SoK: Perspektif dan Cabaran Penyelidikan untuk Bitcoin dan Mata Wang Kripto

1. Mengapa Bitcoin Layak Dikaji

Kertas kerja ini bermula dengan membincangkan dua pandangan mudah yang bertentangan mengenai Bitcoin. Pertama ialah pandangan pragmatik bahawa "Bitcoin berfungsi dalam praktik, tetapi tidak dalam teori," yang sering dipegang oleh komuniti Bitcoin. Kedua ialah penolakan akademik bahawa kestabilan Bitcoin bergantung pada faktor sosioekonomi yang sukar diatasi, menjadikan analisis formal sia-sia. Penulis berhujah bahawa kedua-dua pandangan ini mempunyai kelemahan. Walaupun Bitcoin telah menunjukkan daya tahan yang mengejutkan, memahami mengapa ia berfungsi dan sama ada ia akan terus berfungsi dalam keadaan yang berkembang (penskalaan, perubahan insentif pelombong, tekanan luaran) adalah cabaran sains komputer yang penting. Sebaliknya, pencapaian Bitcoin dalam mencapai konsensus dalam persekitaran tanpa kepercayaan dan tanpa kebenaran—satu masalah yang secara klasik dianggap mustahil—adalah sumbangan asas dengan implikasi yang jauh melangkaui mata wang, termasuk penamaan teragih, penanda masa, dan kontrak pintar. Oleh itu, walaupun terdapat kesukaran pemodelan, Bitcoin layak mendapat perhatian penyelidikan yang serius.

2. Memisahkan Komponen Teras Bitcoin

Sumbangan utama kertas kerja ini ialah pemisahan sistematik reka bentuk tunggal Bitcoin kepada tiga komponen teras yang bebas. Kerangka kerja ini membolehkan analisis dan inovasi yang lebih jelas.

2.1 Mekanisme Konsensus (Konsensus Nakamoto)

Ini adalah protokol untuk mencapai persetujuan mengenai sejarah transaksi tunggal dalam rangkaian rakan ke rakan tanpa pihak berkuasa pusat. Ia bergantung pada Bukti-Kerja dan peraturan rantai terpanjang.

2.2 Peruntukan Mata Wang & Dasar Monetari

Ini mentakrifkan bagaimana bitcoin baru dicipta dan diagihkan (contohnya, kepada pelombong sebagai ganjaran blok) dan jadual bekalan keseluruhan (terhad kepada 21 juta).

2.3 Teka-teki Pengiraan (Bukti-Kerja)

Ini adalah teka-teki hash kriptografi khusus (SHA-256) yang digunakan untuk melindungi mekanisme konsensus dengan mengenakan kos untuk penciptaan blok. Ia boleh dipisahkan daripada logik konsensus itu sendiri.

3. Analisis Perbandingan Cadangan Pengubahsuaian

Kertas kerja ini menyurih ruang reka bentuk yang luas yang dibuka dengan memisahkan komponen Bitcoin.

3.1 Mekanisme Konsensus Alternatif

Analisis ini meliputi cadangan seperti Bukti-Kepentingan (PoS), di mana hak pengesahan berdasarkan pemilikan koin, Bukti-Kepentingan Terwakil (DPoS), dan varian berdasarkan Toleransi Kesalahan Byzantine (BFT). Pertukaran antara kecekapan tenaga, andaian keselamatan (masalah "tiada apa yang dipertaruhkan" dalam PoS), dan penyahpusatan dipetakan.

3.2 Cadangan Peningkatan Privasi & Anonimiti

Pseudonimiti Bitcoin dinilai sebagai lemah. Kertas kerja ini menyediakan kerangka kerja untuk menganalisis penyelesaian privasi seperti CoinJoin (pencampuran transaksi), Transaksi Sulit (menyembunyikan jumlah), dan sistem Bukti Tanpa Pengetahuan (contohnya, zk-SNARKs yang digunakan dalam Zcash), mengimbangi anonimiti, kebolehskalaan, dan kebolehauditan.

