ارزیابی یک الگوریتم اجماع اثبات شده با شبیه سازی

از آنجا که شناخته شده است ، سیستم های غیرمتمرکز می توانند مزایایی نسبت به آنچه متمرکز هستند ، از جمله مقیاس پذیری و قابلیت اطمینان بیشتر ارائه دهند ، اما به دلیل سرعت خود به خوبی شناخته نشده اند. در رابطه با این ، هدف ما بررسی خواسته های عملکرد الگوریتم اجماع POS به طور فزاینده POS (اثبات سهام) است که در شبکه های blockchain توزیع شده و ارزیابی آن در برابر یک رویکرد اثبات شده از سبز استفاده می شود. این کار با استفاده از شبیه سازی و بدون نیاز به شبکه رایانه ای توزیع شده حاصل شد.

در سیستم های blockchain مبتنی بر POS ، هنگامی که با موفقیت یک بلوک ایجاد می کند ، یک حساب Harvester پاداش می گیرد. هنگامی که یک بلوک به blockchain خود اضافه می شود ، حاوی دفترچه ای از جدیدترین معاملات شبکه است و فرآیند تولید یک بلوک معتبر در سیستم POS به عنوان جعل شناخته می شود. در نسخه استاندارد اجماع منبع باز NXT (اولین استفاده از POS خالص) ، بلوک ها تقریباً هر 60 ثانیه توسط حساب های شبکه تولید می شوند که برای جعل باز هستند. با این حال ، این روش باید در صورت بروز نیاز ، هر دو افزایش و کاهش زمان جعل را کاهش دهد. مشکلات تنظیم این نیازها به معنای انتخاب پارامترهای زمان جعل در الگوریتم POS موجود است.

در زمان تحقیقات ، هیچ چارچوب تعدیل کمیسیون شناخته شده در سیستم های blockchain وجود نداشت. این بدان معناست که کاربر می تواند کم و بیش از آنچه لازم است برای پردازش معامله ارائه دهد و به طور کلی ، یک مشکل کشف قیمت معاملات وجود دارد. این مشکل بیشتر پیچیده شده است زیرا ، به طور کلی ، هزینه های معامله در نشانه ها پرداخت می شود و ارزش این نشانه ها می تواند در رابطه با ارزهای پایدار با گذشت زمان متفاوت باشد. ما برای حل این مشکل یک روش اثبات سبز به عنوان علاوه بر اجماع NXT پیشنهاد می کنیم. چنین رویکردی اجازه می دهد تا پاداش های مبتنی بر بازار منصفانه برای پردازش معاملات.

با توجه به این اصلاحات ، سوال مهم ایجاد انگیزه شرکت کننده بوجود می آید: بهترین استراتژی هاروستر برای به حداکثر رساندن سود و کاهش زمان بازپرداخت سهام چیست؟همانطور که معلوم است ، می توان پارامترهای بهینه را از شبیه سازی بدست آورد و علاوه بر این ، ما توانستیم نگاهی عمیق به انواع جدیدی از حمله شبکه مرتبط با تغییرات الگوریتم اجماع پیشنهادی بیندازیم.

هدف از مطالعه

توسعه و شبیه سازی رویکردها برای بهبود ویژگی های زمان بلوک الگوریتم اجماع NXT و بررسی اهرم های اقتصادی.

ارتباط

در سالهای اخیر محبوبیت سیستم های Blockchain POS وجود داشته است. بر خلاف سیستم های مبتنی بر POW (اثبات کار) ، مانند بیت کوین و اتریوم ، جایی که معدنچیان برای ایجاد بلوک باید معماهای پیچیده رمزنگاری را حل کنند ، در سیستم های مبتنی بر POS ، خالق بلوک بعدی در یک قطعی (شبه-random انتخاب می شود.) مسیر. احتمال انتخاب بستگی به سهم ، فعالیت و شهرت یک شرکت کننده دارد. در مقایسه با POS ، اجماع POW نیاز به محاسبات بالا و هزینه های بالا برای انرژی برای محافظت در برابر حمله مضاعف و تهدید تمرکز در استخرهای معدن دارد. این یک نقطه ضعف فزاینده برای برخی از انواع سیستم های blockchain است. امروزه ، روشهای اجماع POS و به ویژه که در NXT استفاده می شود ، به طور فعال توسعه می یابد. از این رو ، علاقه ای به در نظر گرفتن چالش های تازه کشف شده و پیشنهاد اصلاحات در نسخه استاندارد اجماع NXT وجود دارد.

