HaPPY-Mine: یک تابع پویای پاداش استخراج برای تمرکززدایی در بلاکچین

فهرست مطالب

1. مقدمه و مرور کلی

این سند مقاله تحقیقاتی "HaPPY-Mine: طراحی یک تابع پاداش استخراج" توسط کیفر و راجارامان را تحلیل می‌کند. این مقاله به یک نقص حیاتی در بلاکچین‌های اصلی مبتنی بر اثبات کار (PoW) مانند بیت‌کوین و اتریوم می‌پردازد: تمایل مدل‌های پاداش ثابت بلوک به ایجاد تمرکزگرایی در استخراج. نویسندگان HaPPY-Mine (بازده متناسب متصل به هش) را پیشنهاد می‌دهند، خانواده‌ای نوآورانه از توابع پاداش پویا که پاداش کل بلوک را به نرخ هش کل شبکه متصل می‌کند. تز اصلی این است که با کاهش پاداش‌ها با افزایش قدرت استخراج جمعی، HaPPY-Mine انگیزه‌های اقتصادی منفی برای تمرکز بیش از حد قدرت هش ایجاد می‌کند و در نتیجه یک اکوسیستم استخراج غیرمتمرکزتر و امن‌تر را ترویج می‌دهد.

2. پیشینه و بیان مسئله

پاداش‌های بلوک دو هدف را دنبال می‌کنند: ایجاد انگیزه برای استخراج‌کنندگان برای ایمن‌سازی شبکه و ضرب ارز جدید. امنیت بلاکچین‌های PoW مستقیماً به هزینه حمله به شبکه مرتبط است که تابعی از نرخ هش صادقانه کل است.

2.1 مدل‌های پاداش ثابت و تمرکزگرایی

سیستم‌های موجود از مدل‌های پاداش ثابت استفاده می‌کنند: یک پاداش ثابت برای هر بلوک (اتریوم) یا پاداشی که در فواصل از پیش تعیین شده نصف می‌شود (بیت‌کوین). تحلیل نظریه بازی نشان می‌دهد که تحت این مدل‌ها با هزینه‌های نامتقارن استخراج‌کنندگان، یک تعادل نش منحصربه‌فرد وجود دارد. با این حال، این تعادل اغلب با تمرکزگرایی قابل توجهی همراه است، جایی که چند استخراج‌کننده کم‌هزینه سهم نامتناسبی بزرگی از نرخ هش را در اختیار می‌گیرند. این فقط نظری نیست؛ به صورت تجربی در استخرهای استخراج بیت‌کوین و اتریوم مشاهده شده است.

2.2 هزینه‌های نامتقارن استخراج‌کنندگان

علت ریشه‌ای تمرکزگرایی، عدم تقارن هزینه است. استخراج‌کنندگان هزینه‌های متفاوتی برای برق، سخت‌افزار و خنک‌کنندگی دارند. در یک مدل پاداش ثابت، استخراج‌کنندگان با هزینه کمتر می‌توانند با آستانه سودآوری پایین‌تری فعالیت کنند، که به آن‌ها اجازه می‌دهد رقابت کنند و در نهایت استخراج‌کنندگان پر هزینه‌تر را به حاشیه ببرند و منجر به تمرکز قدرت هش شوند.

3. مدل HaPPY-Mine

HaPPY-Mine یک تغییر پارادایم از پاداش‌های ثابت به پویا معرفی می‌کند.

3.1 اصل طراحی هسته

پاداش کل بلوک $R_{total}$ دیگر یک ثابت یا تابع پله‌ای نیست. در عوض، یک تابع پیوسته و کاهشی از نرخ هش کل شبکه $H_{total}$ است. با پیوستن استخراج‌کنندگان بیشتر یا افزودن قدرت توسط استخراج‌کنندگان موجود، کیک (پاداش کل) کوچک می‌شود و گسترش در مقیاس بزرگ را کمتر جذاب می‌کند. پاداش‌ها همچنان متناسب با نرخ هش فردی $h_i$ توزیع می‌شوند.

