فهرست مطالب
1. ایمن‌سازی محاسبات با اقتصاد
ارزهای دیجیتال مبتنی بر اجماع ناکاموتو مانند بیت‌کوین و اتریوم یک دفترکل عمومی قطعی از تراکنش‌های مالی معروف به بلاک‌چین ارائه می‌دهند. این فناوری اجماع، تراکنش‌های پایه بیت‌کوین را ممکن می‌سازد در حالی که تراکنش‌های اتریوم اسکریپت‌های محاسباتی پیچیده‌تری را از طریق قراردادهای هوشمند اجرا می‌کنند.
ماینرهای ناشناس اعتبار تراکنش‌ها را بدون مرجع مرکزی تعیین می‌کنند، اما یکپارچگی بلاک‌چین به حداقل بار تأیید بستگی دارد. علیرغم داشتن قدرتمندترین منبع محاسباتی در تاریخ، بیت‌کوین و اتریوم به دلیل معضل تأییدکننده، قدرت تأیید بیشتری از یک گوشی هوشمند معمولی ارائه نمی‌دهند.
1.1 محاسبات برون‌سپاری شده
سیستم، محاسبات امن برون‌سپاری شده به شبکه اتریوم را ممکن می‌سازد و به کاربران اجازه می‌دهد پاسخ‌های صحیح برای محاسبات پیچیده دریافت کنند در حالی که امنیت بلاک‌چین حفظ می‌شود.
1.2 تأثیر عملی
کاربردهای فوری شامل استخرهای استخراج غیرمتمرکز اداره شده توسط قراردادهای هوشمند اتریوم، ارزهای دیجیتال با توان عملیاتی تراکنش مقیاس‌پذیر و انتقال ارز بدون اعتماد بین سیستم‌های ارز دیجیتال مجزا می‌شود.
1.3 قراردادهای هوشمند
قراردادهای هوشمند اتریوم عملیات مالی و پایگاه داده پیچیده را که مشروط به ارزیابی اسکریپت محاسباتی هستند ممکن می‌سازند و پایه‌ای برای سیستم تأیید TrueBit فراهم می‌کنند.
2. نحوه عملکرد TrueBit
TrueBit شامل یک لایه مشوق مالی در بالای یک لایه حل اختلاف است که به شکل یک "بازی تأیید" همه‌کاره ظاهر می‌شود. این معماری دو لایه‌ای، محاسبات مقیاس‌پذیر روی اتریوم را ممکن می‌سازد در حالی که تضمین‌های امنیتی حفظ می‌شوند.
2.1 ویژگی‌های سیستم
سیستم، یکپارچگی محاسباتی، زنده‌بودن و سازگاری مشوق را از طریق مکانیسم‌های اقتصادی با دقت طراحی شده ارائه می‌دهد.
2.2 فرضیات
TrueBit بازیگران اقتصادی عقلانی و وجود حداقل یک تأییدکننده صادق در سیستم را برای حفظ امنیت فرض می‌گیرد.
2.3 مدل مهاجم
پروتکل در برابر بردارهای حمله مختلف از جمله حملات سیبیل، استخرهای تبانی و بهره‌برداری‌های اقتصادی از طریق ساختارهای مشوق پیچیده دفاع می‌کند.
3. لایه حل اختلاف
نوآوری اصلی TrueBit بازی تأیید است که حل اختلاف کارآمد برای نتایج محاسباتی را ممکن می‌سازد.
3.1 گلوگاه: معضل تأییدکننده
معضل تأییدکننده زمانی رخ می‌دهد که ماینرها انگیزه کافی برای تأیید محاسبات پیچیده ندارند و به طور بالقوه اجازه می‌دهند تراکنش‌های نامعتبر وارد بلاک‌چین شوند. این در فورک 4 ژوئیه بیت‌کوین و حملات انکار سرویس 2016 اتریوم ظاهر شد.
3.2 راه‌حل: بازی تأیید
بازی تأیید از سیستم‌های اثبات تعاملی و پروتکل‌های تقسیم دودویی برای مکان‌یابی کارآمد خطاهای محاسباتی استفاده می‌کند در حالی که منابع روی زنجیره به حداقل می‌رسند.
3.3 پروتکل تفصیلی
پروتکل شامل دورهای متعددی است که در آن تأییدکنندگان محاسبات حل‌کنندگان را به چالش می‌کشند و اختلافات از طریق تأیید اجرای گام به گام حل می‌شوند.
3.4 تحلیل زمان اجرا و امنیت
سیستم به پیچیدگی لگاریتمی در حل اختلاف نسبت به اندازه محاسبات دست می‌یابد که آن را برای محاسبات در مقیاس بزرگ عملی می‌سازد.
