SoK: منظورات بحثية وتحديات لعملة البيتكوين والعملات المشفرة

1. لماذا تستحق البيتكوين البحث

يبدأ البحث بمعالجة وجهتي نظر متعارضتين ومبسطتين حول البيتكوين. الأولى هي النظرة البراغماتية القائلة بأن "البيتكوين تعمل في الممارسة، وليس في النظرية"، وهي وجهة نظر غالبًا ما يتبناها مجتمعها. الثانية هي الرفض الأكاديمي الذي يرى أن استقرار البيتكوين يعتمد على عوامل اجتماعية اقتصادية معقدة، مما يجعل التحليل الرسمي عديم الجدوى. يرى المؤلفون أن كلا الرأيين معيب. بينما أظهرت البيتكوين مرونة مدهشة، فإن فهم سبب عملها وما إذا كانت ستستمر في العمل في ظل ظروف متطورة (التوسع، تغير حوافز المعدنين، الضغوط الخارجية) يمثل تحديًا حاسوبيًا بالغ الأهمية. وعلى العكس من ذلك، فإن تحقيق البيتكوين للإجماع في بيئة لا تتطلب الثقة ولا إذنًا مسبقًا - وهي مشكلة اعتُبرت مستحيلة تقليديًا - يمثل إسهامًا أساسيًا له آثار تتجاوز العملة بكثير، بما في ذلك التسمية الموزعة، وختم الوقت، والعقود الذكية. لذلك، وعلى الرغم من صعوبات النمذجة، فإن البيتكوين تستحق اهتمامًا بحثيًا جادًا.

2. فصل المكونات الأساسية للبيتكوين

إسهام رئيسي لهذا البحث هو الفصل المنهجي للتصميم الأحادي للبيتكوين إلى ثلاثة مكونات أساسية مستقلة. يتيح هذا الإطار تحليلاً وابتكارًا أكثر وضوحًا.

2.1 آلية الإجماع (إجماع ناكاموتو)

هذا هو البروتوكول لتحقيق اتفاق على سجل معاملات واحد في شبكة نظير إلى نظير دون سلطة مركزية. يعتمد على إثبات العمل وقاعدة أطول سلسلة.

2.2 تخصيص العملة والسياسة النقدية

يحدد هذا كيفية إنشاء وتوزيع عملات البيتكوين الجديدة (مثلًا، للمعدنين كمكافأة كتلة) وجدول العرض الإجمالي (محدد بـ 21 مليون).

2.3 اللغز الحسابي (إثبات العمل)

هذا هو لغز التجزئة التشفيري المحدد (SHA-256) المستخدم لتأمين آلية الإجماع من خلال فرض تكلفة على إنشاء الكتلة. وهو قابل للفصل عن منطق الإجماع نفسه.

3. التحليل المقارن للتعديلات المقترحة

يستعرض البحث مساحة التصميم الواسعة التي فتحها فصل مكونات البيتكوين.

3.1 آليات إجماع بديلة

يغطي التحليل مقترحات مثل إثبات الحصة (PoS)، حيث تستند حقوق التحقق إلى ملكية العملات، وإثبات الحصة المفوض (DPoS)، ومتغيرات تعتمد على تحمل الخطأ البيزنطي (BFT). يتم رسم المقايضات بين كفاءة الطاقة، وافتراضات الأمان (مشكلة "لا شيء على المحك" في PoS)، واللامركزية.

3.2 مقترحات تعزيز الخصوصية وإخفاء الهوية

يتم تقييم إخفاء الهوية الجزئي للبيتكوين على أنه ضعيف. يقدم البحث إطارًا لتحليل حلول الخصوصية مثل CoinJoin (دمج المعاملات)، والمعاملات السرية (إخفاء المبالغ)، وأنظمة إثبات المعرفة الصفرية (مثل zk-SNARKs المستخدمة في Zcash)، مع تحقيق التوازن بين إخفاء الهوية، والقابلية للتوسع، والقابلية للتدقيق.

4. بروتوكولات واستراتيجيات إلغاء الوساطة

يستكشف البحث كيف يمكن لمفاهيم سلسلة الكتل إزالة الوسطاء الموثوقين (إلغاء الوساطة) في تطبيقات مثل العقود الذكية والأسواق اللامركزية.

4.1 ثلاث استراتيجيات عامة لإلغاء الوساطة

1. نصوص القفل والفتح: استخدام نظام النصوص في البيتكوين لفرض شروط العقد.
2. آلات الحالة المكررة: منصات مثل إيثيريوم التي تنفذ التعليمات البرمجية عبر جميع العقد.
3. السلاسل الجانبية والأصول المرتبطة: السماح للأصول بالانتقال بين سلاسل الكتل المختلفة.

4.2 مقارنة تفصيلية للاستراتيجيات

يتم مقارنة الاستراتيجيات عبر أبعاد مثل التعقيد، والمرونة، وضمانات الأمان، والقابلية للتوسع. يلاحظ البحث التوتر الكامن بين إنشاء لغات برمجة نصية قوية وكاملة تورينج، والحفاظ على أمان النظام وقابلية التنبؤ به.

