HaPPY-Mine: Fungsi Ganjar Perlombongan Dinamik untuk Penyahpusatan Rantaian Blok

Kandungan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Dokumen ini menganalisis kertas penyelidikan "HaPPY-Mine: Designing a Mining Reward Function" oleh Kiffer dan Rajaraman. Kertas ini membincangkan satu kelemahan kritikal dalam rantaian blok bukti-kerja (PoW) utama seperti Bitcoin dan Ethereum: kecenderungan model ganjar blok statik membawa kepada pemusatan perlombongan. Penulis mencadangkan HaPPY-Mine (HAsh-Pegged Proportional Yield), satu keluarga baharu fungsi ganjar dinamik yang memautkan jumlah ganjar blok kepada jumlah kadar hash rangkaian. Tesis terasnya adalah dengan menjadikan ganjaran berkurangan apabila kuasa perlombongan kolektif meningkat, HaPPY-Mine mewujudkan insentif ekonomi negatif untuk penyatuan kuasa hash yang berlebihan, seterusnya menggalakkan ekosistem perlombongan yang lebih terdesentralisasi dan selamat.

2. Latar Belakang & Penyataan Masalah

Ganjaran blok berfungsi untuk dua tujuan: memberi insentif kepada pelombong untuk mengamankan rangkaian dan mencetak mata wang baharu. Keselamatan rantaian blok PoW berkait secara langsung dengan kos menyerang rangkaian, yang merupakan fungsi daripada jumlah kadar hash jujur.

2.1 Model Ganjar Statik & Pemusatan

Sistem sedia ada menggunakan model ganjar statik: ganjaran tetap setiap blok (Ethereum) atau ganjaran yang berkurang separuh pada selang masa yang ditetapkan (Bitcoin). Analisis teori permainan menunjukkan bahawa di bawah model ini dengan kos pelombong asimetri, satu keseimbangan Nash yang unik wujud. Walau bagaimanapun, keseimbangan ini selalunya mempunyai ciri pemusatan yang ketara, di mana beberapa pelombong berkos rendah menguasai bahagian kadar hash yang tidak seimbang besar. Ini bukan sahaja teori; ia diperhatikan secara empirikal dalam kolam perlombongan Bitcoin dan Ethereum.

2.2 Kos Pelombong Asimetri

Punca pemusatan adalah asimetri kos. Pelombong mempunyai kos yang berbeza untuk elektrik, perkakasan dan penyejukan. Dalam model ganjar statik, pelombong dengan kos yang lebih rendah mampu beroperasi pada ambang keuntungan yang lebih rendah, membolehkan mereka mengatasi dan akhirnya meminggirkan pelombong berkos tinggi, membawa kepada penumpuan kuasa hash.

3. Model HaPPY-Mine

HaPPY-Mine memperkenalkan anjakan paradigma daripada ganjaran statik kepada dinamik.

3.1 Prinsip Reka Bentuk Teras

Jumlah ganjar blok $R_{total}$ bukan lagi pemalar atau fungsi langkah. Sebaliknya, ia adalah fungsi menurun yang berterusan bagi jumlah kadar hash rangkaian $H_{total}$. Apabila lebih ramai pelombong menyertai atau pelombong sedia ada menambah lebih banyak kuasa, saiz kek (jumlah ganjaran) mengecut, menjadikan pengembangan berskala besar kurang menarik. Ganjaran masih diagihkan secara berkadar dengan kadar hash individu $h_i$.

3.2 Formulasi Matematik

Ganjaran untuk pelombong $i$ diberikan oleh: $$Reward_i = \frac{h_i}{H_{total}} \cdot R(H_{total})$$ di mana $R(H_{total})$ ialah fungsi ganjaran. Satu contoh mudah ialah fungsi berkadar songsang: $$R(H_{total}) = \frac{C}{H_{total}}$$ di mana $C$ ialah pemalar. Ini memastikan jumlah ganjaran yang dibayar ialah $C$, tanpa mengira kadar hash. Fungsi menurun yang lebih kompleks dan lancar boleh direka.

4. Analisis Teori Permainan & Keputusan

4.1 Kewujudan & Keunikan Keseimbangan

Kertas ini membuktikan bahawa di bawah model kos pelombong heterogen, keseimbangan HaPPY-Mine sentiasa wujud. Tambahan pula, ia mempunyai set peserta perlombongan aktif yang unik dan jumlah kadar hash rangkaian yang unik. Ini memberikan kebolehramalan dan kestabilan kepada sistem.

