عدم امکان تمرکززدایی کامل در بلاک‌چین‌های بدون مجوز

فهرست مطالب

1 مقدمه

ارزهای متمرکز سنتی از نقاط شکست واحد و فساد نهادی رنج می‌برند، همان‌طور که بحران مالی سال ۲۰۰۸ نشان داد. بیت‌کوین به عنوان اولین ارز دیجیتال غیرمتمرکز با استفاده از فناوری بلاک‌چین برای حذف مرجع مرکزی ظهور کرد. با این حال، علیرغم آرمان‌های غیرمتمرکز، مکانیسم اثبات کار (PoW) بیت‌کوین منجر به تمرکز قدرت قابل توجهی در استخرهای استخراج شده است.

مشکل تمرکززدایی فراتر از PoW به سیستم‌های اثبات سهام (PoS) و اثبات سهام تفویض‌شده (DPoS) گسترش می‌یابد که نشان‌دهنده محدودیت‌های اساسی در ساختارهای انگیزشی بلاک‌چین است.

2 پیشینه

2.1 مکانیسم‌های اجماع

پروتکل‌های اجماع بلاک‌چین، دیدگاه‌های گره‌ها را همگام‌سازی کرده و از رفتار مخرب جلوگیری می‌کنند:

• اثبات کار (PoW): قدرت محاسباتی حقوق ایجاد بلوک را تعیین می‌کند
• اثبات سهام (PoS): مالکیت سهام بر احتمال اعتبارسنجی تأثیر می‌گذارد
• اثبات سهام تفویض‌شده (DPoS): دارندگان توکن، اعتبارسنج‌ها را انتخاب می‌کنند

2.2 معیارهای تمرکززدایی

معیارهای موجود شامل ضریب جینی، ضریب ناکاموتو و شاخص هرشندال-هیرشمن (HHI) است. این مقاله یک صوری‌سازی دقیق‌تر معرفی می‌کند.

3 مدل رسمی

3.1 تمرکززدایی (m,ε,δ)

مقاله تمرکززدایی $(m,\epsilon,\delta)$ را به عنوان حالتی تعریف می‌کند که شرایط زیر را برآورده کند:

1. حداقل $m$ شرکت‌کننده که گره‌ها را اجرا می‌کنند
2. نسبت بین قدرت منابع کل گره‌های اجراشده توسط ثروتمندترین و صدک $\delta$امین شرکت‌کننده $\leq 1+\epsilon$ است

وقتی $m$ بزرگ و $\epsilon=\delta=0$ باشد، این حالت نشان‌دهنده تمرکززدایی کامل است.

3.2 تعریف هزینه سیبیل

هزینه سیبیل به عنوان تفاوت بین هزینه یک شرکت‌کننده برای اجرای چندین گره و هزینه کل چندین شرکت‌کننده که هر کدام یک گره اجرا می‌کنند تعریف می‌شود:

$$C_{sybil} = C_{multi} - \sum_{i=1}^{n} C_{single_i}$$

که در آن $C_{multi}$ هزینه یک نهاد برای اجرای $n$ گره، و $C_{single_i}$ هزینه فرد $i$ برای اجرای یک گره است.

4 تحلیل نظری

4.1 نتایج عدم امکان

مقاله ثابت می‌کند که بدون هزینه‌های سیبیل مثبت، دستیابی به تمرکززدایی $(m,\epsilon,\delta)$ از نظر احتمالاتی محدود است. کران بالای احتمال به این صورت است:

$$P(\text{تمرکززدایی}) \leq g(f_\delta)$$

که در آن $f_\delta$ نسبت بین قدرت منابع صدک $\delta$امین و ثروتمندترین شرکت‌کنندگان است.

4.2 کران‌های احتمالاتی

برای مقادیر کوچک $f_\delta$ (که نشان‌دهنده نابرابری ثروت بزرگ است)، کران بالا به ۰ نزدیک می‌شود و تمرکززدایی را بدون هزینه‌های سیبیل تقریباً غیرممکن می‌سازد.

5 نتایج تجربی

این پژوهش از طریق شبیه‌سازی نشان می‌دهد که:

• سیستم‌های با هزینه سیبیل صفر به سرعت متمرکز می‌شوند، با ضرایب جینی نزدیک به ۰.۹
• حتی هزینه‌های سیبیل مثبت کوچک ($C_{sybil} > 0$) به طور قابل توجهی معیارهای تمرکززدایی را بهبود می‌بخشند
• سیستم‌های بلاک‌چین کنونی مقادیر $f_\delta$ زیر ۰.۰۱ را نشان می‌دهند که تمرکززدایی را از نظر احتمالاتی غیرممکن می‌سازد

6 پیاده‌سازی فنی

شبه‌کد: محاسبه هزینه سیبیل

function calculateSybilCost(participants):
    total_single_cost = 0
    multi_node_cost = 0
    
    for participant in participants:
        single_cost = computeNodeCost(participant.resources)
        total_single_cost += single_cost
        
    # محاسبه هزینه برای یک نهاد که تمام گره‌ها را اجرا می‌کند
    combined_resources = sum(p.resources for p in participants)
    multi_node_cost = computeNodeCost(combined_resources) * sybil_multiplier
    
    sybil_cost = multi_node_cost - total_single_cost
    return max(0, sybil_cost)

function computeNodeCost(resources, base_cost=1, scale_factor=0.8):
    # صرفه‌جویی در مقیاس هزینه هر گره را برای اپراتورهای بزرگتر کاهش می‌دهد
    return base_cost * (resources ** scale_factor)

