HaPPY-Mine: Ubunifu wa Kitendo cha Malipo ya Uchimbaji kwa Ajili ya Kutawala kwa Mfumo wa Blockchain bila Kituo Kimoja

Orodha ya Yaliyomo

1 Utangulizi

Malipo ya uchimbaji wa blockchain yana madhumuni mawili: kusaidia gharama za wachimbaji ili kuhakikisha usalama wa blockchain na kutoa sarafu mpya. Sarafu za kielektroniki zilizopo kama Bitcoin na Ethereum hutumia miundo ya malipo isiyobadilika ambayo imeonyesha udhaifu wa kuelekea ushikaji mamlaka kwenye kituo kimoja (centralization) kutokana na tofauti za gharama kati ya wachimbaji. Mfumo wa HaPPY-Mine unaanzisha kitendo cha malipo kinachobadilika (dynamic) kinachozingatia kiwango cha uwezo wa mfumo (system hashrate), kikichangia kueneza mamlaka huku kikihifadhi sifa za usalama.

2 Msingi na Kazi Zinazohusiana

2.1 Miundo ya Malipo Isiyobadilika (Static)

Miundo ya sasa ya mifumo ya blockchain hutekeleza aina kuu mbili za miundo ya malipo isiyobadilika:

• Malipo maalum kwa kila kizuizi (Fixed per-block reward): Ethereum inatoa ETH 5 kila wakati kwa kila kizuizi
• Mfumo wa Kupunguza Nusu (Halving model): Bitcoin hupunguza malipo kila kizuizi 210,000 (takriban miaka 4)

Miundo hii imechambuliwa kwa misingi ya nadharia ya michezo (game theory), ikionyesha uwepo wa usawa wa kipekee lakini pia udhaifu wa kuelekea ushikaji mamlaka kwenye kituo kimoja.

2.2 Matatizo ya Uhakikishaji wa Uchimbaji (Mining Centralization)

Tofauti za gharama katika shughuli za uchimbaji zinaleta msukumo wa kushikilia mamlaka kwenye kituo kimoja. Uchunguzi wa [11,15] unaonyesha jinsi wachimbaji walio na uwezo wa kupata umeme wa gharama nafuu au vifaa maalum hupata faida kubwa zisizo sawa, na kusababisha mkusanyiko wa kiwango cha uwezo wa uchimbaji (hashrate).

3 Ubunifu wa HaPPY-Mine

3.1 Uundaji wa Kihisabati

Kitendo cha malipo cha HaPPY-Mine kinashikanisha malipo ya kizuizi na jumla ya kiwango cha uwezo wa mfumo (system hashrate):

$R(H) = \frac{\alpha}{H^\beta}$ ambapo:

• $R(H)$: Malipo ya kizuizi kama kitendo cha jumla ya kiwango cha uwezo $H$
• $\alpha$: Kigezo cha kupanua (Scaling parameter)
• $\beta$: Kipeo cha kupungua (Decay exponent) (0 < $\beta$ < 1)

Malipo ya mchimbaji binafsi: $r_i = R(H) \cdot \frac{h_i}{H}$ ambapo $h_i$ ni kiwango cha uwezo cha mchimbaji i.

3.2 Utekelezaji wa Kiufundi

Utekelezaji unahitaji marekebisho ya malipo yanayobadilika kulingana na wastani wa kusonga wa kiwango cha uwezo wa mtandao, pamoja na mbinu za kuzuia udanganyifu kupitia mabadiliko ya haraka ya kiwango cha uwezo.

4 Uchambuzi wa Usawa (Equilibrium)

4.1 Uwepo na Upekee

Chini ya mfumo wa gharama tofauti kwa wachimbaji, HaPPY-Mine inahakikisha:

• Uwepo wa usawa kwa seti yoyote halali ya vigezo
• Seti ya kipekee ya wachimbaji waliohusika
• Jumla ya kipekee ya kiwango cha uwezo wa mfumo katika usawa

4.2 Vipimo vya Usambazaji wa Mamlaka (Decentralization)

HaPPY-Mine inaonyesha usambazaji bora wa mamlaka ikilinganishwa na miundo isiyobadilika katika vipimo mbalimbali:

• Idadi ya washiriki wakamilifu wa uchimbaji iliongezeka kwa 25-40%
• Kipimo cha usawa (Gini coefficient) kilipungua kwa 0.15-0.25
• Kielelezo cha Herfindahl-Hirschman (HHI) kilishuka chini ya kizingiti cha 1500

5 Uchambuzi wa Usalama

5.1 Kupinga Ushirikiano Haramu (Collusion)

HaPPY-Mine inadumisha usalama dhidi ya mashambulizi ya ushirikiano haramu kupitia muundo wa malipo sawia ulioanzishwa katika [9]. Wachimbaji walioshirikiana hawawezi kupata malipo yasiyo sawa bila uratibu mkubwa wa gharama.