4.2 Metrik Penyahpusatan & Perbandingan

Ini adalah sumbangan utama kertas ini. Penulis membuktikan secara ketat bahawa keseimbangan di bawah HaPPY-Mine adalah lebih terdesentralisasi secara ketat berbanding keseimbangan di bawah model ganjar statik yang setanding. Ini diukur dengan:

• Bilangan Pelombong Aktif: HaPPY-Mine menyokong set peserta yang lebih besar.
• Agihan Kadar Hash: Pekali Gini atau Indeks Herfindahl-Hirschman (HHI) adalah lebih rendah, menunjukkan agihan kuasa yang lebih sekata.
• Ketahanan: Pelombong berkos tinggi kekal boleh bertahan lebih lama, menghalang dinamika pemenang-ambil-semua.

Analisis menunjukkan bahawa ganjaran dinamik bertindak sebagai penstabil automatik, menyekat pertumbuhan bahagian mana-mana entiti tunggal.

4.3 Keselamatan Terhadap Pakatan & Serangan Sybil

Kertas ini menunjukkan bahawa HaPPY-Mine mewarisi dan meningkatkan sifat keselamatan fungsi ganjaran berkadar. Pakatan (menggabungkan kadar hash) tidak memberikan kelebihan yang tidak seimbang kerana kolam ganjaran total mengecut apabila kadar hash kumpulan berpakat meningkat. Serangan Sybil (membahagikan kadar hash satu entiti kepada banyak identiti palsu) juga tidak berkesan kerana ganjaran diagihkan semata-mata berdasarkan kerja yang terbukti, bukan identiti.

5. Butiran Teknikal & Kerangka Kerja

5.1 Kerangka Kerja Matematik

Analisis ini dibina berdasarkan model teori permainan standard untuk perlombongan. Setiap pelombong $i$ mempunyai kos per unit kadar hash $c_i$. Keuntungan mereka $\pi_i$ ialah: $$\pi_i(h_i, H_{-i}) = \frac{h_i}{h_i + H_{-i}} \cdot R(h_i + H_{-i}) - c_i \cdot h_i$$ di mana $H_{-i}$ ialah jumlah kadar hash semua pelombong lain. Keseimbangan Nash ditemui dengan menyelesaikan set syarat tindak balas terbaik di mana tiada pelombong boleh meningkatkan keuntungan dengan mengubah kadar hash mereka secara unilateral. Sifat menurun $R(\cdot)$ adalah penting dalam membuktikan keputusan penyahpusatan.

5.2 Contoh Kerangka Kerja Analisis

Senario: Bandingkan dua rangkaian perlombongan, A (Ganjaran Statik) dan B (HaPPY-Mine), setiap satu mempunyai 3 pelombong dengan kos $c_1=1$, $c_2=2$, $c_3=3$ unit.

• Rangkaian A (Statik): Jumlah ganjaran $R=100$ tetap. Pengiraan keseimbangan menunjukkan pelombong 3 (kos tertinggi) mungkin tersingkir. Kadar hash keseimbangan tertumpu dengan pelombong 1 dan 2.
• Rangkaian B (HaPPY-Mine): Fungsi ganjaran $R(H)=300/H$. Apabila pelombong menambah kuasa, ganjaran per unit jatuh. Pengiraan keseimbangan menghasilkan jumlah kadar hash $H^*$ yang lebih rendah tetapi di mana ketiga-tiga pelombong boleh menyertai secara menguntungkan dengan bahagian yang lebih seimbang. Margin keuntungan untuk pelombong berkos rendah (1) dimampatkan berbanding model statik, mengurangkan insentif mereka untuk mengembangkan secara besar-besaran.

Kes mudah ini menggambarkan tekanan penyahpusatan: ganjaran dinamik HaPPY-Mine menghadkan keuntungan skala, mengekalkan niche untuk pelombong yang lebih kecil dan berkos tinggi.

6. Perspektif Penganalisis Kritikal

Pandangan Teras: HaPPY-Mine bukan sekadar pelarasan; ia adalah penyusunan semula asas insentif pelombong daripada "subsidi skala" kepada "penalti penumpuan." Ia mengakui bahawa dalam PoW, keselamatan adalah barang awam yang diancam oleh motif keuntungan peribadi, dan secara langsung merekayasa fungsi ganjaran untuk menyelaraskan kuasa yang sering bertentangan ini. Ini adalah pendekatan yang lebih canggih daripada renungan pasca-hoc peraturan tentang kolam perlombongan.