7 کاربردهای آینده

جهت‌های بالقوه برای دستیابی به تمرکززدایی بهتر:

• هزینه‌های سیبیل مبتنی بر منابع: نیازمندی‌های سخت‌افزاری فیزیکی یا مصرف انرژی
• سیستم‌های هویت اجتماعی: هویت غیرمتمرکز با هزینه‌های مبتنی بر اعتبار
• اجماع ترکیبی: ترکیب چندین مکانیسم برای متعادل‌سازی امنیت و تمرکززدایی
• ساختارهای پویای کارمزد: تنظیمات الگوریتمی مبتنی بر معیارهای تمرکز

8 تحلیل اصلی

مقاله "عدم امکان تمرکززدایی کامل در بلاک‌چین‌های بدون مجوز" یک چالش اساسی برای فرضیه اصلی فناوری بلاک‌چین ارائه می‌دهد. با صوری‌سازی تمرکززدایی از طریق چارچوب تمرکززدایی $(m,\epsilon,\delta)$ و معرفی مفهوم هزینه‌های سیبیل، نویسندگان یک بنیان ریاضی دقیق برای تحلیل تمرکززدایی فراتر از معیارهای موجود مانند ضریب ناکاموتو ارائه می‌دهند.

نتیجه نظری عدم امکان با مشاهدات تجربی در سراسر شبکه‌های بلاک‌چین اصلی همخوانی دارد. تمرکز استخراج بیت‌کوین، جایی که سه استخر برتر تقریباً ۶۵٪ از نرخ هش را کنترل می‌کنند، و تمرکز ثروت اتریوم، جایی که ۲٪ از آدرس‌ها ۹۵٪ از ETH را در اختیار دارند، نشان‌دهنده تجلی عملی این محدودیت‌های نظری است. این الگو شبیه به تمایلات تمرکز مشاهده‌شده در سایر سیستم‌های توزیع‌شده است، مشابه نحوه‌ای که چارچوب یادگیری بدون نظارت CycleGAN محدودیت‌های ذاتی در وظایف ترجمه دامنه را آشکار کرد.

مفهوم هزینه سیبیل یک لنز حیاتی برای درک اینکه چرا سیستم‌های بلاک‌چین کنونی به ناگزیر متمرکز می‌شوند ارائه می‌دهد. در سیستم‌های PoW، صرفه‌جویی در مقیاس در سخت‌افزار استخراج و هزینه‌های برق، هزینه‌های سیبیل منفی ایجاد می‌کنند، جایی که اپراتورهای بزرگ در واقع هزینه‌های واحد کمتری دارند. در سیستم‌های PoS، عدم وجود هزینه‌های مکرر برای اعتبارسنجی، هزینه‌های سیبیل نزدیک به صفر ایجاد می‌کند. این تحلیل توضیح می‌دهد که چرا سیستم‌های تفویض‌شده مانند EOS و TRON تمرکز حتی بیشتری نشان می‌دهند، با ۲۱ و ۲۷ ابرگره به ترتیب که کل شبکه را کنترل می‌کنند.

مقایسه با تحقیقات سیستم‌های توزیع‌شده سنتی از سازمان‌هایی مانند IEEE و ACM Digital Library نشان می‌دهد که سه‌گانه تمرکززدایی - متعادل‌سازی امنیت، مقیاس‌پذیری و تمرکززدایی - ممکن است اساساً توسط اصول اقتصادی به جای محدودیت‌های فنی محدود شده باشد. این پژوهش نشان می‌دهد که بلاک‌چین‌های واقعاً بدون مجوز ممکن است با یک مبادله ذاتی بین مقاومت در برابر سیبیل و تمرکززدایی مواجه شوند، مشابه نحوه‌ای که قضیه CAP پایگاه‌های داده توزیع‌شده را محدود می‌کند.

جهت‌های تحقیقاتی آینده باید مکانیسم‌های نوآورانه هزینه سیبیل را که به اشخاص ثالث معتمد متکی نیستند بررسی کنند. رویکردهای بالقوه شامل اثبات کار فیزیکی، سیستم‌های هویت غیرمتمرکز با گراف‌های اجتماعی، یا سهامداری مبتنی بر منابع که هزینه‌های دنیای واقعی را دربر می‌گیرد، است. با این حال، همان‌طور که مقاله نشان می‌دهد، هر راه‌حلی باید به دقت مشوق‌های اقتصادی که مشارکت را هدایت می‌کنند با محدودیت‌های ریاضی که تمرکززدایی را امکان‌پذیر می‌سازند متعادل کند.

9 مراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Buterin, V. (2014). Ethereum White Paper
3. Zhu, J.-Y., et al. (2017). Unpaired Image-to-Image Translation using Cycle-Consistent Adversarial Networks. IEEE
4. Bonneau, J., et al. (2015). SoK: Research Perspectives and Challenges for Bitcoin and Cryptocurrencies. IEEE S&P
5. IEEE Blockchain Standards Committee. (2019). Decentralization Metrics for Blockchain Systems
6. ACM Digital Library. (2020). Economic Analysis of Cryptocurrency Systems
7. Gencer, A. E., et al. (2018). Decentralization in Bitcoin and Ethereum Networks