3.2 فرمول‌بندی ریاضی

پاداش برای استخراج‌کننده $i$ به صورت زیر داده می‌شود: $$Reward_i = \frac{h_i}{H_{total}} \cdot R(H_{total})$$ که در آن $R(H_{total})$ تابع پاداش است. یک مثال ساده یک تابع نسبت معکوس است: $$R(H_{total}) = \frac{C}{H_{total}}$$ که در آن $C$ یک ثابت است. این اطمینان می‌دهد که پاداش کل توزیع شده $C$ است، صرف نظر از نرخ هش. توابع کاهشی پیچیده‌تر و هموارتر را می‌توان طراحی کرد.

4. تحلیل نظریه بازی و نتایج

4.1 وجود و یکتایی تعادل

مقاله ثابت می‌کند که تحت یک مدل هزینه ناهمگن استخراج‌کنندگان، یک تعادل HaPPY-Mine همیشه وجود دارد. علاوه بر این، دارای یک مجموعه منحصربه‌فرد از شرکت‌کنندگان فعال استخراج و یک نرخ هش کل شبکه منحصربه‌فرد است. این پیش‌بینی‌پذیری و ثبات را برای سیستم فراهم می‌کند.

4.2 معیارهای تمرکززدایی و مقایسه

این بخش، سهم کلیدی مقاله است. نویسندگان به طور دقیق ثابت می‌کنند که تعادل تحت HaPPY-Mine به طور قطع غیرمتمرکزتر از تعادل تحت یک مدل پاداش ثابت قابل مقایسه است. این با موارد زیر اندازه‌گیری می‌شود:

• تعداد استخراج‌کنندگان فعال: HaPPY-Mine از مجموعه بزرگتری از شرکت‌کنندگان پشتیبانی می‌کند.
• توزیع نرخ هش: ضریب جینی یا شاخص هرش‌هندال-هیرشمن (HHI) پایین‌تر است که نشان‌دهنده توزیع متعادل‌تر قدرت است.
• انعطاف‌پذیری: استخراج‌کنندگان پر هزینه برای مدت طولانی‌تری قابل دوام می‌مانند و از پویایی برنده همه چیز را می‌برد جلوگیری می‌کنند.

تحلیل نشان می‌دهد که پاداش پویا به عنوان یک تثبیت‌کننده خودکار عمل می‌کند و رشد سهم هر نهاد واحد را مهار می‌کند.

4.3 امنیت در برابر تبانی و حملات سیبیل

مقاله نشان می‌دهد که HaPPY-Mine ویژگی‌های ایمنی توابع پاداش متناسب را به ارث می‌برد و تقویت می‌کند. تبانی (ادغام نرخ هش) مزیت نامتناسبی ارائه نمی‌دهد زیرا استخر پاداش کل با افزایش نرخ هش گروه متبانی کوچک می‌شود. حملات سیبیل (تقسیم نرخ هش یک نهاد به هویت‌های جعلی متعدد) نیز بی‌اثر هستند زیرا پاداش‌ها صرفاً بر اساس کار اثبات شده توزیع می‌شوند، نه هویت.

5. جزئیات فنی و چارچوب

5.1 چارچوب ریاضی

تحلیل بر اساس یک مدل استاندارد نظریه بازی برای استخراج ساخته شده است. هر استخراج‌کننده $i$ یک هزینه به ازای هر واحد نرخ هش $c_i$ دارد. سود آن‌ها $\pi_i$ به صورت زیر است: $$\pi_i(h_i, H_{-i}) = \frac{h_i}{h_i + H_{-i}} \cdot R(h_i + H_{-i}) - c_i \cdot h_i$$ که در آن $H_{-i}$ نرخ هش کل تمام استخراج‌کنندگان دیگر است. تعادل نش با حل مجموعه شرایط بهترین پاسخ پیدا می‌شود که در آن هیچ استخراج‌کننده‌ای نمی‌تواند با تغییر یک‌جانبه نرخ هش خود، سود را افزایش دهد. ماهیت کاهشی $R(\cdot)$ در اثبات نتیجه تمرکززدایی حیاتی است.