روش های پژوهش

الزامات شبیه سازی با استفاده از Anylogic انجام شد. به طور خاص ، مدلهای ویژه ای برای به دست آوردن بهترین پارامترهای اجماع اثبات شده برای دستیابی به زمان جعل زمان و اهداف اهرم اقتصادی تهیه شده است.

1. ایجاد بلوک (جعل)

دو مقدار برای تعیین اینکه کدام حساب واجد شرایط تولید یک بلوک است ، مهم است که این حساب حق تولید بلوک را کسب می کند ، و کدام بلوک در زمان درگیری معتبر است:

— T_p- هدف پایه قبلی ؛

— T_b- هدف پایه محاسبه شده.

هر بلوک موجود در زنجیره دارای یک پارامتر امضای نسل است. برای شرکت در فرآیند جعل بلوک ، یک حساب فعال به صورت دیجیتالی امضای نسل بلوک قبلی را با کلید عمومی خود امضا می کند. این یک امضای 64 بایت ایجاد می کند ، که سپس با استفاده از الگوریتم هش رمزنگاری Sha256 هش می شود. 8 بایت اول هش حاصل به یک شماره تبدیل می شود که از آن به عنوان حسابها گفته می شود.

ضربه با مقدار هدف فعلی مقایسه می شود. اگر ضربه محاسبه شده از هدف پایین تر باشد ، می توان بلوک بعدی را تولید کرد. همانطور که در فرمول مقدار هدف ذکر شده است (به تصویر زیر مراجعه کنید) ، مقدار هدف با هر ثانیه عبور می کند. حتی اگر فقط چند حساب فعال در شبکه وجود داشته باشد ، یکی از آنها در نهایت بلوک ایجاد می کند زیرا مقدار هدف بسیار بزرگ می شود. بنابراین ، شما می توانید با مقایسه مقدار ضربه حساب با مقدار هدف ، زمانی را که هر حساب کاربری را برای جعل یک بلوک انجام دهید ، محاسبه کنید.

مقدار هدف پایه از بلوکی به بلوک دیگر متفاوت است و از هدف پایه بلوک قبلی ضرب شده در مدت زمانی که برای تولید آن بلوک با استفاده از فرمولی که S را تضمین می کند مشتق می شود.₀ثانیه میانگین زمان بلوک در سه بلوک آخر.

هر حساب بر اساس سهم موثر فعلی خود، یک مقدار هدف را برای خود محاسبه می کند. این مقدار است

• T مقدار هدف جدید است.
• S زمان از آخرین بلوک، بر حسب ثانیه است.
• B موجودی مؤثر حساب است.

در شرایطی که چندین بلوک تولید می‌شود، گره‌ها بلوکی را با بالاترین مقدار دشواری تجمعی به عنوان بلوک معتبر انتخاب می‌کنند. همانطور که داده‌های بلوک بین همتایان به اشتراک گذاشته می‌شود، فورک‌ها (قطعات زنجیره غیرمعتبر) با بررسی مقادیر دشواری تجمعی ذخیره شده در هر فورک شناسایی و از بین می‌روند.

2. پیش فورج زمان بلوک

مدل شبیه‌سازی توسعه‌یافته با نرم‌افزار AnyLogic می‌تواند پارامترهای بهینه را برای دستیابی به میانگین زمان مشخص شده بین بلوک‌ها تعیین کند. تعداد گره ها، توزیع تعادل موثر و چندین پارامتر اولیه نیز می توانند در این مدل متفاوت باشند. نتایج حاصل از اجرای شبیه سازی را می توان در شکل مشاهده کرد. در شکل 1 زیر، زمان 3 بلوک آخر (خط طلایی) و 100 بلوک آخر (خط آبی) برای S نشان داده شده است.₀زمان آهنگری 15 ثانیه با ضریب = 0. 765.

شکل 1. میانگین زمان بلوک پیش فورج، مدل A.

همانطور که در شکل مشاهده می شود، زمانی که زمان پیش فورج بیش از حد طولانی است، مشکل زمان بلوک بزرگ وجود دارد. علاوه بر این، تیم Nxt فرمول های جایگزینی را برای محاسبه مجدد هدف پایه در مورد S پیشنهاد کرد₀= "60" ثانیه (مدل B):

و اگر T_bاز بازه محدود خارج می شود، آن را روی مقدار محدود تنظیم کنید:

چنین الگوریتم هایی باید مشکل زمان بلوک های بزرگ را برای همیشه حل کنند. همچنین، زمان بلوک "متمرکز" تر می شود، یعنی واریانس کاهش می یابد (شکل 2).

شکل 2. میانگین زمان بلوک پیش فورج، مدل B.

مدل شبیه سازی برای به دست آوردن بهترین پارامترها برای هر زمان معین آهنگری S توسعه یافته است₀و حداقل و حداکثر محدودیت زمانی ترجیحی.