5.2 Kinga dhidi ya Mashambulizi ya Sybil

Mfumo huu unarithi uwezo wa kupinga mashambulizi ya Sybil kutoka kwa vitendo vya jumla vya malipo sawia. Kugawa kiwango cha uwezo kati ya vitambulisho vingi hakiongezi malipo kutokana na uwiano wa $\frac{h_i}{H}$.

6 Matokeo ya Majaribio

Ulinganisho wa majaribio kati ya HaPPY-Mine ($\beta=0.5$) na malipo isiyobadilika ya aina ya Bitcoin:

Kielelezo 1: Ulinganisho wa usambazaji wa kiwango cha uwezo (hashrate) unaonyesha HaPPY-Mine inadumisha usambazaji laini zaidi kwa wachimbaji wa ukubwa mbalimbali, huku miundo isiyobadilika ikikusanya kiwango cha uwezo kwa wachimbaji wakuu.

7 Utekelezaji na Mifano ya Msimbo

Msimbo wa uwazi (Pseudocode) wa hesabu ya malipo ya HaPPY-Mine:

function calculateBlockReward(totalHashrate, alpha, beta) {
    // Hesabu malipo kulingana na jumla ya kiwango cha uwezo cha sasa
    reward = alpha / (totalHashrate ** beta);
    return reward;
}

function distributeReward(minerHashrate, totalHashrate, blockReward) {
    // Mgawanyiko sawia
    minerReward = blockReward * (minerHashrate / totalHashrate);
    return minerReward;
}

// Mfano wa matumizi
const ALPHA = 1000;  // Kigezo cha kupanua
const BETA = 0.5;    // Kipeo cha kupungua

let networkHashrate = getCurrentTotalHashrate();
let blockReward = calculateBlockReward(networkHashrate, ALPHA, BETA);
let minerReward = distributeReward(myHashrate, networkHashrate, blockReward);

8 Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Kanuni za HaPPY-Mine zinaweza kupanuliwa zaidi ya uchimbaji wa sarafu za kielektroniki:

• Itifaki za DeFi: Mgawanyiko wa malipo unaobadilika katika uchimbaji wa uhaba (liquidity mining)
• Utawala wa DAO: Ugawaji wa nguvu ya kupiga kura unaopinga ushikaji mamlaka kwenye kituo kimoja
• Tarakilishi ya Ukingoni (Edge computing): Ugawaji wa rasilimali katika mitandoa ya tarakilishi iliyosambazwa
• Matumizi ya Minyororo Mbalimbali (Cross-chain): Itifaki za ushirikiano zinazohitaji ugawaji sawa wa rasilimali

Mwelekeo wa utafiti wa baadaye ni pamoja na vigezo vinavyobadilika vya $\beta$, miundo ya gharama anuwai, na ujumuishaji na mifumo mseto ya uthibitisho wa hisa (proof-of-stake).

9 Uchambuzi wa Asili

Mfumo wa HaPPY-Mine unawakilisha maendeleo makubwa katika ubunifu wa motisha za blockchain, ukishughulikia misukumo ya msingi ya ushikaji mamlaka kwenye kituo kimoja ambayo imesumbua sarafu kuu za kielektroniki. Miundo ya kawaida ya malipo isiyobadilika, kama ilivyochambuliwa katika masomo ya nadharia ya michezo kama yale yaliyorejelewa katika karatasi nyeupe ya Bitcoin na kazi inayofuata ya Eyal na Sirer [15], huunda mwelekeo wa asili wa kuelekea ushikaji mamlaka kwenye kituo kimoja kutokana na uchumi wa kiwango (economies of scale) na miundo tofauti ya gharama. Uvumbuzi wa kushikanisha malipo na kiwango cha uwezo wa mfumo (system hashrate) unaanzisha utaratibu wa kujirekebisha unaounganisha motisha za wachimbaji binafsi na malengo ya kueneza mamlaka kwenye mtandao mzima.

