ناكاموتو المستهدف: تحقيق التوازن بين أمن شبكة البيتكوين والانبعاثات الكربونية

جدول المحتويات

• 1 المقدمة
  • 1.1 موازنة المخاطر المتعارضة
  • 1.2 روابط الكود وواجهة برمجة التطبيقات (API) على الويب
  • 1.3 الأدبيات ذات الصلة
  • 1.4 سؤال البحث وقيود التصميم
  • 1.5 خارطة الطريق
• 2 Hashrate Externalities
  • 2.1 التبعيات
  • 2.2 أمن الشبكات
• 3 Targeted Nakamoto - منظور تصميم الآلية
  • 3.1 اللبنات الأساسية لـ Targeted Nakamoto
  • 3.2 نظرة عامة على تصميم آلية البروتوكولات
• 4 النموذج
  • 4.1 إشارة صعوبة اللغز لمعدل التجزئة
  • 4.2 توازن التعدين
• 5 سياسة مكافأة الكتلة المستهدفة
  • 5.1 تخصيصات تعديل مكافأة الكتلة
  • 5.2 إشارة صعوبة اللغز ونقاط تحول السياسة
  • 5.3 سياسة التحكم في معدل التجزئة
• 6 الآثار الاستراتيجية لسياسة تعديل الكتلة
  • 6.1 استقرار توازن المعدنين
  • 6.2 التعديل الديناميكي لمعدل الهاش
• 7 الحياد النقدي
  • 7.1 السياسة النقدية المستهدفة
• 8 الخاتمة
• 9 التحليل الأصلي
• 10 تفاصيل تقنية
• 11 تنفيذ الكود
• 12 التطبيقات المستقبلية
• 13 References

1 المقدمة

تتطلب عملات البلوكتشين المشفرة القائمة على إثبات العمل مثل Bitcoin تطبيق قوة الحوسبة من قبل المعدنين لتشغيل الشبكة. يجمع المعدنون الكتل ويتنافسون لحل لغز محدد بواسطة الكود. يمثل عدد تخمينات اللغز (تجزئة واحدة لكل تخمين) الذي يقوم بها جهاز التعدين في فترة زمنية محددة معدل التجزئة الخاص به، والذي يستهلك الكهرباء.

1.1 موازنة المخاطر المتعارضة

تواجه Bitcoin خطرين وجوديين متعارضين: حاليًا، يؤدي ارتفاع استهلاك طاقة التعدين إلى رد فعل سياسي سلبي؛ في المستقبل، سيؤدي انخفاض مكافآت المعدنين إلى انخفاض معدل التجزئة، مما يقلل تكلفة الهجوم. يتعامل Targeted Nakamoto مع هذه المخاوف من خلال توجيه معدل التجزئة نحو هدف محدد.

1.2 روابط الكود وواجهة برمجة التطبيقات (API) على الويب

Kristian Praizner wrote the code for the hashrate control algorithm and implemented it on an API that is a companion to this paper.

1.3 الأدبيات ذات الصلة

الورقة البحثية تبني على الأبحاث الحالية في تصميم آليات البلوكشين وتحسينات بروتوكول Bitcoin، مستشهدة بأعمال حول تحسين إثبات العمل ونماذج أمن الشبكات.

1.4 سؤال البحث وقيود التصميم

كيفية تصميم بروتوكول يحافظ على أمان Bitcoin مع تقليل تأثيره البيئي، دون الإخلال بالحياد النقدي أو خلق نواقل هجوم جديدة.

1.5 خارطة الطريق

تستمر الورقة البحثية بتحليل العوامل الخارجية لمعدل الهاش، وعرض آلية ناكاموتو المستهدفة، ونمذجة آثارها، ومناقشة اعتبارات التنفيذ.

2 Hashrate Externalities

يخلق نشاط التعدين عاملين خارجيين رئيسيين: أمن الشبكة (إيجابي) وانبعاثات الكربون (سلبي). يؤدي ارتفاع معدل الهاش إلى زيادة الأمان ولكنه يزيد أيضًا من استهلاك الطاقة.

2.1 التبعيات

يعتمد معدل الهاش على مكافآت الكتلة وتكاليف الكهرباء وكفاءة أجهزة التعدين. العلاقة تتبع: $H = f(R, C_e, E)$ حيث $H$ هو معدل الهاش، $R$ هو مكافأة الكتلة، $C_e$ هو تكلفة الكهرباء، و $E$ هي كفاءة الأجهزة.

2.2 أمن الشبكات

تنخفض تكلفة أمن الشبكة مع معدل التجزئة: $S_c = \frac{k}{H}$ حيث تمثل $S_c$ تكلفة الأمن و $k$ ثابت. يجعل معدل التجزئة الأعلى هجمات 51% أكثر تكلفة.

