Perils of Parallelism: Transaction Fee Mechanisms under Execution Uncertainty

तकनीकी सारांश: समानांतरता के खतरे: निष्पादन अनिश्चितता के तहत लेनदेन शुल्क तंत्र

1. समस्या विवरण

आधुनिक ब्लॉकचेन निष्पादन (execution) के बजाय सर्वसम्मति (consensus) के कारण होने वाली थ्रूपुट बाधाओं को दूर करने के लिए सीरियल से समानांतर निष्पादन (parallel execution) की ओर बढ़ रहे हैं। जबकि समानांतर निष्पादन (Sui, Solana, Monad और Ethereum जैसे चेन द्वारा उपयोग या नियोजित) क्षमता बढ़ाता है, यह दो महत्वपूर्ण आर्थिक चुनौतियां पेश करता है जब लेनदेन में निष्पादन अनिश्चितता (contingency) और संसाधन संघर्ष (resource contention) शामिल होता है:

1. निष्पादन आकस्मिकता और जोखिम आवंटन (Execution Contingency and Risk Allocation): अभिव्यंजक स्मार्ट कॉन्ट्रैक्ट भाषाओं (Turing-complete) में, एक लेनदेन का संसाधन उपयोग (एक्सेस किए गए ऑब्जेक्ट्स) रनटाइम पर ब्लॉकचेन की स्थिति पर निर्भर करता है, जिसे निष्पादन से पहले नहीं जाना जा सकता। यह उपयोगकर्ता जोखिम (उपयोग न किए गए घोषित ऑब्जेक्ट्स के लिए अधिक भुगतान करना) और शेड्यूलर जोखिम (जब आरक्षित क्षमता का भुगतान नहीं किया जाता है क्योंकि अंडर-एग्जीक्यूशन हुआ है, तो शेड्यूलर राजस्व खो देता है) के बीच तनाव पैदा करता है।
2. गैस गणना पर शिल हमले (Shill Attacks on Gas Computation): समानांतर सेटिंग्स (जैसे Shapley value या Time-Proportional Makespan) के लिए डिज़ाइन किए गए मौजूदा गैस गणना तंत्र (GCMs) तर्कसंगत हेरफेर के प्रति संवेदनशील हैं। उपयोगकर्ता और शेड्यूलर दोनों रणनीतिक रूप से गैस या शुल्क को बदलने के लिए "शिल" (नकली) लेनदेन इंजेक्ट कर सकते हैं। उपयोगकर्ता अपने वास्तविक लेनदेन के गैस/शुल्क को कम करने के लिए बेकार समानांतर लेनदेन जोड़कर शुल्क कम कर सकते हैं, जबकि शेड्यूलर वास्तविक संघर्ष (contention) को बढ़ाकर शुल्क बढ़ा सकते हैं।

यह शोध पत्र तर्क देता है कि वर्तमान डिज़ाइन समानांतरता, निष्पादन अनिश्चितता और आर्थिक मजबूती को एक साथ संबोधित करने में विफल रहते हैं, जिससे अक्षमताएं और शोषण योग्य कमजोरियां पैदा होती हैं।

2. कार्यप्रणाली और मॉडल

लेखक समानांतर निष्पादन के तहत अनिश्चितता के साथ लेनदेन शुल्क तंत्र (TFMs) का विश्लेषण करने के लिए एक ढांचे को औपचारिक रूप देते हैं।

• लेनदेन मॉडल: एक लेनदेन $tx$को कंप्यूट यूनिट$t$, प्रायोरिटी फ़ी ($g$), और घोषित रीड/राइट सेट्स$(R, W)$द्वारा परिभाषित किया गया है। महत्वपूर्ण रूप से, *वास्तविक* एक्सेस किए गए ऑब्जेक्ट्स ($X_R, X_W$) निष्पादन पथ के आधार पर घोषित सेट्स के उपसमुच्चय (subset) हो सकते हैं (आकस्मिकता)।
• शुल्क परिभाषाएं: पेपर निम्नलिखित के बीच अंतर करता है:
  • प्राप्य शुल्क ($f_{att}$): वह शुल्क यदि सभी घोषित ऑब्जेक्ट्स का उपयोग किया जाता है।
  • बेसलाइन शुल्क ($f_{base}$): केवल नियत (deterministic) ऑब्जेक्ट्स के लिए शुल्क।
  • उपयोगकर्ता-आदर्श शुल्क ($f_{ui}$): वास्तव में उपयोग किए गए सटीक ऑब्जेक्ट्स के लिए शुल्क।
  • वास्तविक भुगतान किया गया शुल्क ($f_{act}$): वसूला गया शुल्क।
• जोखिम मेट्रिक्स:
  • **उपयोगकर्ता जोखिम ($UR$):**$f_{act} - f_{ui}$ (अत्यधिक भुगतान)।
  • **शेड्यूलर जोखिम ($SR$):**$f_{att} - f_{act}$ (अनरियलाइज्ड राजस्व)।
• विरोधी मॉडल (Adversarial Model): उपयोगकर्ताओं और शेड्यूलर को तर्कसंगत, आर्थिक रूप से प्रेरित एजेंटों के रूप में मॉडल किया गया है जो अपने खर्च को कम करने या राजस्व को अधिकतम करने के लिए शिल लेनदेन डाल सकते हैं।
• जटिलता विश्लेषण: पेपर निष्पादन के बिना ऑब्जेक्ट उपयोग की भविष्यवाणी करने की कठिनाई का विश्लेषण करने के लिए जटिलता सिद्धांत (विशेष रूप से P-completeness) का उपयोग करता है।

