HaPPY-Mine: Blok Zinciri Merkeziyetsizleştirmesi için Dinamik Bir Madencilik Ödül Fonksiyonu

İçindekiler

1. Giriş ve Genel Bakış

Bu belge, Kiffer ve Rajaraman'ın "HaPPY-Mine: Bir Madencilik Ödül Fonksiyonu Tasarlamak" başlıklı araştırma makalesini analiz etmektedir. Makale, Bitcoin ve Ethereum gibi büyük İş İspatı (PoW) blok zincirlerindeki kritik bir kusura odaklanmaktadır: statik blok ödül modellerinin madencilikte merkezileşmeye yol açma eğilimi. Yazarlar, toplam blok ödülünü ağın toplam hash oranına bağlayan, dinamik ödül fonksiyonlarından oluşan yeni bir aile olan HaPPY-Mine'ı (HAsh-Pegged Proportional Yield) önermektedir. Temel tez, ödülleri toplu madencilik gücü arttıkça azaltarak, HaPPY-Mine'ın aşırı hash gücü yoğunlaşması için ekonomik caydırıcılar yarattığı ve böylece daha merkeziyetsiz ve güvenli bir madencilik ekosistemi teşvik ettiğidir.

2. Arka Plan ve Problem Tanımı

Blok ödülleri çift amaçlıdır: madencileri ağı güvence altına almaya teşvik etmek ve yeni para birimi basmak. PoW blok zincirlerinin güvenliği, ağa saldırmanın maliyetiyle doğrudan bağlantılıdır ve bu da toplam dürüst hash oranının bir fonksiyonudur.

2.1 Statik Ödül Modelleri ve Merkezileşme

Mevcut sistemler statik ödül modelleri kullanır: blok başına sabit bir ödül (Ethereum) veya önceden belirlenmiş aralıklarla yarılanan bir ödül (Bitcoin). Oyun teorisi analizi, asimetrik madenci maliyetleriyle bu modeller altında benzersiz bir Nash dengesinin var olduğunu göstermektedir. Ancak, bu denge genellikle önemli ölçüde merkezileşme özellikleri gösterir; birkaç düşük maliyetli madenci, orantısız derecede büyük bir hash oranı payını ele geçirir. Bu sadece teorik değildir; Bitcoin ve Ethereum madencilik havuzlarında ampirik olarak gözlemlenmektedir.

2.2 Asimetrik Madenci Maliyetleri

Merkezileşmenin kök nedeni maliyet asimetrisidir. Madencilerin elektrik, donanım ve soğutma için farklı maliyetleri vardır. Statik bir ödül modelinde, daha düşük maliyetli madenciler daha düşük karlılık eşiklerinde çalışmayı göze alabilir, bu da onların rekabet etmesine ve sonunda daha yüksek maliyetli madencileri marjinalleştirmesine izin vererek hash gücü yoğunlaşmasına yol açar.

3. HaPPY-Mine Modeli

HaPPY-Mine, statik ödüllerden dinamik ödüllere bir paradigma değişimi getirmektedir.

3.1 Temel Tasarım İlkesi

Toplam blok ödülü $R_{total}$ artık bir sabit veya basamak fonksiyonu değildir. Bunun yerine, ağın toplam hash oranı $H_{total}$'nin sürekli, azalan bir fonksiyonudur. Daha fazla madenci katıldıkça veya mevcut madenciler daha fazla güç ekledikçe, pasta (toplam ödül) küçülür ve büyük ölçekli genişlemeyi daha az cazip hale getirir. Ödüller hala bireysel hash oranı $h_i$ ile orantılı olarak dağıtılır.

3.2 Matematiksel Formülasyon

Madenci $i$ için ödül şu şekilde verilir: $$Reward_i = \frac{h_i}{H_{total}} \cdot R(H_{total})$$ Burada $R(H_{total})$ ödül fonksiyonudur. Basit bir örnek ters orantılı bir fonksiyondur: $$R(H_{total}) = \frac{C}{H_{total}}$$ Burada $C$ bir sabittir. Bu, hash oranından bağımsız olarak dağıtılan toplam ödülün $C$ olduğunu garanti eder. Daha karmaşık, düzgün bir şekilde azalan fonksiyonlar tasarlanabilir.

4. Oyun Teorisi Analizi ve Sonuçlar

4.1 Denge Varlığı ve Tekilliği

Makale, heterojen madenci maliyet modeli altında bir HaPPY-Mine dengesinin her zaman var olduğunu kanıtlamaktadır. Dahası, aktif madencilik katılımcıları için benzersiz bir küme ve benzersiz bir toplam ağ hash oranına sahiptir. Bu, sisteme öngörülebilirlik ve istikrar sağlar.