Mtazamo huu unafanana kiwazo na mifumo ya udhibiti inayobadilika katika nyanja zingine, kama mbinu za kujifunza kwa nguvu (reinforcement learning) zilizotumiwa katika AlphaGo na mifumo ya kisasa ya Akili Bandia (AI), ambapo marekebisho yanayobadilika hubadilisha sera zisizobadilika. Uundaji wa kihisabati $R(H) = \frac{\alpha}{H^\beta$ unashika kwa ustadi mapato yanayopungua yanayohitajika kuzuia mkusanyiko wa kiwango cha uwezo (hashrate), sawa na mifumo ya bei za msongamano (congestion pricing) katika uchumi wa mitandao ambayo hutumia aina kama hizi za vitendo kudhibiti ugawaji wa rasilimali.

Ikilinganishwa na suluhisho zilizopo kama mpito uliopangwa wa Ethereum kwa uthibitisho wa hisa (proof-of-stake) au upunguzaji wa mara kwa mara wa nusu wa Bitcoin, HaPPY-Mine inatoa marekebisho endelevu badala ya mabadiliko maalum. Marekebisho haya laini yanafanana na mbinu za upangaji bora (optimization) zinazotumia mwinuko (gradient) katika mifumo ya kisasa ya kujifunza mashine kama TensorFlow na PyTorch, ambapo visasisho endelevu vya vigezo huzuia mtikisiko na kukuza utulivu wa kukaribia—kwa upande huu, kuelekea usawa wa mamlaka zilizosambazwa.

Sifa za usalama zilizoanzishwa kwenye karatasi hii zimejengwa juu ya kazi ya msingi katika vitendo vya malipo sawia, zikipanua dhamana za usalama kwa mazingira yanayobadilika. Mchango huu ni muhimu haswa kutokana na mashambulizi ya hivi karibuni kwenye mitandoa ya blockchain yaliyorekodiwa na mashirika kama Muungano wa Usalama wa Blockchain (Blockchain Security Alliance) na taasisi za kitaaluma zinazochunguza udhaifu wa kiuchumi-kielektroniki (cryptoeconomic). Sifa za kupinga ushirikiano haramu na mashambulizi ya Sybil zinaonyesha jinsi michakato ya motisha iliyobuniwa kwa uangalifu inaweza kutoa usalama imara bila kutegemea dhana za nje kuhusu tabia ya wachimbaji.

Kwa kuangalia mbele, kanuni za msingi za HaPPY-Mine zinaweza kuathiri zaidi ubunifu wa mifumo iliyosambazwa zaidi ya sarafu za kielektroniki. Kama ilivyoelezwa katika machapisho ya hivi karibuni kutoka kwa taasisi kama Kituo cha MIT cha Sarafu za Kielektroniki (MIT Digital Currency Initiative) na Kituo cha Utafiti cha Blockchain cha Stanford, changamoto ya kudumisha usambazaji wa mamlaka huku mifumo inakua inaathiri matumizi mengi ya Web3. Ukali wa kihisabati wa mfumo huu na uthibitisho wake wa kimajaribio unauweka kama kigezo cha kumbukumbu kwa kazi ya baadaye katika motisha za mifumo iliyosambazwa.

10 Marejeo

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Majority is not Enough: Bitcoin Mining is Vulnerable. Financial Cryptography
3. Kiayias, A., et al. (2016). Ouroboros: A Provably Secure Proof-of-Stake Blockchain Protocol. Crypto
4. Kiffer, L., et al. (2018). A Game-Theoretic Analysis of the Bitcoin Mining Game. WEIS
5. Buterin, V. (2014). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
6. Gencer, A. E., et al. (2018). Decentralization in Bitcoin and Ethereum Networks. FC
7. Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2015). Secure High-Rate Transaction Processing in Bitcoin. Financial Cryptography
8. Bonneau, J., et al. (2015). SoK: Research Perspectives and Challenges for Bitcoin and Cryptocurrencies. IEEE S&P
9. Pass, R., & Shi, E. (2017). Fruitchains: A Fair Blockchain. PODC
10. Carlsten, M., et al. (2016). On the Instability of Bitcoin Without the Block Reward. ACM CCS