3. मुख्य योगदान और परिणाम

A. जोखिम उन्मूलन की एक साथ असंभवता

पेपर एक मौलिक असंभवता परिणाम सिद्ध करता है: कोई भी तंत्र लेनदेन को प्री-एग्जीक्यूट किए बिना या निरंतर शुल्कों (constant fees) में सिमटे बिना, दोनों उपयोगकर्ता जोखिम और शेड्यूलर जोखिम को एक साथ समाप्त नहीं कर सकता।

• प्रमेय 1: यदि एक शेड्यूलर एक कंप्यूट सीमा $G$ द्वारा बाधित है (वह ब्लॉक द्वारा अनुमत कार्य से अधिक कार्य नहीं कर सकता), तो विरोधाभासी आकस्मिक लेनदेन वाले सभी इनपुट के लिए भुगतान सेट करना असंभव है कि $UR=0$और$SR=0$ हो।
• प्रमेय 2 (P-completeness): यह तय करना कि क्या एक विशिष्ट ऑब्जेक्ट एक आकस्मिक लेनदेन द्वारा उपयोग किया जाता है (ऑब्जेक्ट यूसेज डिसीजन प्रॉब्लम) P-complete है। इसका अर्थ है कि ऑब्जेक्ट उपयोग को सत्यापित करने के लिए निष्पादन समय के समान क्रमिक कार्य की आवश्यकता होती है, जिससे शेड्यूलर के लिए निष्पादन से पहले उपयोग की भविष्यवाणी करना "सस्ता" या आसान रूप से करना कम्प्यूटेशनल रूप से अव्यवहार्य हो जाता है।
• ट्रेड-ऑफ: एक अंतर्निहित रैखिक ट्रेड-ऑफ मौजूद है। उपयोगकर्ता जोखिम को कम करने (केवल उपयोग किए गए ऑब्जेक्ट्स के लिए शुल्क लेना) से शेड्यूलर जोखिम (राजस्व हानि) बढ़ता है, और इसके विपरीत।

B. जोखिम विभाजन तंत्र का लक्षण वर्णन

असंभवता को देखते हुए, लेखक $\alpha \in [0,1]$ द्वारा पैरामीटराइज किए गए तीन कैनोनिकल जोखिम विभाजन तंत्रों के माध्यम से डिज़ाइन स्पेस को वर्गीकृत करते हैं:

1. उपयोगकर्ता-अनुकूल ($\alpha=0$): उपयोगकर्ता केवल वास्तविक निष्पादन के लिए भुगतान करते हैं ($f_{act} = f_{ui}$)। शेड्यूलर सारा जोखिम उठाता है।
2. शेड्यूलर-अनुकूल ($\alpha=1$): उपयोगकर्ता सभी घोषित ऑब्जेक्ट्स के लिए भुगतान करते हैं ($f_{act} = f_{att}$)। उपयोगकर्ता सारा जोखिम उठाता है।
3. इवन-स्टीवन ($\alpha=0.5$): जोखिम समान रूप से विभाजित होता है।
   पेपर राजस्व निहितार्थों को मैप करने के लिए विभिन्न शेड्यूलर उपयोगिता मॉडलों (Optimistic, Pessimistic, Median) के तहत इनका विश्लेषण करता है।

C. शिल हमले और शुल्क-आधारित शिल-प्रूफनेस

पेपर पहचानता है कि आकस्मिकता की उपस्थिति में मानक GCM गुण (जैसे Set Inclusion) शिल हमलों को रोकने के लिए अपर्याप्त हैं।

• उपयोगकर्ता शिल हमले: उपयोगकर्ता अपने वास्तविक लेनदेन के प्रभावी गैस/शुल्क को कम करने के लिए नकली लेनदेन इंजेक्ट करते हैं।
• शेड्यूलर शिल हमले: शेड्यूलर ईमानदार उपयोगकर्ताओं से वसूले जाने वाले गैस/शुल्क को बढ़ाने के लिए नकली लेनदेन इंजेक्ट करते हैं।
• शुल्क-आधारित शिल-प्रूफनेस: लेखक प्रायोरिटी फीस और निष्पादन आकस्मिकता को ध्यान में रखते हुए, केवल गैस के बजाय शुल्कों पर आधारित शिल-प्रूफनेस के लिए नए परिभाषाएं प्रस्तावित करते हैं। वे सिद्ध करते हैं कि उपयोगकर्ता-अनुकूल तंत्रों के लिए, शिल-प्रूफनेस तभी प्राप्त की जा सकती है जब शुल्क शेड्यूल से स्वतंत्र हो (प्रमेय 3)।

