HaPPY-Mine: Kazi ya Tuzo ya Uchimbaji Inayobadilika kwa Ajili ya Kuwakilisha Mtandao wa Blockchain

Orodha ya Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Hati hii inachambua karatasi ya utafiti "HaPPY-Mine: Kuunda Kazi ya Tuzo ya Uchimbaji" ya Kiffer na Rajaraman. Karatasi hiyo inashughulikia dosari muhimu katika minyororo mikuu ya kuzuia ya Uthibitisho wa Kazi (PoW) kama Bitcoin na Ethereum: mwelekeo wa miundo ya tuzo ya kuzuia isiyobadilika kusababisha mkusaniko wa uchimbaji. Waandishi wanapendekeza HaPPY-Mine (HAsh-Pegged Proportional Yield), familia mpya ya kazi za tuzo zinazobadilika ambazo huunganisha jumla ya tuzo ya kuzuia na jumla ya kiwango cha hashi cha mtandao. Nadharia kuu ni kwamba kwa kufanya tuzo zipungue kadri nguvu ya jumla ya uchimbaji inavyoongezeka, HaPPY-Mine huunda vikwazo vya kiuchumi kwa mkusaniko wa kupita kiasi wa nguvu ya hashi, na hivyo kukuza mfumo wa uchimbaji unaowakilishwa zaidi na salama.

2. Mazingira na Taarifa ya Tatizo

Tuzo za kuzuia zina kusudi mbili: kuwahimiza wachimbaji kulinda mtandao na kutoa sarafu mpya. Usalama wa minyororo ya kuzuia ya PoW unahusiana moja kwa moja na gharama ya kushambulia mtandao, ambayo ni kazi ya jumla ya kiwango cha hashi cha uaminifu.

2.1 Miundo ya Tuzo Isiyobadilika na Mkusaniko wa Nguvu

Mifumo iliyopo hutumia miundo ya tuzo isiyobadilika: tuzo maalum kwa kila kuzuia (Ethereum) au tuzo ambayo hupungua kwa nusu katika vipindi vilivyowekwa mapema (Bitcoin). Uchambuzi wa nadharia ya michezo unaonyesha kuwa chini ya miundo hii yenye gharama zisizo sawa za wachimbaji, kuna usawa wa kipekee wa Nash. Hata hivyo, usawa huu mara nyingi una sifa ya mkusaniko mkubwa, ambapo wachimbaji wachache wenye gharama ndogo hushika sehemu kubwa isiyolingana ya kiwango cha hashi. Hii sio nadharia tu; inaonekana kwa majaribio katika vikundi vya uchimbaji vya Bitcoin na Ethereum.

2.2 Gharama Zisizo sawa za Wachimbaji

Chanzo cha msingi cha mkusaniko ni kutofautiana kwa gharama. Wachimbaji wana gharama tofauti za umeme, vifaa, na baridi. Katika muundo wa tuzo isiyobadilika, wachimbaji wenye gharama ndogo wanaweza kufanya kazi kwenye viwango vya chini vya faida, na kuwapa uwezo wa kushindana na hatimaye kuwafanya wachimbaji wenye gharama kubwa wasiwe na nguvu, na kusababisha mkusaniko wa nguvu ya hashi.

3. Mfano wa HaPPY-Mine

HaPPY-Mine inaleta mabadiliko makubwa kutoka kwa tuzo zisizobadilika hadi tuzo zinazobadilika.

3.1 Kanuni ya Msingi ya Ubunifu

Jumla ya tuzo ya kuzuia $R_{total}$ sio tena thabiti au kazi ya hatua. Badala yake, ni kazi inayoendelea na inayopungua ya jumla ya kiwango cha hashi cha mtandao $H_{total}$. Kadiri wachimbaji wengi wanavyojihusisha au wachimbaji walio wapo wanavyoongeza nguvu zaidi, keki (tuzo ya jumla) hupungua, na kufanya upanuzi mkubwa usivutie. Tuzo bado husambazwa kwa uwiano na kiwango cha hashi cha kila mtu $h_i$.

3.2 Uundaji wa Kihisabati

Tuzo ya mchimbaji $i$ inatolewa na: $$Reward_i = \frac{h_i}{H_{total}} \cdot R(H_{total})$$ ambapo $R(H_{total})$ ni kazi ya tuzo. Mfano rahisi ni kazi ya uwiano kinyume: $$R(H_{total}) = \frac{C}{H_{total}}$$ ambapo $C$ ni thabiti. Hii inahakikisha jumla ya tuzo inayotolewa ni $C$, bila kujali kiwango cha hashi. Kazi ngumu zaidi, zinazopungua kwa laini, zinaweza kubuniwa.

4. Uchambuzi wa Nadharia ya Michezo na Matokeo

4.1 Uwepo na Upekee wa Usawa

Karatasi hiyo inathibitisha kuwa chini ya muundo wa gharama tofauti za wachimbaji, usawa wa HaPPY-Mine daima upo. Zaidi ya hayo, una seti ya kipekee ya washiriki wanaochimba na jumla ya kipekee ya kiwango cha hashi cha mtandao. Hii inatoa utabiri na utulivu kwa mfumo.