4.2 Merkeziyetsizleştirme Metrikleri ve Karşılaştırma

Bu, makalenin ana katkısıdır. Yazarlar, HaPPY-Mine altındaki dengenin, karşılaştırılabilir bir statik ödül modeli altındaki dengeden kesinlikle daha merkeziyetsiz olduğunu titizlikle kanıtlamaktadır. Bu şu şekilde ölçülür:

• Aktif Madenci Sayısı: HaPPY-Mine daha büyük bir katılımcı kümesini destekler.
• Hash Oranı Dağılımı: Gini katsayısı veya Herfindahl-Hirschman Endeksi (HHI) daha düşüktür, bu da gücün daha eşit dağıldığını gösterir.
• Dayanıklılık: Daha yüksek maliyetli madenciler daha uzun süre hayatta kalabilir, kazananın hepsini alması dinamiklerini önler.

Analiz, dinamik ödülün otomatik bir dengeleyici gibi hareket ederek, herhangi bir tek varlığın payının büyümesini dizginlediğini göstermektedir.

4.3 Anlaşma ve Sybil Saldırılarına Karşı Güvenlik

Makale, HaPPY-Mine'ın orantılı ödül fonksiyonlarının güvenlik özelliklerini miras aldığını ve geliştirdiğini göstermektedir. Anlaşma (hash oranını birleştirme) orantısız bir avantaj sağlamaz çünkü anlaşan grubun hash oranı arttıkça toplam ödül havuzu küçülür. Sybil saldırıları (bir varlığın hash oranını birçok sahte kimliğe bölmek) da etkisizdir çünkü ödüller tamamen kanıtlanmış işe dayalı olarak dağıtılır, kimliğe değil.

5. Teknik Detaylar ve Çerçeve

5.1 Matematiksel Çerçeve

Analiz, madencilik için standart bir oyun teorisi modeli üzerine inşa edilmiştir. Her madenci $i$, birim hash oranı başına $c_i$ maliyetine sahiptir. Karı $\pi_i$ şu şekildedir: $$\pi_i(h_i, H_{-i}) = \frac{h_i}{h_i + H_{-i}} \cdot R(h_i + H_{-i}) - c_i \cdot h_i$$ Burada $H_{-i}$ diğer tüm madencilerin toplam hash oranıdır. Nash Dengesi, hiçbir madenci hash oranını tek taraflı değiştirerek karını artıramayacağı en iyi tepki koşulları seti çözülerek bulunur. $R(\cdot)$'ın azalan doğası, merkeziyetsizleştirme sonucunu kanıtlamada çok önemlidir.

5.2 Analiz Çerçevesi Örneği

Senaryo: Maliyetleri $c_1=1$, $c_2=2$, $c_3=3$ birim olan 3'er madencisi bulunan iki madencilik ağını karşılaştırın: A (Statik Ödül) ve B (HaPPY-Mine).

• Ağ A (Statik): Toplam ödül $R=100$ sabit. Denge hesaplaması, madenci 3'ün (en yüksek maliyet) piyasadan çıkabileceğini gösterir. Denge hash oranı, madenci 1 ve 2 ile yoğunlaşmıştır.
• Ağ B (HaPPY-Mine): Ödül fonksiyonu $R(H)=300/H$. Madenciler güç ekledikçe, birim başına ödül düşer. Denge hesaplaması, daha düşük bir toplam hash oranı $H^*$ verir, ancak burada üç madenci de daha dengeli bir payla karlı bir şekilde katılabilir. Düşük maliyetli madenci (1) için kar marjı, statik modele kıyasla sıkıştırılmıştır, bu da onların büyük ölçekli genişleme teşvikini azaltır.

Bu basit durum, merkeziyetsizleştirme baskısını göstermektedir: HaPPY-Mine'ın dinamik ödülü, ölçeğin karlılığını sınırlayarak, daha yüksek maliyetli, daha küçük madenciler için bir niş korur.

6. Eleştirel Analist Bakış Açısı

Temel İçgörü: HaPPY-Mine sadece bir ayar değil; madenci teşviklerinin "ölçeği sübvanse etmek"ten "yoğunlaşmayı cezalandırmaya" temelden yeniden mimarilenmesidir. PoW'da güvenliğin, özel kar güdüsü tarafından tehdit edilen bir kamu malı olduğunu kabul eder ve bu genellikle zıt güçleri uyumlu hale getirmek için ödül fonksiyonunu doğrudan tasarlar. Bu, madencilik havuzları hakkındaki sonradan düzenleyici düşüncelerden daha sofistike bir yaklaşımdır.