5.2 مثال چارچوب تحلیل

سناریو: دو شبکه استخراج A (پاداش ثابت) و B (HaPPY-Mine) را مقایسه کنید، هر کدام با ۳ استخراج‌کننده با هزینه‌های $c_1=1$، $c_2=2$، $c_3=3$ واحد.

• شبکه A (ثابت): پاداش کل $R=100$ ثابت. محاسبه تعادل نشان می‌دهد استخراج‌کننده ۳ (پر هزینه‌ترین) ممکن است از بازار خارج شود. نرخ هش تعادل در استخراج‌کنندگان ۱ و ۲ متمرکز است.
• شبکه B (HaPPY-Mine): تابع پاداش $R(H)=300/H$. با افزودن قدرت توسط استخراج‌کنندگان، پاداش به ازای هر واحد کاهش می‌یابد. محاسبه تعادل منجر به نرخ هش کل پایین‌تر $H^*$ می‌شود اما جایی که هر سه استخراج‌کننده می‌توانند با سهم متعادل‌تر و سودآور شرکت کنند. حاشیه سود برای استخراج‌کننده کم‌هزینه (۱) در مقایسه با مدل ثابت فشرده می‌شود و انگیزه آن‌ها برای گسترش عظیم را کاهش می‌دهد.

این مورد ساده فشار تمرکززدایی را نشان می‌دهد: پاداش پویای HaPPY-Mine سودآوری مقیاس را محدود می‌کند و جایگاهی برای استخراج‌کنندگان کوچک‌تر با هزینه بالاتر حفظ می‌کند.

6. دیدگاه تحلیلی انتقادی

بینش هسته: HaPPY-Mine فقط یک تنظیم جزئی نیست؛ این یک بازمعماری اساسی انگیزه‌های استخراج‌کنندگان از "یارانه دادن به مقیاس" به "جریمه کردن تمرکز" است. این مدل تشخیص می‌دهد که در PoW، امنیت یک کالای عمومی است که توسط انگیزه سود خصوصی تهدید می‌شود، و مستقیماً تابع پاداش را مهندسی می‌کند تا این نیروهای اغلب متضاد را همسو کند. این رویکردی پیچیده‌تر از بحث‌های نظارتی پسینی درباره استخرهای استخراج است.

جریان منطقی: استدلال ظریف و بدون نقص است. ۱) پاداش‌های ثابت + عدم تقارن هزینه = تمرکزگرایی (در کارهای قبلی اثبات شده). ۲) تمرکزگرایی برای امنیت و اصول بد است. ۳) بنابراین، وابستگی تابع پاداش را از زمان (نصف شدن) یا هیچ چیز (ثابت) به حالت سیستم (نرخ هش) تغییر دهید. ۴) ثابت کنید که این تابع جدید وابسته به حالت، یک تعادل منحصربه‌فرد و غیرمتمرکزتر ایجاد می‌کند. منطق از شناسایی مسئله به یک راه‌حل اصولی با اعتبارسنجی دقیق حرکت می‌کند.

نقاط قوت و ضعف: نقطه قوت آن، دقت ریاضی و حمله مستقیم به نقص اقتصادی هسته است. این مدل نیازی به سخت‌افزار مورد اعتماد یا تغییرات پیچیده اجماع ندارد. با این حال، مدل دارای نقاط ضعفی است. اول، پیچیدگی پیاده‌سازی: اندازه‌گیری دقیق $H_{total}$ به صورت غیرمتمرکز، بلادرنگ و بدون دستکاری، کار ساده‌ای نیست. دوم، نوسان و راه‌اندازی: سقوط قیمت سکه همراه با کاهش پاداش ناشی از نرخ هش می‌تواند باعث یک "مارپیچ مرگ" خروج استخراج‌کنندگان شود. مدل فرض می‌کند استخراج‌کنندگان عقلانی و حداکثرکننده سود هستند، اما وحشت و احساسات می‌توانند غالب شوند. سوم، ممکن است صرفاً تمرکزگرایی را کند کند، نه متوقف. اگر اختلاف هزینه به اندازه کافی شدید باشد، استخراج‌کننده کم‌هزینه ممکن است همچنان غالب باشد، فقط در یک نرخ هش تعادل پایین‌تر. همانطور که در تحقیقات بنیاد اتریوم درباره ارزش قابل استخراج استخراج‌کننده (MEV) اشاره شده است، کارمزدهای تراکنش می‌توانند پاداش‌های بلوک را تحت الشعاع قرار دهند و به طور بالقوه اثر HaPPY-Mine را تضعیف کنند.