Aliran Logik: Hujahnya elegan dan kukuh. 1) Ganjaran statik + asimetri kos = pemusatan (dibuktikan dalam kerja terdahulu). 2) Pemusatan adalah buruk untuk keselamatan dan etos. 3) Oleh itu, ubah kebergantungan fungsi ganjaran daripada masa (pengurangan separuh) atau tiada (tetap) kepada keadaan sistem (kadar hash). 4) Buktikan fungsi baharu bergantung keadaan ini menghasilkan keseimbangan yang unik dan lebih terdesentralisasi. Logik bergerak daripada pengenalpastian masalah kepada penyelesaian berprinsip dengan pengesahan yang ketat.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatannya ialah ketegasan matematiknya dan serangan langsung terhadap kelemahan ekonomi teras. Ia tidak memerlukan perkakasan dipercayai atau perubahan konsensus yang kompleks. Walau bagaimanapun, model ini mempunyai kelemahan. Pertama, kerumitan pelaksanaan: Mengukur $H_{total}$ dengan tepat secara terdesentralisasi, masa nyata tanpa manipulasi bukan perkara remeh. Kedua, turun naik dan butstrap: Harga syiling yang merudum digabungkan dengan penurunan ganjaran didorong kadar hash boleh menyebabkan "lingkaran kematian" keluar pelombong. Model ini menganggap pelombong rasional yang memaksimumkan keuntungan, tetapi panik dan sentimen boleh menguasai. Ketiga, ia mungkin hanya melambatkan, bukan menghentikan, pemusatan. Jika perbezaan kos cukup ekstrem, pelombong berkos rendah mungkin masih mendominasi, hanya pada kadar hash keseimbangan yang lebih rendah. Seperti yang dinyatakan dalam penyelidikan Yayasan Ethereum mengenai nilai boleh ekstrak pelombong (MEV), yuran transaksi boleh mengatasi ganjaran blok, berpotensi melemahkan kesan HaPPY-Mine.

Pandangan Boleh Tindak: Untuk pereka protokol: HaPPY-Mine adalah rujukan wajib untuk mana-mana rantaian PoW baharu yang serius tentang penyahpusatan. Ia harus disimulasikan secara meluas dengan data kos dunia sebenar. Untuk rantaian sedia ada (BTC, ETH): Garpu keras untuk mengguna pakai ini adalah hampir mustahil secara politik, tetapi prinsipnya boleh memaklumkan reka bentuk pasaran yuran masa depan atau insentif pengesah pasca-gabungan dalam Bukti-Kepentingan. Untuk pelabur: Nilaikan projek baharu melalui struktur insentif mereka. Projek yang menggunakan model PoW statik naif mengabaikan risiko pemusatan yang diketahui selama sedekad. HaPPY-Mine mewakili jenis pemikiran peringkat kedua yang memisahkan protokol teguh daripada yang rapuh.

7. Aplikasi & Hala Tuju Masa Depan

• Fungsi Ganjaran Hibrid: Menggabungkan ganjaran asas HaPPY-Mine dengan komponen yuran transaksi yang mungkin mempunyai dinamik berbeza.
• Adaptasi Bukti-Kepentingan (PoS): Idea teras—menghukum penumpuan sumber yang dipertaruhkan—boleh disesuaikan dengan sistem PoS untuk mencegah pemusatan kolam pertaruhan, satu kebimbangan dalam rangkaian seperti Cardano dan Ethereum 2.0.
• Pelarasan Parameter Dinamik: Fungsi ganjaran $R(H)$ itu sendiri boleh mempunyai parameter yang diselaraskan melalui tadbir urus untuk bertindak balas kepada trend jangka panjang dalam kecekapan perkakasan atau kos tenaga.
• Analisis Rentas Rantaian: Menggunakan kerangka kerja HaPPY-Mine untuk menganalisis penyahpusatan rantaian PoW yang lebih baharu dan kecil berbanding Bitcoin.
• Integrasi dengan Penyelidikan MEV: Mereka bentuk fungsi ganjaran yang mengambil kira kedua-dua ganjaran blok dan MEV, yang merupakan sumber pendapatan pelombong utama dan tidak stabil, seperti yang dikaji oleh pasukan seperti Flashbots.

8. Rujukan

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