4. Protokol & Strategi Penyahperantaraan

Kertas kerja ini meneroka bagaimana konsep rantaian blok boleh menghapuskan perantara yang dipercayai (penyahperantaraan) dalam aplikasi seperti kontrak pintar dan pasaran teragih.

4.1 Tiga Strategi Penyahperantaraan Umum

Skrip mengunci dan membuka kunci: Menggunakan sistem skrip Bitcoin untuk menguatkuasakan syarat kontrak.
Mesin keadaan replika: Platform seperti Ethereum yang melaksanakan kod merentasi semua nod.
Rantaian sisi dan aset terikat: Membenarkan aset bergerak antara rantaian blok yang berbeza.

4.2 Perbandingan Strategi Terperinci

Strategi-strategi ini dibandingkan merentasi dimensi seperti kerumitan, fleksibiliti, jaminan keselamatan, dan kebolehskalaan. Kertas kerja ini menyatakan ketegangan semula jadi antara mencipta bahasa skrip yang berkuasa dan lengkap Turing dengan mengekalkan keselamatan dan kebolehramalan sistem.

5. Wawasan Utama & Cabaran Penyelidikan

Wawasan Teras

Kejayaan Bitcoin bukanlah sihir; ia adalah sistem yang boleh digabungkan yang kestabilannya bergantung pada penjajaran yang tidak stabil tetapi berfungsi antara kriptografi, teori permainan, dan prinsip sistem teragih.

Cabaran Utama

Mentakrifkan model keselamatan "Konsensus Nakamoto" secara formal di bawah model penyerang yang realistik, adaptif dan keadaan ekonomi yang berubah-ubah masih merupakan masalah terbuka.

Ruang Reka Bentuk

Pemisahan komponen mendedahkan ruang reka bentuk yang luas untuk altcoin, tetapi inovasi dalam satu dimensi (contohnya, konsensus) sering memperkenalkan kerentanan baru dalam dimensi lain (contohnya, penjajaran insentif).

6. Analisis Asal & Perspektif Pakar

Wawasan Teras: Kertas kerja ini bukan sekadar tinjauan; ia adalah manual dekonstruksi asas untuk ekosistem mata wang kripto. Nilai terbesarnya terletak pada kerangka kerja "pemisahan" (Seksyen 2), yang memecahkan pandangan tunggal awal terhadap Bitcoin. Sebelum ini, kebanyakan analisis memperlakukan Bitcoin sebagai kotak hitam—sama ada kejayaan revolusioner atau penipuan yang meragukan. Bonneau et al. menyediakan alat intelektual untuk melihatnya sebagai satu set subsistem yang boleh ditukar ganti dan sering bercanggah: konsensus, dasar monetari, dan pengiraan. Ini serupa dengan sumbangan model OSI kepada rangkaian; ia mencipta bahasa umum untuk kritikan dan inovasi. Kita telah melihat ini berlaku secara langsung: Ethereum mengekalkan Bukti-Kerja tetapi mengubah insentif konsensus dan menambah mesin keadaan; kemudian, ia memisahkan lagi dengan beralih kepada Bukti-Kepentingan (The Merge), mengesahkan perspektif modular kertas kerja ini.

Aliran Logik: Logik kertas kerja ini adalah tepat. Ia pertama kali melegitimasi Bitcoin sebagai objek kajian yang serius dengan membongkar kedua-dua sokongan naif dan penolakan akademik. Kemudian, ia melakukan operasi pemisahan teras, menetapkan paksi analisis. Dengan kerangka kerja ini, menyurih pengubahsuaian (Seksyen 3) dan strategi penyahperantaraan (Seksyen 4) menjadi latihan perbandingan berstruktur dan bukannya senarai ciri. Aliran bergerak dari apa itu Bitcoin, kepada bagaimana kita boleh memikirkan bahagian-bahagiannya, kepada apa yang boleh kita bina dengan menggabungkan semula bahagian-bahagian itu secara berbeza.