متوسط زمان بلوک بستگی به تعداد گره ها و توزیع سهام آنها دارد. برای کاهش درصد زمان بلوک های بزرگ، ما استفاده از فاکتورهای نامتقارن را پیشنهاد می کنیم، زمانی که حداکثر_نسبتبزرگتر از حداقل است_نسبتدر مدل A. چنین رویکردی به نتیجه ای مشابه با مدل B می رسد. علاوه بر این، کاهش زمان بیشتری را برای بلوک بعدی در هنگام دنبال کردن یک بلوک که زمان زیادی طول کشیده است، فراهم می کند.

برای اس₀= 15 ثانیه:

حداکثر_نسبت= 15 + 1. 025 = 16. 025 ثانیه حداقل_نسبت= 15 - 0. 765 = 14. 235 ثانیه

با هدف پایه اولیه توصیه می شود

که در آن B موجودی کل اولیه موثر و Hit 8 بایت اول هش است که به عدد تبدیل می شود (هش امضای تولید امضا شده دیجیتال بلوک قبلی است).

3. اثبات رویکرد طمع

همانطور که قبلا گفته شد، هیچ چارچوب تعدیل کمیسیون در سیستم های بلاک چین فعلی وجود ندارد. یک کاربر می تواند کمیسیونی بدهد که کمتر از مقدار لازم برای اطمینان از پردازش تراکنش است یا ممکن است بیش از آنچه لازم است بپردازد. به این ترتیب، مشکل کشف قیمت وجود دارد. ما یک رویکرد اثبات طمع را به عنوان یک راه حل پیشنهاد می کنیم.

کاربر به جای نشان دادن کارمزد تراکنش ثابت، حداکثر کارمزدی را که می‌تواند یا می‌خواهد بپردازد، ارائه می‌کند. تراکنش ها به استخر تراکنش ها منتقل می شوند و از آنجا برداشت کننده ها تراکنش ها را انجام می دهند و بلوک های خود را تشکیل می دهند و کمیسیون خود را می گیرند - هر چقدر که بخواهند اما نه بیشتر از حداکثر تعیین شده. اینجا طمع وارد عمل می شود. هر چه یک دروگر بیشتر برای کارمزد دریافت کند، احتمال ثبت بلاک آنها در بلاک چین کمتر است. این با اصلاحات زیر در Nxt Consensus به دست می آید:

N - تعداد گره ها؛

numTr_i– تعداد تراکنش ها در بلوک از گره i , i = 1. N ;

حق الزحمه_ij– چقدر گره کمیسیون از تراکنش گرفتم j , i = 1. N , j = 1. numTr_i ;

حداکثر هزینه_ij– حداکثر گره ای که می توانم از تراکنش بگیرم j , i = 1. N , j = 1. numTr_i ;

g_i– طمع گره i , i = 1. N :

λ_i– پارامتر گره i , i = 1. N :

λ_i= [ 1 + Δ ( 1 - 2 گرم_i) ] k ;

λ_iیک عامل خاص، تابعی است که به طمع دروگر و چند پارامتر دیگر بستگی دارد که می تواند امکان جعل بلوک را افزایش یا کاهش دهد.

در نتیجه شبیه سازی شبکه بلاک چین، پارامترهای توصیه شده برای الگوریتم Proof-of-Greed عبارتند از:

این پارامترها برای محافظت از حمله بدون هزینه تنظیم شدند. بنابراین، تعداد کمی از گره ها، که بلوک ها را به صورت رایگان ایجاد می کنند، نمی توانند کنترل سیستم را بدست آورند (شکل 3). در این شبیه سازی، 10 دروگر اول اصلاً کارمزدی دریافت نمی کنند و موجودی موثر 250000 توکن دارند. 10 دروگر آخر حداکثر کارمزد را می گیرند و موجودی موثر 1000000 توکن دارند. 280 گره باقی مانده دارای سهام و ارزش طمع هستند که به صورت خطی توزیع می شوند.

شکل 3. حمله بدون هزینه.

در نتیجه، 10 گره اول (و حتی 50 گره اول که هزینه های کمی دارند) بیشتر بلوک ها را تولید نمی کنند. در اینجا ما فرض می کنیم که توکن های به دست آمده به موجودی های موثر اضافه نمی شوند. در غیر این صورت، تأثیر اولین دروگرها حتی بیشتر کاهش می یابد.