4.2 Vipimo vya Kuwakilisha Mtandao na Ulinganisho

Huu ndio mchango mkuu wa karatasi. Waandishi wanathibitisha kwa ukali kwamba usawa chini ya HaPPY-Mine ni zaidi ya kuwakilishwa mtandao kuliko usawa chini ya muundo wa tuzo isiyobadilika inayolinganishwa. Hii inapimwa kwa:

• Idadi ya Wachimbaji Wanaochimba: HaPPY-Mine inasaidia seti kubwa ya washiriki.
• Usambazaji wa Kiwango cha Hashi: Mgawo wa Gini au Kielelezo cha Herfindahl-Hirschman (HHI) ni cha chini, ikionyesha usambazaji sawa zaidi wa nguvu.
• Ustahimilivu: Wachimbaji wenye gharama kubwa hubaki wanaweza kufanya kazi kwa muda mrefu zaidi, na kuzuia mienendo ya mshindi anachukua yote.

Uchambuzi unaonyesha kwamba tuzo inayobadilika hufanya kazi kama kizuizi cha kiotomatiki, na kukandamiza ukuaji wa sehemu ya chombo chochote kimoja.

4.3 Usalama Dhidi ya Ushirikiano na Mashambulizi ya Sybil

Karatasi inaonyesha kwamba HaPPY-Mine inarithi na kuboresha sifa za usalama za kazi za tuzo za uwiano. Ushirikiano (kuunganisha kiwango cha hashi) hautoi faida isiyolingana kwa sababu jumla ya tuzo hupungua kadiri kiwango cha hashi cha kikundi kinavyoshirikiana kinavyoongezeka. Mashambulizi ya Sybil (kugawanya kiwango cha hashi cha chombo kimoja hadi vitambulisho vingi vya uwongo) pia hayafanikiwi kwa sababu tuzo husambazwa kwa msingi wa kazi iliyothibitishwa, sio kitambulisho.

5. Maelezo ya Kiufundi na Mfumo

5.1 Mfumo wa Kihisabati

Uchambuzi unajengwa juu ya muundo wa kawaida wa nadharia ya michezo kwa uchimbaji. Kila mchimbaji $i$ ana gharama kwa kila kitengo cha kiwango cha hashi $c_i$. Faida yao $\pi_i$ ni: $$\pi_i(h_i, H_{-i}) = \frac{h_i}{h_i + H_{-i}} \cdot R(h_i + H_{-i}) - c_i \cdot h_i$$ ambapo $H_{-i}$ ni jumla ya kiwango cha hashi cha wachimbaji wote wengine. Usawa wa Nash hupatikana kwa kutatua seti ya hali bora za majibu ambapo hakuna mchimbaji anayeweza kuongeza faida kwa kubadilisha kiwango chao cha hashi peke yao. Hali ya kupungua ya $R(\cdot)$ ni muhimu katika kuthibitisha matokeo ya kuwakilishwa mtandao.

5.2 Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi

Hali: Linganisha mitandao miwili ya uchimbaji, A (Tuzo Isiyobadilika) na B (HaPPY-Mine), kila moja ikiwa na wachimbaji 3 wenye gharama $c_1=1$, $c_2=2$, $c_3=3$ vitengo.

• Mtandao A (Isiyobadilika): Jumla ya tuzo $R=100$ imewekwa. Hesabu ya usawa inaonyesha mchimbaji 3 (gharama kubwa zaidi) anaweza kutengwa. Kiwango cha hashi cha usawa kimekusanyika na wachimbaji 1 na 2.
• Mtandao B (HaPPY-Mine): Kazi ya tuzo $R(H)=300/H$. Kadiri wachimbaji wanavyoongeza nguvu, tuzo kwa kila kitengo hupungua. Hesabu ya usawa hutoa jumla ya kiwango cha hashi cha chini $H^*$ lakini ambapo wachimbaji wote watatu wanaweza kushiriki kwa faida na sehemu yenye usawa zaidi. Kiasi cha faida kwa mchimbaji mwenye gharama ndogo (1) kinabana ikilinganishwa na muundo usiobadilika, na kupunguza hamu yao ya kupanua kwa kiasi kikubwa.

Kesi hii rahisi inaonyesha shinikizo la kuwakilishwa mtandao: Tuzo inayobadilika ya HaPPY-Mine huzuia faida ya kiwango kikubwa, na kuhifadhi nafasi kwa wachimbaji wadogo wenye gharama kubwa zaidi.