Kekuatan & Kelemahan: Kekuatan utamanya ialah kerangka analisis yang berkekalan ini, yang masih relevan selepas satu dekad. Kerangka penilaian privasi juga bijak, meramalkan pertukaran dalam koin privasi hari ini dan perdebatan pengawalseliaan. Walau bagaimanapun, kelemahan utamanya, yang kelihatan dalam pandangan retrospektif, adalah meremehkan kepentingan cabaran penskalaan. Kertas kerja ini menyentuh penskalaan volum transaksi tetapi tidak meletakkan trilema kebolehskalaan (penyahpusatan, keselamatan, kebolehskalaan) di tengah-tengah analisis ruang reka bentuknya. Trilema ini, yang kemudiannya diartikulasikan oleh penyelidik seperti Vitalik Buterin, telah menjadi lensa dominan untuk menilai inovasi konsensus dan lapisan-2 (contohnya, rollup, rantaian sisi). Tambahan pula, walaupun ia menyebut "faktor sosioekonomi," era 2017-2024 telah menunjukkan bahawa nilai pelombong/pengekstrak (MEV), arbitraj pengawalseliaan, dan risiko kebolehgabungan kewangan teragih (DeFi) adalah daya sosioekonomi yang secara asasnya membentuk semula landskap keselamatan dan utiliti dengan cara yang tidak dapat diramalkan sepenuhnya oleh kertas kerja 2015.

Wawasan Boleh Tindak: Untuk pembina dan pelabur, kertas kerja ini adalah senarai semak untuk menilai mana-mana mata wang kripto atau protokol baru. Soalan 1: Bagaimana ia memisahkan tiga komponen teras? Projek yang tidak mentakrifkan ini dengan jelas adalah bendera merah. Soalan 2: Pada paksi ruang reka bentuk yang manakah (konsensus, privasi, penyahperantaraan) ia terutamanya berinovasi, dan pertukaran terkenal mana daripada tinjauan ini yang dihadapinya? Contohnya, rantaian Bukti-Kepentingan baru mesti mempunyai jawapan yang menarik untuk masalah "serangan jarak jauh" dan pemusatan pengesah yang digariskan dalam analisis perbandingan. Soalan 3: Adakah strategi penyahperantaraannya (jika ada) meningkatkan kerumitan sistemik dan permukaan serangan lebih pantas daripada utiliti yang disampaikannya? Kertas kerja ini memberi amaran terhadap kerumitan "mesin keadaan replika," amaran yang diambil perhatian oleh pembangunan perlahan dan berhati-hati EVM Ethereum berbanding dengan banyak eksploitasi pada rantaian yang lebih tergesa-gesa. Ringkasnya, anggap kertas kerja ini bukan sebagai sejarah, tetapi sebagai tatabahasa yang berkekalan untuk membaca kertas putih esok.

7. Butiran Teknikal & Kerangka Matematik

Keselamatan Bukti-Kerja Bitcoin bergantung pada kesukaran pengiraan untuk membalikkan fungsi hash kriptografi. Kebarangkalian penyerang mengatasi rantaian jujur dimodelkan sebagai perlumbaan Poisson. Biarkan $p$ menjadi kebarangkalian rantaian jujur mencari blok seterusnya, $q$ menjadi kebarangkalian penyerang mencari blok seterusnya ($p + q = 1$), dan $z$ menjadi bilangan blok yang penyerang ketinggalan. Kebarangkalian penyerang mengejar dari $z$ blok di belakang dianggarkan oleh:

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

Ini menunjukkan keselamatan berkembang secara eksponen dengan kelebihan $z$ apabila penyerang mempunyai kurang daripada 50% kadar hash ($q < p$). Model ini, walaupun dipermudahkan, menyokong peraturan "6-pengesahan" untuk transaksi bernilai tinggi.