4. لایه مشوق
لایه اقتصادی از طریق پاداش‌ها و جریمه‌های با دقت کالیبره شده، مشارکت صادقانه را تضمین می‌کند.
4.1 جکپات‌ها
پاداش‌های جکپات تصادفی، مشوق‌های اقتصادی برای تأییدکنندگان فراهم می‌کنند تا به طور فعال در فرآیند تأیید مشارکت کنند.
4.2 مالیات‌ها
مالیات‌های تراکنش، صندوق مشوق را تأمین می‌کنند و عملیات پایدار اکوسیستم تأیید را تضمین می‌کنند.
4.3 سپرده‌ها
سپرده‌های امنیتی از حل‌کنندگان و تأییدکنندگان، سهام اقتصادی ایجاد می‌کنند که از رفتار مخرب جلوگیری می‌کند.
4.4 تولید خطاهای اجباری
سیستم عمداً خطاهای اجباری معرفی می‌کند تا هوشیاری تأییدکننده را آزمایش کند و مشارکت فعال را تضمین نماید.
4.5 انتخاب حل‌کننده و تأییدکننده
شرکت‌کنندگان از طریق مکانیسم‌های نمونه‌گیری تصادفی انتخاب می‌شوند که از بازی‌گیری سیستم جلوگیری می‌کند.
4.6 مرور پروتکل
پروتکل کامل، حل اختلاف را با مشوق‌های اقتصادی در یک سیستم منسجم یکپارچه می‌کند.
4.7 بررسی سلامت
مکانیسم‌های تأیید متعدد، یکپارچگی سیستم را تضمین کرده و از بهره‌برداری جلوگیری می‌کنند.
5. دفاعیات
TrueBit دفاعیات پیچیده‌ای در برابر بردارهای حمله مختلف گنجانده است.
5.1 حملات سیبیل زوجی
سیستم از طریق موانع اقتصادی و مکانیسم‌های تأیید هویت از حملات سیبیل جلوگیری می‌کند.
5.2 سه‌گانه
سه مکانیسم دفاعی مکمل با هم کار می‌کنند تا تضمین‌های امنیتی قوی ارائه دهند.
5.3 استخرهای تبانی
بازدارنده‌های اقتصادی و نمونه‌گیری تصادفی از تبانی بین شرکت‌کنندگان جلوگیری می‌کنند.
5.4 درباره اهداف آسان
سیستم بردارهای حمله رایجی را که معمولاً سیستم‌های تأیید را مورد بهره‌برداری قرار می‌دهند، مورد توجه قرار می‌دهد.
5.5 مشکل معادل نقدی
مکانیسم‌های اقتصادی تضمین می‌کنند که مشوق‌ها با امنیت سیستم همسو باقی می‌مانند.
6. پیاده‌سازی
پیاده‌سازی TrueBit شامل ماشین مجازی TrueBit و یکپارچه‌سازی با قراردادهای هوشمند اتریوم برای عملیات بی‌درز است.
7. کاربردها
پروتکل کاربردهای عملی متعددی فراتر از تأیید محاسبات پایه را ممکن می‌سازد.
7.1 استخر استخراج غیرمتمرکز عملی
استخرهای استخراج غیرمتمرکز اداره شده توسط قراردادهای هوشمند، نقاط شکست مرکزی را حذف می‌کنند.
7.2 پل Dogecoin-Ethereum
پل‌های بدون اعتماد بین سیستم‌های ارز دیجیتال، انتقال ارزش بی‌درز را ممکن می‌سازند.
7.3 توان عملیاتی تراکنش مقیاس‌پذیر
TrueBit ارزهای دیجیتال با ظرفیت تراکنش به طور قابل توجهی بالاتر را ممکن می‌سازد.
7.4 به سوی یک سیستم داده‌های بزرگ
معماری از پردازش داده‌های در مقیاس بزرگ روی شبکه‌های بلاک‌چین پشتیبانی می‌کند.