D. ऑब्जेक्ट-वेटेड टीएफएम (OW-TFM)

इन मुद्दों को हल करने के लिए, लेखक ऑब्जेक्ट-वेटेड ट्रांजैक्शन फी मैकेनिज्म (OW-TFM) का प्रस्ताव करते हैं।

• तंत्र: शुल्क लेनदेन द्वारा घोषित ऑब्जेक्ट्स की कीमत के आधार पर गणना किए जाते हैं, जहाँ ऑब्जेक्ट की कीमतें ऐतिहासिक उपयोगिता के आधार पर अपडेट की जाती हैं (EIP-1559 के समान)।
• जोखिम पैरामीटरीकरण: तंत्र यह निर्धारित करने के लिए एक पैरामीटर $\alpha$ का उपयोग करता है कि उपयोगकर्ता घोषित-लेकिन-अनुपयोगी ऑब्जेक्ट्स के लिए कितना भुगतान करता है ($\alpha \cdot \text{price}$)।
• शिल प्रतिरोध: दिखाया गया है कि OW-TFM विशिष्ट स्थितियों के तहत शिल-प्रूफ है। क्योंकि कीमतें पिछले ब्लॉक के उपयोग से प्राप्त होती हैं, इसलिए वर्तमान ब्लॉक में एक शिल लेनदेन वर्तमान ब्लॉक के लिए किसी ऑब्जेक्ट की कीमत को कम नहीं कर सकता (यह केवल भविष्य की कीमतों को बढ़ा सकता है)।
• शर्तें: लेम्मा 4 शेड्यूलर शिल हमलों को रोकने के लिए आवश्यक $\alpha$ के थ्रेसहोल्ड को स्थापित करता है, जो प्रायोरिटी-टू-बेस फ़ी अनुपात ($\pi_o$), प्राइस रिस्पॉन्सिवनेस ($\eta$), और रिटेंशन रेशियो ($\gamma$) पर निर्भर करता है।

4. महत्व और दावे

पेपर का दावा है कि यह समानांतर ब्लॉकचेन के लिए शुल्क तंत्रों के मूल्यांकन और डिजाइन करने के लिए कठोर आधार (rigorous foundations) प्रदान करता है। इसका महत्व इस प्रकार है:

1. मौलिक सीमाओं की पहचान: यह प्रदर्शित करता है कि समानांतर निष्पादन में उपयोगकर्ता निष्पक्षता और शेड्यूलर राजस्व के बीच का तनाव एक डिज़ाइन दोष नहीं है, बल्कि निष्पादन अनिश्चितता और कम्प्यूटेशनल जटिलता का एक मौलिक परिणाम है।
2. कमजोरियों को उजागर करना: यह प्रकट करता है कि समानांतर गैस गणना के मौजूदा प्रस्ताव (जैसे Shapley-आधारित दृष्टिकोण) तर्कसंगत शिल हमलों के प्रति संवेदनशील हैं, जो एक ऐसा खतरा है जिसे साहित्य में पहले संबोधित नहीं किया गया था।
3. एक डिज़ाइन फ्रेमवर्क प्रदान करना: यह एक सिद्धांत आधारित डिज़ाइन स्पेस ( $\alpha$ स्पेक्ट्रम) और एक ठोस तंत्र (OW-TFM) प्रदान करता है जो सिस्टम डिजाइनरों को जोखिम आवंटन रणनीति को स्पष्ट रूप से चुनने की अनुमति देता है जबकि हेरफेर के प्रति प्रतिरोध बनाए रखता है।
4. उद्योग के लिए प्रासंगिकता: इसके परिणाम प्रमुख समानांतर चेन (Sui, Monad, Solana) के डिजाइनों और एक्सेस लिस्ट के माध्यम से एथेरियम के समानांतर निष्पादन के रोडमैप पर सीधे लागू होते हैं और उनकी आलोचना करते हैं।

लेखक एक विनम्र लहजा बनाए रखते हैं, यह नोट करते हुए कि उनका कार्य एक एकल "परफेक्ट" समाधान निर्धारित करने के बजाय मौलिक सीमाओं और ट्रेड-ऑफ की पहचान करता है, यह स्वीकार करते हुए कि व्यावहारिक तैनाती के लिए संभावabilistic निष्पादन मॉडल और विशिष्ट कार्यान्वयन विवरणों पर आगे विचार करने की आवश्यकता है।