Penerangan Carta (Konseptual): Graf yang memplot $P_{\text{serangan}}$ (paksi-y) melawan Kuasa Hash Penyerang $q$ (paksi-x), untuk nilai $z$ yang berbeza (pengesahan). Lengkung menunjukkan penurunan tajam apabila $q$ jatuh di bawah 0.5, dan untuk $q<0.5$ yang tetap, $P_{\text{serangan}}$ merosot secara eksponen apabila $z$ meningkat dari 1 ke 6. Ini secara visual menunjukkan pulangan berkurangan terhadap kebarangkalian serangan dengan lebih banyak pengesahan.

8. Kerangka Analisis & Kajian Kes Konseptual

Kajian Kes: Menilai Altcoin Berpusatkan Privasi (contohnya, konsep awal Zcash/Monero)

Menggunakan kerangka kerja kertas kerja ini, kita boleh menguraikan koin privasi yang dicadangkan:

Konsensus: Kemungkinan mengekalkan Bukti-Kerja (pada mulanya) tetapi mungkin menukar algoritma hash (contohnya, Equihash untuk rintangan ASIC).
Peruntukan Mata Wang: Mungkin mempunyai lengkung pelepasan yang berbeza (contohnya, pelepasan ekor berbanding had keras) untuk membiayai pembangunan berterusan atau insentif pelombong.
Teka-teki Pengiraan: Ditukar dari SHA-256 kepada algoritma keras ingatan untuk mengubah dinamik pemusatan pelombong.
Peningkatan Privasi: Melaksanakan strategi khusus dari Seksyen 3.2, contohnya, tandatangan cincin (Monero) atau zk-SNARKs (Zcash). Pilihan ini secara langsung memberi kesan kepada kebolehskalaan (zk-SNARKs memerlukan persediaan dipercayai dan pengiraan berat) dan kebolehauditan (kolam terlindung sepenuhnya adalah legap).
Strategi Penyahperantaraan: Mungkin terhad jika kontrak pintar kompleks tidak serasi dengan skim privasi yang dipilih.

Analisis berstruktur ini segera menyerlahkan pertukaran: privasi unggul mungkin datang dengan kos kelajuan pengesahan, pemeriksaan pengawalseliaan, dan pepijat kerumitan (seperti yang dilihat dalam kerentanan dunia sebenar dalam sistem ini).

9. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

Cabaran yang dikenal pasti oleh kertas kerja ini telah berkembang menjadi sempadan penyelidikan teras hari ini:

Kebolehskalaan & Protokol Lapisan-2: Keperluan untuk penskalaan melangkaui transaksi dalam rantaian telah membawa kepada penyelidikan aktif mengenai Rollup (Optimistik, ZK), saluran keadaan, dan rantaian sisi, secara langsung menangani kebimbangan volum transaksi yang dibangkitkan dalam Seksyen 1.
Pengesahan Formal & Keselamatan: Seruan untuk model yang lebih tepat telah mendorong kerja untuk mengesahkan protokol konsensus rantaian blok secara formal (contohnya, menggunakan pemeriksa model seperti TLA+) dan kontrak pintar (contohnya, dengan alat seperti Certora, Foundry).
Kebolehoperasian Rentas Rantaian: Strategi penyahperantaraan "rantaian sisi" telah berkembang menjadi penyelidikan kebolehoperasian kompleks untuk pemesejan rentas rantaian dan pemindahan aset (contohnya, IBC, LayerZero).
Kriptografi Pasca-Kuantum: Keselamatan semua komponen kriptografi (tandatangan, hash, bukti-zk) terhadap penyerang kuantum adalah hala tuju jangka panjang yang kritikal.
Identiti & Tadbir Urus Teragih: Menggunakan konsensus rantaian blok untuk masalah seperti penamaan dan organisasi autonomi (DAO) kekal sebagai kawasan aktif, bergelut dengan cabaran sosio-teknikal yang diisyaratkan dalam kertas kerja.

10. Rujukan

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