بینش‌های قابل اجرا: برای طراحان پروتکل: HaPPY-Mine یک مرجع اجباری برای هر زنجیره PoW جدیدی است که جداً به دنبال تمرکززدایی است. باید به طور گسترده با داده‌های هزینه دنیای واقعی شبیه‌سازی شود. برای زنجیره‌های موجود (BTC, ETH): یک هارد فورک برای پذیرش این مدل از نظر سیاسی تقریباً غیرممکن است، اما اصول آن می‌تواند طراحی بازارهای کارمزد آینده یا انگیزه‌های اعتبارسنج پس از ادغام در اثبات سهام را آگاه کند. برای سرمایه‌گذاران: پروژه‌های جدید را بر اساس ساختارهای انگیزشی آن‌ها ارزیابی کنید. پروژه‌ای که از یک مدل PoW ثابت ساده‌لوحانه استفاده می‌کند، یک دهه ریسک‌های شناخته شده تمرکزگرایی را نادیده می‌گیرد. HaPPY-Mine نمایانگر نوعی تفکر مرتبه دوم است که پروتکل‌های قوی را از پروتکل‌های شکننده جدا می‌کند.

7. کاربردها و جهت‌های آینده

• توابع پاداش ترکیبی: ترکیب یک پاداش پایه HaPPY-Mine با یک جزء کارمزد تراکنش که می‌تواند پویایی متفاوتی داشته باشد.
• انطباق با اثبات سهام (PoS): ایده هسته—جریمه کردن تمرکز منبع سهام‌گذاری شده—می‌تواند برای سیستم‌های PoS تطبیق داده شود تا از تمرکزگرایی استخر سهام جلوگیری کند، که یک نگرانی در شبکه‌هایی مانند کاردانو و اتریوم ۲.۰ است.
• تنظیم پارامتر پویا: تابع پاداش $R(H)$ خود می‌تواند پارامترهایی داشته باشد که از طریق حاکمیت برای پاسخ به روندهای بلندمدت در کارایی سخت‌افزار یا هزینه‌های انرژی تنظیم شوند.
• تحلیل زنجیره‌ای: اعمال چارچوب HaPPY-Mine برای تحلیل تمرکززدایی زنجیره‌های PoW جدیدتر و کوچک‌تر در مقابل بیت‌کوین.
• ادغام با تحقیقات MEV: طراحی توابع پاداش که هم پاداش‌های بلوک و هم MEV را در نظر می‌گیرند، که یک منبع اصلی و پرنوسان درآمد استخراج‌کنندگان است، همانطور که توسط تیم‌هایی مانند Flashbots مطالعه شده است.

8. مراجع

1. Kiffer, L., & Rajaraman, R. (2021). HaPPY-Mine: Designing a Mining Reward Function. Financial Cryptography and Data Security 2021.
2. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
3. Buterin, V., et al. (2014). Ethereum White Paper.
4. Rosenfeld, M. (2011). Analysis of Bitcoin Pooled Mining Reward Systems. arXiv preprint arXiv:1112.4980.
5. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. Financial Cryptography and Data Security.
6. Flashbots. (2021). MEV Research. https://docs.flashbots.net/
7. Ethereum Foundation. (2020). Ethereum 2.0 Specifications. https://github.com/ethereum/eth2.0-specs