5. الرؤى الرئيسية وتحديات البحث

6. التحليل الأصلي والمنظور الخبير

7. التفاصيل التقنية والإطار الرياضي

يعتمد أمان إثبات العمل للبيتكوين على الصعوبة الحسابية لعكس دالة التجزئة التشفيرية. يتم نمذجة احتمال تقدم المهاجم على السلسلة الصادقة كسباق بواسون. لنفترض أن $p$ هو احتمال أن تجد السلسلة الصادقة الكتلة التالية، و $q$ هو احتمال أن يجد المهاجم الكتلة التالية ($p + q = 1$)، و $z$ هو عدد الكتل التي يتأخر عنها المهاجم. يتم تقريب احتمال أن يلحق المهاجم بالركب من تأخر $z$ كتلة بواسطة:

\[ P_{\text{attack}} \approx \begin{cases} 1 & \text{if } q > p \\\\ (q/p)^z & \text{if } q \le p \end{cases} \]

يُظهر هذا أن الأمان ينمو أسيًا مع التقدم $z$ عندما يكون للمهاجم أقل من 50% من معدل التجزئة ($q < p$). هذا النموذج، على الرغم من تبسيطه، يدعم قاعدة "6 تأكيدات" للمعاملات عالية القيمة.

وصف الرسم البياني (مفاهيمي): رسم بياني يرسم $P_{\text{attack}}$ (المحور الصادي) مقابل قوة التجزئة للمهاجم $q$ (المحور السيني)، لقيم مختلفة لـ $z$ (التأكيدات). تُظهر المنحنيات انخفاضًا حادًا عندما يقل $q$ عن 0.5، ولقيمة ثابتة $q<0.5$، يهبط $P_{\text{attack}}$ أسيًا مع زيادة $z$ من 1 إلى 6. وهذا يوضح بصريًا تناقص العائد على احتمال الهجوم مع زيادة عدد التأكيدات.

8. إطار التحليل ودراسة الحالة المفاهيمية

دراسة الحالة: تقييم عملة بديلة تركز على الخصوصية (مثل مفاهيم Zcash/Monero المبكرة)

باستخدام إطار البحث، يمكننا تفكيك عملة خصوصية مقترحة:

1. الإجماع: يحتفظ على الأرجح بإثبات العمل (في البداية) لكنه قد يغير خوارزمية التجزئة (مثل Equihash لمقاومة ASIC).
2. تخصيص العملة: قد يكون له منحنى انبعاث مختلف (مثل الانبعاث الذيل مقابل الحد الأقصى الصلب) لتمويل التطوير المستمر أو حوافز المعدنين.
3. اللغز الحسابي: تغيير من SHA-256 إلى خوارزمية صعبة الذاكرة لتغيير ديناميكيات مركزية المعدنين.
4. تعزيز الخصوصية: ينفذ استراتيجية محددة من القسم 3.2، مثل توقيعات الحلقة (Monero) أو zk-SNARKs (Zcash). يؤثر هذا الاختيار مباشرة على القابلية للتوسع (تتطلب zk-SNARKs إعدادًا موثوقًا به وحسابًا مكثفًا) والقابلية للتدقيق (مجمع محمي بالكامل غير شفاف).
5. استراتيجية إلغاء الوساطة: قد تكون محدودة إذا كانت العقود الذكية المعقدة غير متوافقة مع نظام الخصوصية المختار.

يُبرز هذا التحليل المنظم على الفور المقايضات: قد تأتي الخصوصية الفائقة على حساب سرعة التحقق، والتدقيق التنظيمي، وأخطاء التعقيد (كما رأينا في نقاط الضعف الواقعية في هذه الأنظمة).

9. التطبيقات المستقبلية واتجاهات البحث

تطورت التحديات التي حددها البحث إلى حدود البحث الأساسية اليوم:

• القابلية للتوسع وبروتوكولات الطبقة الثانية: أدت الحاجة للتوسع إلى ما بعد المعاملات على السلسلة إلى بحث نشط حول اللفات (المتفائلة، ZK)، وقنوات الحالة، والسلاسل الجانبية، معالجةً مباشرةً لقلق حجم المعاملات المذكور في القسم 1.
• التحقق الرسمي والأمان: حفزت الدعوة لنماذج أكثر دقة العمل على التحقق الرسمي من بروتوكولات إجماع سلسلة الكتل (مثل استخدام مدققات النماذج مثل TLA+) والعقود الذكية (مثل أدوات Certora، Foundry).
• التشغيل البيني عبر السلاسل: توسعت استراتيجية إلغاء الوساطة "السلاسل الجانبية" إلى بحث معقد حول التشغيل البيني للرسائل عبر السلاسل ونقل الأصول (مثل IBC، LayerZero).
• التشفير ما بعد الكم: أمان جميع المكونات التشفيرية (التوقيعات، التجزئات، إثباتات zk) ضد الخصوم الكميين هو اتجاه طويل الأجل حاسم.
• الهوية اللامركزية والحوكمة: لا يزال تطبيق إجماع سلسلة الكتل على مشاكل مثل التسمية والمنظمات المستقلة (DAOs) مجالًا نشطًا، يتعامل مع التحديات الاجتماعية التقنية التي أشار إليها البحث.

10. المراجع

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Buterin, V., et al. (2014). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform. Ethereum Whitepaper.
3. Lamport, L., Shostak, R., & Pease, M. (1982). The Byzantine Generals Problem. ACM Transactions on Programming Languages and Systems (TOPLAS).
4. Ben-Sasson, E., et al. (2014). Zerocash: Decentralized Anonymous Payments from Bitcoin. IEEE Symposium on Security and Privacy.
5. King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake.
6. Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). The Bitcoin Backbone Protocol: Analysis and Applications. EUROCRYPT.
7. Narayanan, A., Bonneau, J., Felten, E., Miller, A., & Goldfeder, S. (2016). Bitcoin and Cryptocurrency Technologies: A Comprehensive Introduction. Princeton University Press.