3 Targeted Nakamoto - منظور تصميم الآلية

Targeted Nakamoto هو بروتوكول يحفز المعدنين على توجيه معدل الهاش إلى نطاق التكلفة الأدنى من خلال تحديد حد أقصى لمكافآت الكتلة عند تجاوز الهدف وفرض حد أدنى لمكافأة الكتلة عند الانخفاض.

3.1 اللبنات الأساسية لـ Targeted Nakamoto

يستخدم البروتوكول مكافآت كتلة قابلة للتعديل، ومشغلات قائمة على الصعوبة، وآليات حيادية نقدية للحفاظ على سلامة النظام مع التحكم في معدل التجزئة.

3.2 نظرة عامة على تصميم آلية البروتوكولات

يتبع التصميم مبادئ التوافق الحوافزي حيث يكون المعدنون مدفوعين اقتصاديًا للحفاظ على معدل التجزئة بالقرب من المستوى المستهدف دون تنسيق مركزي.

4 النموذج

يقوم النموذج الرياضي بصياغة العلاقة بين معدل التجزئة ومكافآت الكتلة ومعلمات الشبكة للتنبؤ بسلوك النظام تحت البروتوكول المقترح.

4.1 إشارة صعوبة اللغز لمعدل التجزئة

تعتبر صعوبة الشبكة $D$ مؤشرًا بديلاً لمعدل الهاش: $D \propto H$. يستخدم البروتوكول قياسات الصعوبة لتحفيز تعديلات المكافأة عندما تنحرف $D$ عن الهدف $D_t$.

4.2 توازن التعدين

يتحقق توازن التعدين عندما $R \times P_s = C_e \times E \times H$ حيث تمثل $P_s$ احتمالية حل اللغز. البروتوكول يضبط $R$ للحفاظ على $H$ قرب المستوى الأمثل.

5 سياسة مكافأة الكتلة المستهدفة

الابتكار الأساسي: سياسة مكافأة كتلة ديناميكية تتكيف بناءً على معدل التجزئة الحالي مقارنة بالمستويات المستهدفة.

5.1 تخصيصات تعديل مكافأة الكتلة

عندما يتجاوز معدل التجزئة الهدف: $R_{actual} = R_{base} - \Delta R$. عندما يقل معدل التجزئة عن الهدف: $R_{actual} = R_{base} + \Delta R$.

5.2 إشارة صعوبة اللغز ونقاط تحول السياسة

Policy triggers activate when $|D - D_t| > \delta$ where $\delta$ is the tolerance threshold. Adjustment magnitude: $\Delta R = \alpha |D - D_t|$ with $\alpha$ as sensitivity parameter.

5.3 سياسة التحكم في معدل التجزئة

تستخدم خوارزمية التحكم التغذية الراجعة التناسبية التكاملية لتقليل التذبذبات والحفاظ على معدل تجزئة مستقر حول المستوى المستهدف.

6 الآثار الاستراتيجية لسياسة تعديل الكتلة

تخلق هذه السياسة حوافز اقتصادية يمكن التنبؤ بها لتوجيه سلوك المعدنين نحو مستوى معدل التجزئة الأمثل اجتماعياً.

6.1 استقرار توازن المعدنين

يُظهر التحليل أن النظام يتقارب نحو توازن مستقر حيث تتساوى الفائدة الأمنية الحدية مع التكلفة البيئية الحدية.

6.2 التعديل الديناميكي لمعدل الهاش

تظهر المحاكاة أن hashrate يستجيب لتعديلات المكافأة خلال 2-3 فترات تعديل صعوبة، مما يُظهر تقاربًا سريعًا نحو الهدف.

7 الحياد النقدي

يتم الحفاظ على الحياد النقدي من خلال التعديلات التناسبية في القوة الشرائية بين حاملي UTXO، لتعويض الإضافات والخصومات من مكافأة الكتلة.

7.1 السياسة النقدية المستهدفة

The protocol uses UTXO set adjustments to ensure total monetary supply remains unchanged despite block reward variations: $\sum UTXO_{value} = constant$.

8 الخاتمة

يمثل ناكاموتو المستهدف نهجًا واعدًا لتحقيق التوازن بين احتياجات أمان البيتكوين والمخاوف البيئية، مما يوفر إطارًا لتشغيل مستدام لسلسلة كتل PoW.

9 التحليل الأصلي

وضع الإصبع على موضع الداءTargeted Nakamoto يحاول حل التناقض الأساسي لاستدامة Bitcoin، لكن التعقيد التنفيذي قد يفوق فوائده النظرية. هذا حل أكاديمي آخر يبحث عن مشكلة واقعية.