Mantıksal Akış: Argüman zarif ve sağlamdır. 1) Statik ödüller + maliyet asimetrisi = merkezileşme (önceki çalışmalarda kanıtlanmış). 2) Merkezileşme güvenlik ve etos için kötüdür. 3) Bu nedenle, ödül fonksiyonunun bağımlılığını zamandan (yarılanma) veya hiçbir şeyden (sabit) sistem durumuna (hash oranı) değiştirin. 4) Bu yeni duruma bağlı fonksiyonun benzersiz, daha merkeziyetsiz bir denge sağladığını kanıtlayın. Mantık, problem tanımlamasından titiz doğrulamalı, ilkeli bir çözüme doğru ilerler.

Güçlü ve Zayıf Yönler: Gücü, matematiksel titizliği ve temel ekonomik kusura doğrudan saldırısıdır. Güvenilir donanım veya karmaşık mutabakat değişiklikleri gerektirmez. Ancak, modelin zayıf yönleri vardır. İlk olarak, uygulama karmaşıklığı: Manipülasyon olmadan merkeziyetsiz, gerçek zamanlı bir şekilde $H_{total}$'yi doğru bir şekilde ölçmek önemsiz değildir. İkinci olarak, oynaklık ve başlangıç aşaması: Çöken bir coin fiyatının hash oranıyla tetiklenen bir ödül düşüşüyle birleşmesi, madencilerin çıkışına neden olan bir "ölüm spirali"ne yol açabilir. Model rasyonel, kar maksimizasyonu yapan madencileri varsayar, ancak panik ve duygu hakim olabilir. Üçüncüsü, merkezileşmeyi sadece yavaşlatabilir, durduramaz. Maliyet farklılıkları yeterince aşırıysa, düşük maliyetli madenci hala hakim olabilir, sadece daha düşük bir denge hash oranında. Ethereum Vakfı'nın madenciden çıkarılabilir değer (MEV) araştırmasında belirtildiği gibi, işlem ücretleri blok ödüllerini gölgede bırakabilir ve bu da HaPPY-Mine'ın etkisini baltalayabilir.

Harekete Geçirilebilir İçgörüler: Protokol tasarımcıları için: HaPPY-Mine, merkeziyetsizleştirmeyi ciddiye alan herhangi bir yeni PoW zinciri için zorunlu bir referanstır. Gerçek dünya maliyet verileriyle kapsamlı bir şekilde simüle edilmelidir. Mevcut zincirler (BTC, ETH) için: Bunu benimsemek için bir hard fork politik olarak neredeyse imkansızdır, ancak ilkeleri, gelecekteki ücret pazarlarının veya Hisse İspatı'nda (PoS) birleşme sonrası doğrulayıcı teşviklerinin tasarımına rehberlik edebilir. Yatırımcılar için: Yeni projeleri teşvik yapılarına göre değerlendirin. Saf bir statik PoW modeli kullanan bir proje, on yıllık bilinen merkezileşme risklerini görmezden gelmektedir. HaPPY-Mine, sağlam protokolleri kırılgan olanlardan ayıran ikinci dereceden düşünme türünü temsil etmektedir.

7. Gelecek Uygulamalar ve Yönelimler

• Hibrit Ödül Fonksiyonları: Temel bir HaPPY-Mine ödülünün, farklı dinamiklere sahip olabilecek bir işlem ücreti bileşeniyle birleştirilmesi.
• Hisse İspatı (PoS) Uyarlaması: Temel fikir—stake edilen kaynağın yoğunlaşmasını cezalandırmak—Cardano ve Ethereum 2.0 gibi ağlarda bir endişe olan stake havuzu merkezileşmesini önlemek için PoS sistemlerine uyarlanabilir.
• Dinamik Parametre Ayarlaması: Ödül fonksiyonu $R(H)$'nin kendisi, donanım verimliliği veya enerji maliyetlerindeki uzun vadeli eğilimlere yanıt vermek için yönetişim yoluyla ayarlanabilen parametrelere sahip olabilir.
• Çapraz Zincir Analizi: HaPPY-Mine çerçevesini, daha yeni, daha küçük PoW zincirlerinin Bitcoin'e kıyasla merkeziyetsizleştirmesini analiz etmek için uygulamak.
• MEV Araştırması ile Entegrasyon: Hem blok ödüllerini hem de Flashbots gibi ekipler tarafından çalışılan, madenciler için büyük ve oynak bir gelir kaynağı olan MEV'yi hesaba katan ödül fonksiyonları tasarlamak.

8. Referanslar

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