC'nin güvenlik modeli gibi projeleri rahatsız eden, kendi zincirler arası güvenlik dokümantasyonlarında da belirtildiği üzere bir karmaşıklık.
Strengths & Flaws: Birincil güçlü yön, kavramsal birleştirmeİki tarihsel olarak ayrı araştırma alanını birbirine bağlar. Performans profili—O(n) iletişim, hızlı kesinlik—teorik olarak hem geleneksel BFT'den hem de en uzun zincir PoW'dan üstündür. Ancak, eksiklikler önemlidir. İlk olarak, enerji tüketimi sorunu geçiştiriliyor, ancak ESG sonrası bir dünyada, herhangi bir yeni PoW önerisi zorlu bir mücadeleyle karşı karşıyadır. İkinci olarak, parametre hassasiyeti endişe vericidir. Güvenlik parametresi $\epsilon$, dürüst ve kötü niyetli hash gücünün ($\lambda_h$, $\lambda_a$) doğru tahminlerine kritik şekilde bağlıdır. Bir saldırgan, kritik bir yeter sayı oluşum penceresinde dürüst çoğunluk varsayımını ihlal etmek ve nihai kararı bozmak amacıyla hash gücünü geçici olarak artırabilir (Eyal ve Sirer'in "Bencil Madencilik" analizinde tartışıldığı gibi kiralama piyasaları aracılığıyla bir "ani saldırı"). Bu, geleneksel PoW'da böyle bir saldırının yalnızca birkaç bloğu etkilediği duruma kıyasla daha ciddi bir risk teşkil etmektedir. Üçüncüsü, düşük katılım sırasında canlılık belirsizdir—eğer yeterli sayıda düğüm $k$ boyutunda bir yeter sayı oluşturmak için PoW bulmacalarını çözmekle uğraşmazsa ne olur? Protokol duraklayabilir.
Eyleme Dönüştürülebilir İçgörüler: Araştırmacılar için bir sonraki acil adım, kombine stokastik/BFT modelini, adaptif yozlaşma altındaki güvenliğini kesin olarak ölçmek için Evrensel Olarak Birleştirilebilir (UC) modeli gibi bir çerçevede resmileştirmektir. Mühendisler için, gerçek dünya gecikme varsayımlarını doğrulamak üzere bir testnet uygulaması gereklidir. Yatırımcılar ve geliştiriciler için HotPoW, merkez bankası dijital para birimleri (CBDC'ler) veya kurumsal mutabakat gibi, kesinliğin pazarlığa açık olmadığı ancak izinsiz denetlenebilirliğin arzulandığı yeni bir "ağır hizmet" defter sınıfı için ikna edici bir taslak sunar. Ancak, Ethereum veya Bitcoin için doğrudan bir yedek değildir. Nişi, şu anda karmaşık, güvenilir kesinlik araçlarına veya federasyon yan zincirlere başvuran uygulamalardır. Nihai test, zarif teorisinin küresel, düşmanca bir ağın kaotik gerçekliğine dayanıp dayanamayacağı olacaktır - ki bu gerçeklik birçok güzel blockchain tasarımını hizaya getirmiştir.