تحلیل اصلی
TrueBit با پرداختن به معضل اساسی تأییدکننده که از آغاز سیستم‌های غیرمتمرکز را محدود کرده است، پیشرفت قابل توجهی در مقیاس‌پذیری بلاک‌چین نشان می‌دهد. معماری دو لایه‌ای نوآورانه پروتکل - ترکیب یک لایه حل اختلاف مبتنی بر بازی‌های تأیید تعاملی با یک لایه مشوق اقتصادی - یک چارچوب قوی برای محاسبات بدون اعتماد ایجاد می‌کند که امنیت را حفظ می‌کند در حالی که توان عملیاتی را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
در مقایسه با رویکردهای سنتی مقیاس‌گذاری بلاک‌چین مانند شاردینگ (همانطور که در اتریوم 2.0 پیاده‌سازی شده است) یا راه‌حل‌های لایه-2 مانند رول‌آپ‌های خوش‌بینانه، TrueBit رویکردی اساساً متفاوت با تمرکز بر تأیید محاسباتی به جای بهینه‌سازی پردازش تراکنش اتخاذ می‌کند. این تمایز حیاتی است: در حالی که راه‌حل‌هایی مانند zk-Rollups (همانطور که در کار بنیادی بوترین و همکاران توصیف شده است) بر اثبات‌های رمزنگاری برای اعتبار تکیه می‌کنند، TrueBit از مشوق‌های اقتصادی و مکانیسم‌های نظریه بازی برای اطمینان از صحت استفاده می‌کند. مکانیسم خطای اجباری پروتکل به ویژه مبتکرانه است، زیرا به طور فعال یکپارچگی سیستم تأیید را آزمایش می‌کند، مشابه نحوه آزمایش قابلیت اطمینان نرم‌افزار توسط سیستم‌های یکپارچه‌سازی مستمر در محاسبات سنتی.
بازی تأیید TrueBit شباهت‌هایی با سیستم‌های اثبات تعاملی در علوم کامپیوتر نظری دارد، به ویژه کار گلدواسر، میکالی و راکوف در مورد اثبات‌های تعاملی، اما با افزودن حیاتی مشوق‌های اقتصادی مبتنی بر بلاک‌چین. این ترکیب چیزی ایجاد می‌کند که نویسندگان آن را "کامپیوتر اجماع" می‌نامند که قادر به اجرای محاسبات دلخواه با صحت قابل تأیید است. امنیت سیستم بر فرض وجود حداقل یک تأییدکننده صادق تکیه دارد - فرضی که با بسیاری از سیستم‌های تحمل خطای بیزانس مشترک است اما در اینجا از طریق مکانیسم‌های اقتصادی نوآورانه پیاده‌سازی شده است.
از دیدگاه پیاده‌سازی، رویکرد TrueBit برای حل اختلاف از طریق تقسیم دودویی گام به گام هم ظریف و هم کارآمد است و پیچیدگی تأیید را از O(n) به O(log n) برای محاسبات با اندازه n کاهش می‌دهد. این مقیاس‌گذاری لگاریتمی برای کاربردهای عملی حیاتی است، زیرا تأیید محاسبات بزرگ را بدون هزینه‌های سرسام‌آور ممکن می‌سازد. طراحی پروتکل درک عمیقی از اصول علوم کامپیوتر و نظریه بازی اقتصادی نشان می‌دهد و سیستمی ایجاد می‌کند که هم از نظر فنی صحیح و هم از نظر اقتصادی پایدار است.
با نگاه به آینده، معماری TrueBit پیامدهایی فراتر از محاسبات بلاک‌چین دارد. اصول اصلی می‌تواند به طور گسترده‌تری در سیستم‌های توزیع شده اعمال شود، به ویژه در سناریوهایی که تأیید بدون اعتماد نتایج محاسباتی مورد نیاز است. همانطور که در تحقیقات بنیاد اتریوم درباره مقیاس‌گذاری لایه-2 اشاره شده است، راه‌حل‌هایی مانند TrueBit نمایانگر جهت مهمی برای مقیاس‌پذیری بلاک‌چین هستند که سایر رویکردها را تکمیل می‌کنند نه اینکه با آنها رقابت کنند.
جزئیات فنی
پایه ریاضی
بازی تأیید از سیستم‌های اثبات تعاملی با ویژگی‌های زیر استفاده می‌کند:
- کامل بودن: اگر گزاره درست باشد، تأییدکننده صادق متقاعد خواهد شد
- استواری: اگر نادرست باشد، هیچ اثبات‌کننده‌ای نمی‌تواند تأییدکننده صادق را جز با احتمال کم متقاعد کند
حل اختلاف از یک پروتکل تقسیم دودویی با پیچیدگی $O(\\log n)$ استفاده می‌کند که $n$ اندازه محاسبات است:
$$T_{verify} = O(\\log n) \\cdot T_{step}$$
مکانیسم مشوق امنیت اقتصادی را از طریق موارد زیر تضمین می‌کند:
$$E[reward_{honest}] > E[reward_{malicious}] + cost_{attack}$$
معماری سیستم
ماشین مجازی TrueBit (TVM) محاسبات را در یک محیط قطعی اجرا می‌کند که با EVM اتریوم سازگار است اما برای بازی‌های تأیید بهینه‌سازی شده است.