سلسلة منطقيةتتبع الحجة الأساسية للورقة منطقًا اقتصاديًا واضحًا: يُنتج معدل التجزئة فوائد أمنية وتكاليف بيئية → يقلل معدل التجزئة الأمثل التكلفة الإجمالية → يمكن لتعديلات البروتوكول توجيه المعدّنين نحو هذا المستوى الأمثل. لكن السلسلة تنكسر عند التطبيق. مثل العديد من أوراق تصميم الآليات (المشابهة للأفكار الأنيقة غير العملية في أبحاث CycleGAN المبكرة)، لا تتحول الجماليات الرياضية إلى واقع سلسلة الكتل. إن افتراض أن المعدّنين سيقبلون بشكل سلبي التلاعب بالمكافآت يتجاهل الديناميكيات التنافسية التي تدفع تعدين البيتكوين.

الإيجابيات والسلبيات:آلية الحياد النقدي مبتكرة حقًا - حيث يظهر استخدام تعديلات UTKO لتعويض تغييرات المكافأة فهماً عميقاً لهندسة البيتكوين. هذا يتفوق على المقترحات الأبسط مثل قنابل الصعوبة المبكرة في الإيثيريوم. لكن المقترح يعاني من نفس مخاطر التخطيط المركزي التي صُمم البيتكوين لتجنبها. تحديد معدل التجزئة "الأمثل" يتطلب بالضبط نوع الأحكام الذاتية التي تزيلها الأنظمة اللامركزية. يُظهر مؤشر كامبريدج لاستهلاك البيتكوين الكهربائي أن البيتكوين يستهلك حاليًا ~100 تيراواط ساعي سنويًا - من له الحق في تحديد الرقم "الصحيح"؟

الدروس المستفادة:للمطورين: ادرسوا آلية تعديل UTXO لتطبيقات أخرى، لكن تجنبوا جوانب التخطيط المركزي. للعاملين بالتعدين: استعدوا لهياكل مكافآت أكثر تطوراً. للباحثين: ركزوا على حلول أقل تدخلاً مثل دمج الطاقة المتجددة. يجب أن تنظر مجتمع البيتكوين إلى هذا كتجربة فكرية مثيرة للاهتمام بدلاً من مسار ترقية عملي. كما أظهرت عملية تطوير Bitcoin Core (المرجع: نموذج حكم مقترحات تحسين البيتكوين)، نادراً ما تنجو الحلول الأكاديمية الأنيقة عند الاحتكاك بفلسفة الترقية المحافظة للبيتكوين.

10 تفاصيل تقنية

The protocol uses a control theory approach with the fundamental equation: $H_{t+1} = H_t + \beta(R_t - C(H_t))$ where $\beta$ is adjustment speed, $R_t$ is current reward, and $C(H_t)$ is mining cost function. The optimal hashrate $H^*$ solves: $\min_H [\alpha \cdot SecurityCost(H) + (1-\alpha) \cdot EnvironmentalCost(H)]$ where $\alpha$ is the security-emission tradeoff parameter.

11 تنفيذ الكود

function calculate_reward_adjustment(current_difficulty, target_difficulty):
    deviation = current_difficulty - target_difficulty
    if abs(deviation) > THRESHOLD:
        adjustment = -SENSITIVITY * deviation
        return adjustment
    return 0

def update_utxo_set(block_reward_change, utxo_set):
    total_adjustment = block_reward_change * BLOCK_INTERVAL
    adjustment_factor = 1 + (total_adjustment / utxo_set.total_value)
    for utxo in utxo_set:
        utxo.value *= adjustment_factor
    return utxo_set

12 التطبيقات المستقبلية

يمكن تكييف هذه الآلية لتعمل مع سلاسل الكتل الأخرى القائمة على إثبات العمل التي تواجه تحديات استدامة مماثلة. تشمل التطبيقات المحتملة: Ethereum Classic وLitecoin ومنصات سلاسل الكتل الصناعية الناشئة. يمكن أيضًا استخدام تقنية ضبط UTXO لتنفيذ السياسة النقدية في العملات الرقمية للبنوك المركزية.

13 References

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Cambridge Centre for Alternative Finance (2023). Cambridge Bitcoin Electricity Consumption Index
3. Buterin, V. (2014). Ethereum White Paper
4. Aronoff, D. (2025). Targeted Nakamoto: A Bitcoin Protocol to Balance Network Security and Carbon Emissions
5. Zhu et al. (2017). الترجمة غير المقترنة بين الصور باستخدام شبكات الخصومة ذات الدورة المتسقة (CycleGAN)