6. Mtazamo wa Mchambuzi Mkali

Ufahamu wa Msingi: HaPPY-Mine sio marekebisho tu; ni ubunifu wa msingi wa vichocheo vya wachimbaji kutoka "kusaidia kiwango kikubwa" hadi "kuadhibu mkusaniko." Inatambua kuwa katika PoW, usalama ni faida ya umma inayotishiwa na nia ya faida ya kibinafsi, na inabuni kazi ya tuzo moja kwa moja ili kusawazisha nguvu hizi zinazopingana mara nyingi. Hii ni njia ya kisasa zaidi kuliko mawazo ya udhibiti baada ya tukio kuhusu vikundi vya uchimbaji.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja ni nadhifu na imefungwa. 1) Tuzo zisizobadilika + kutofautiana kwa gharama = mkusaniko (iliyothibitishwa katika kazi ya awali). 2) Mkusaniko ni mbaya kwa usalama na maadili. 3) Kwa hivyo, badilisha utegemezi wa kazi ya tuzo kutoka kwa wakati (kupungua kwa nusu) au hakuna (imewekwa) hadi hali ya mfumo (kiwango cha hashi). 4) Thibitisha kwamba kazi hii mpya inayotegemea hali hutoa usawa wa kipekee, unaowakilishwa zaidi mtandao. Mantiki inasonga kutoka kwa utambuzi wa tatizo hadi suluhisho lenye kanuni na uthibitisho mkali.

Nguvu na Dosari: Nguvu yake ni ukali wake wa kihisabati na shambulio la moja kwa moja dhidi ya dosari kuu ya kiuchumi. Haitaki vifaa vya kuaminika au mabadiliko magumu ya makubaliano. Hata hivyo, muundo una dosari. Kwanza, utata wa utekelezaji: Kupima $H_{total}$ kwa usahihi kwa njia ya kuwakilishwa mtandao, ya wakati halisi bila udanganyifu sio jambo rahisi. Pili, kutofautiana kwa thamani na kuanzisha: Thamani ya sarafu inayoanguka pamoja na kushuka kwa tuzo inayoendeshwa na kiwango cha hashi inaweza kusababisha "msokoto wa kifo" wa wachimbaji kutoka. Muundo unadhania wachimbaji wenye akili, wanaoboresha faida, lakini hofu na hisia zinaweza kutawala. Tatu, inaweza tu kupunguza kasi, sio kuzuia, mkusaniko. Ikiwa tofauti za gharama ni kali vya kutosha, mchimbaji mwenye gharama ndogo bado anaweza kutawala, tu kwa kiwango cha chini cha usawa cha hashi. Kama ilivyoonyeshwa katika utafiti wa Msingi wa Ethereum kuhusu thamani inayoweza kuchimbwa na mchimbaji (MEV), ada za manunuzi zinaweza kuzidi tuzo za kuzuia, na kwa uwezekano kudhoofisha athari ya HaPPY-Mine.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wabunifu wa itifaki: HaPPY-Mine ni marejeleo ya lazima kwa mnyororo wowote mpya wa PoW unaozingatia kuwakilishwa mtandao. Inapaswa kuigizwa kwa kina na data ya gharama ya ulimwengu halisi. Kwa minyororo iliyopo (BTC, ETH): Mgawanyiko mgumu wa kuitumia ni karibu haiwezekani kwa kisiasa, lakini kanuni zake zinaweza kuelimisha muundo wa soko la ada za baadaye au vichocheo vya uthibitishaji baada ya kuunganishwa katika Uthibitisho wa Hifadhi. Kwa wawekezaji: Tathmini miradi mipya kwa miundo yao ya vichocheo. Mradi unaotumia muundo wa PoW wa kawaida usiobadilika unapuuza hatari za mkusaniko zinazojulikana kwa muongo mmoja. HaPPY-Mine inawakilisha aina ya mawazo ya mpangilio wa pili ambayo hutenganisha itifaki thabiti na zile dhaifu.

7. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

• Kazi Mseto za Tuzo: Kuchanganya tuzo ya msingi ya HaPPY-Mine na sehemu ya ada ya manunuzi ambayo inaweza kuwa na mienendo tofauti.
• Kurekebisha kwa Uthibitisho wa Hifadhi (PoS): Wazo la msingi—kuadhibu mkusaniko wa rasilimali iliyohifadhiwa—inaweza kurekebishwa kwa mifumo ya PoS ili kuzuia mkusaniko wa vikundi vya hifadhi, wasiwasi katika mitandao kama Cardano na Ethereum 2.0.
• Kurekebisha Kigezo Kinachobadilika: Kazi ya tuzo $R(H)$ yenyewe inaweza kuwa na vigezo vilivyorekebishwa kupitia utawala ili kujibu mienendo ya muda mrefu ya ufanisi wa vifaa au gharama za nishati.
• Uchambuzi wa Vipande vya Minyororo: Kutumia mfumo wa HaPPY-Mine kuchambua kuwakilishwa mtandao wa minyororo mipya, midogo ya PoW dhidi ya Bitcoin.
• Ujumuishaji na Utafiti wa MEV: Kubuni kazi za tuzo zinazozingatia tuzo za kuzuia na MEV, ambayo ni chanzo kikuu na kinachobadilika cha mapato ya wachimbaji, kama ilivyosomwa na timu kama Flashbots.

8. Marejeo

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