نتایج آزمایشی
معیارهای عملکرد
زمان تأیید
مقیاس‌گذاری لگاریتمی با اندازه محاسبات
تضمین‌های امنیتی
امنیت اقتصادی از طریق مشوق‌ها
افزایش توان عملیاتی
در مقایسه با اتریوم بومی
نمودارهای فنی
جریان بازی تأیید: پروتکل شامل دورهای متعددی از چالش-پاسخ بین حل‌کنندگان و تأییدکنندگان است که اختلافات از طریق جستجوی دودویی تا زمانی که مرحله محاسباتی خطادار شناسایی شود حل می‌شوند. هر دور اندازه مسئله را به نصف کاهش می‌دهد و حل کارآمد را تضمین می‌کند.
ساختار مشوق اقتصادی: سیستم تعادل بین پاداش‌های حل‌کننده، مشوق‌های تأییدکننده و سپرده‌های امنیتی را حفظ می‌کند تا مشارکت صادقانه را تضمین کند در حالی که از بردارهای حمله مختلف جلوگیری می‌نماید.
نمونه‌های کد
ایجاد وظیفه TrueBit
// حل‌کننده وظیفه را ارسال می‌کند
function submitTask(bytes memory code, bytes memory input) public payable {
require(msg.value >= MIN_DEPOSIT);
Task memory newTask = Task({
solver: msg.sender,
code: code,
input: input,
deposit: msg.value,
status: TaskStatus.Pending
});
tasks[taskCounter] = newTask;
emit TaskSubmitted(taskCounter, msg.sender);
taskCounter++;
}
// تأییدکننده نتیجه را به چالش می‌کشد
function challengeResult(uint taskId, bytes memory claimedOutput) public {
require(tasks[taskId].status == TaskStatus.Pending);
challenges[taskId] = Challenge({
verifier: msg.sender,
claimedOutput: claimedOutput,
round: 0
});
initiateVerificationGame(taskId);
}پروتکل بازی تأیید
// پروتکل تقسیم دودویی برای حل اختلاف
function performBisection(uint taskId, uint step) public {
Challenge storage challenge = challenges[taskId];
// اجرای یک مرحله و ارائه اثبات مرکل
(bytes32 stateHash, bytes32 proof) = executeStep(
tasks[taskId].code,
tasks[taskId].input,
step
);
// ارسال اجرای مرحله برای تأیید
emit StepExecuted(taskId, step, stateHash, proof);
// ادامه تقسیم دودویی تا خطا مشخص شود
if (challenge.round < MAX_ROUNDS) {
challenge.round++;
} else {
resolveFinalStep(taskId, step);
}
}کاربردهای آینده
کاربردهای کوتاه‌مدت (1-2 سال)
- رایانش ابری غیرمتمرکز: اجرای بدون اعتماد محاسبات پیچیده
- پل‌های بین زنجیره‌ای: انتقال امن دارایی بین شبکه‌های بلاک‌چین
- DeFi مقیاس‌پذیر: ابزارهای مالی پیچیده روی بلاک‌چین
کاربردهای میان‌مدت (3-5 سال)
- تأیید مدل هوش مصنوعی: اجرا و تأیید بدون اعتماد مدل‌های یادگیری ماشین
- محاسبات علمی: تحقیقات قابل تکرار از طریق محاسبات قابل تأیید
- بلاک‌چین سازمانی: راه‌حل‌های بلاک‌چین خصوصی مقیاس‌پذیر
چشم‌انداز بلندمدت (5+ سال)
- کامپیوتر جهانی: پلتفرم محاسباتی جهانی واقعاً غیرمتمرکز
- خدمات اینترنتی قابل تأیید: خدمات وب بدون اعتماد با اجرای تضمین شده
- سازمان‌های مستقل: DAOهای پیچیده با عملیات قابل تأیید
مراجع
- Teutsch, J., & Reitwießner, C. (2017). A scalable verification solution for blockchains. arXiv:1908.04756
- Buterin, V., et al. (2021). Combining GHOST and Casper. Ethereum Foundation.
- Goldwasser, S., Micali, S., & Rackoff, C. (1989). The knowledge complexity of interactive proof systems. SIAM Journal on computing.
- Ethereum Foundation. (2020). Ethereum 2.0 Phase 1--Shard Chains.
- Luu, L., et al. (2016). A secure sharding protocol for open blockchains. ACM CCS.
- Ben-Sasson, E., et al. (2014). Zerocash: Decentralized anonymous payments from bitcoin. IEEE Security & Privacy.
- Szabo, N. (1997). Formalizing and securing relationships on public networks. First Monday.
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system.
- Wood, G. (2014). Ethereum: A secure decentralised generalised transaction ledger.
- Buterin, V. (2013). Ethereum white paper: A next-generation smart contract and decentralized application platform.