از سوی دیگر، چنین گره های نوع دوستی می توانند به محافظت در برابر حمله بزرگ دروگران حریص کمک کنند. در شکل4، 10 دروگر آخر حداکثر کارمزد را دریافت می‌کنند و دارای مانده‌های مؤثر عظیمی از هر کدام 10،000،000 توکن هستند. بقیه 290 دروگر دارای سهام از 250, 000 تا 1, 000, 000 هستند و طمع آنها از 0 تا 100 درصد به صورت خطی توزیع می شود.

شکل 4. حمله به سهام بزرگ.

می توان دید که گره های بسیار حریص با سهام عظیم نمی توانند قوانین خود را بر کل سیستم تحمیل کنند. بنابراین، اثبات حرص و طمع، برداشت‌کنندگان را تحریک می‌کند تا با هزینه‌ای کم کار کنند.

4. درآمد حاصل از برداشت گره های بلاک چین

با اصلاح پیشنهادی Proof-of-Greed در مکانیسم اجماع Nxt، دروگرها به طور مستقل تصمیم می گیرند که چه نسبتی از حق کمیسیون برای جعل یک بلوک بگیرند. این ممکن است منجر به این واقعیت شود که برخی از گره ها حداکثر هزینه را برای ایجاد یک بلوک دریافت می کنند تا به سرعت سهام اولیه خود را بازپرداخت کنند. اما هر چه یک دروگر بیشتر ببرد، احتمال کمتری برای ثبت بلاک او در بلاک چین وجود دارد. این با اصلاح مکانیسم اجماع Nxt به دست می آید. همچنین، گره‌ها می‌توانند حداقل کارمزد هر بلوک را انتخاب کنند، با این انتظار که پردازش تعداد بیشتری از بلوک‌ها سود بیشتری نسبت به رویکرد فوق‌الذکر ارائه می‌کند. بنابراین، مشکل پیدا کردن گره‌های کارمزدی است که باید برای به حداکثر رساندن سود و پوشش سهام اولیه خود در سریع‌ترین زمان ممکن، شارژ شوند.

در شکل زیر، نمودار سود هر گره (بدون سهام اولیه)، سهام اولیه هر گره 250000 و دو برابر سهام اولیه 500000 است. بنابراین، ملاقات خط 250000 و خط 500000 در نمودار به این معنی است که گره ها به ترتیب یک یا دو بار سهام اولیه خود را پرداخت کرده اند.

در شکل5 مقادیر اولیه موجودی های موثر گره (سهام) برابر با 250000 توکن است. پرداختی که گره ها برای ایجاد یک بلوک دریافت می کنند به صورت خطی از 20 تا 100 درصد حداکثر ممکن بین 300 گره توزیع می شود. در نتیجه این آزمایش، می توان مشاهده کرد که 100 گره اول زودتر از سایرین سهام خود را پرداخت کردند.

شکل.

در این شبیه سازی ، نسبت پرداخت که گره ها برای ایجاد یک بلوک شارژ می شوند به صورت خطی از 20 تا 100 درصد از حداکثر هزینه ممکن در 300 گره توزیع می شوند (شکل 6). مقادیر اولیه سهام گره به صورت خطی از 1،000،000 به 250،000 بیش از 300 گره به همان ترتیب توزیع می شود.

شکل 6. مورد تعادل و نسبت های مختلف هزینه.

در نتیجه مشخص شد که با نرخ اولیه مختلف برای گره ها ، مقدار بهینه کمیسیون از 30 تا 40 درصد از حداکثر ممکن است. این حداکثر سود و سریعترین بازپرداخت سهام را با توجه به رویکرد اثبات سبز تضمین می کند.

نتیجه گیری

این پیشنهاد اصلاح بر رنگ برای مکانیسم اجماع NXT برخی از مشکلات مربوط به ایجاد انگیزه و پاداش کلی را که در سیستم های توزیع شده بر اساس فناوری blockchain وجود دارد ، حل می کند. بهترین پارامترها برای کاهش واریانس زمان جعل بلوک با استفاده از نرم افزار شبیه سازی بدست آمد. علاوه بر این ، شبیه سازی نشان داد که رویکرد اجماع اثبات شده می تواند هزینه های کمیسیون مبتنی بر بازار را برای معاملات شبکه فراهم کند و همچنین در برابر برخی از حملات شبکه محافظت کند. سرانجام ، ما همچنین توانستیم در رابطه با دستیابی به سریعترین دوره بازپرداخت سهام ، در مورد عملکرد گره Harvester توصیه کنیم. حتی اگر این شبیه سازی فقط برای الگوریتم NXT انجام شود ، ما می بینیم که در سایر سیستم های POS مشابه ، که مشکلات بهینه سازی هزینه معاملات در آن ایجاد می شود ، چشم انداز اثبات سبز را می بینیم.