کتاب Blockchain Foundations

کتاب Blockchain Foundations: Mastering Cryptographic Primitives, Consensus Mechanisms, and the Mathematics Behind Distributed Ledger Technology (مبانی بلاک چین: تسلط بر عناصر اولیهٔ رمزنگاری، سازوکارهای اجماع، و ریاضیات پشت فناوری دفترکل توزیع شده) نوشتهٔ Nagnath Savant، یک منبع فنی و عمیق برای متخصصانی است که می‌خواهند بلاکچین را در سطح ریاضیات و پروتکل درک کنند، نه صرفاً استفاده از آن.

کتاب Blockchain Foundations با رویکردی دقیق و بنیادین، از مسئلهٔ سرداران بیزانس شروع کرده و مباحثی مانند توابع درهم‌سازی، امضاهای دیجیتال، اثبات‌های دانش صفر و مکانیسم‌های اجماع مختلف (از جمله اثبات کار، اثبات سهام و الگوریتم‌های تحمل‌پذیر خطای بیزانسی) را با تلفیقی از استدلال ریاضی و مثال‌های کد عملی پوشش می‌دهد . وجه تمایز این اثر، ادغام سه حوزهٔ رمزنگاری، نظریهٔ سیستم‌های توزیع‌شده و نظریهٔ بازی‌های اقتصادی برای تحلیل امنیتی و اقتصادی پروتکل‌ها است و به جای آموزش پلتفرم‌های خاص، به دنبال انتقال دانش علمی مشترک میان تمام بلاکچین‌هاست تا به معماران سیستم در ارزیابی ریسک‌ها و طراحی شبکه‌های مقاوم کمک کند .

در ادامه مقدمه‌ای از کتاب Blockchain Foundations را از زبان نویسنده شرح خواهیم داد.

مقدمه‌ای بر کتاب Blockchain Foundations:

در مقطعی ممکن است یک سیستم بلاک‌چینی برای تحلیل به شما سپرده شود و متوجه شوید که عبارت «مثل یک پایگاه‌داده توزیع‌شده همراه با رمزنگاری است» چندان کمکی نمی‌کند. نه زمانی که باید یک فرض امنیتی را در برابر افرادی که به چالش می‌کشند دفاع کنید. نه زمانی که در حال ارزیابی این هستید که آیا یک پروتکل اجماع واقعاً در برابر مدل مهاجمی که ادعا می‌کند مقاوم است یا خیر. و نه زمانی که می‌خواهید توضیح دهید چرا یک پل بلاک‌چینی برای چهارمین بار در همین سال مورد سرقت قرار گرفته است.

این کتاب از همین نقطه آغاز می‌شود؛ نه از تعریف بازاریابی‌شده بلاک‌چین، بلکه از نحوه واقعی کارکرد آن. از بدوی‌ترین سازوکارهای رمزنگاری که در زیرساخت آن قرار دارند، پروتکل‌های اجماعی که بر پایه آن‌ها ساخته شده‌اند، محیط‌های اجرایی، ساختارهای انگیزشی اقتصادی و نقاط مشخصی که در صورت اشتباه در مهندسی، کل سیستم در آن‌ها فرو می‌پاشد.

هر فصل با هدفی مشخص نوشته شده است: توضیح دهید چرا امنیت ECDSA بر فرض دشواری لگاریتم گسسته استوار است، هزینه یک حمله اکثریت هش را با اعداد واقعی محاسبه کنید و تحلیل کنید که چرا پنجره هفت‌روزه چالش در رول‌آپ‌های خوش‌بینانه دقیقاً چنین مصالحه‌ای را ایجاد می‌کند. هدف، سواد فنی قابل دفاع است؛ نه آشنایی سطحی که صرفاً در گفتگوها به کار بیاید.

کتاب Blockchain Foundations برای چه کسانی است؟

اگر برنامه‌نویس هستید، می‌توانید ریاضیات را در سطح تقریبی یک دوره تحصیلات تکمیلی سال اول دنبال کنید و می‌خواهید سیستم‌های بلاک‌چینی را همان‌گونه درک کنید که سایر پروتکل‌هایی را که بر آن‌ها تکیه می‌کنید می‌شناسید، این کتاب برای شماست.

داشتن پیش‌زمینه در سیستم‌های توزیع‌شده، رمزنگاری یا شبکه مزیت محسوب می‌شود اما الزامی نیست. فصل اول از اصول اولیه شروع می‌کند. آنچه ضروری است، تمایل به دنبال کردن استدلال‌های رسمی به‌جای عبور مستقیم به سراغ شهود است. شهود در این حوزه آن‌قدرها هم قابل اعتماد نیست که بتوان بدون تحلیل دقیق به آن تکیه کرد.

این کتاب مقدمه‌ای بر سرمایه‌گذاری در رمزارزها، راهنمای استفاده از DeFi یا تبلیغ بلاک‌چین سازمانی نیست. چنین کتاب‌هایی وجود دارند. این کتاب شما را مستقیماً در برابر سازوکارهای درونی سیستم قرار می‌دهد و تا زمانی که خودتان قادر به استدلال درباره آن‌ها نباشید، از موضوع عبور نمی‌کند.

ساختار کتاب

بخش اول: مبانی رمزنگاری (فصل‌های ۱ تا ۴)

فصل ۱ مسئله اصلی یعنی رسیدن به اجماع میان ماشین‌های غیرقابل اعتماد را از طریق مسئله ژنرال‌های بیزانسی و مروری بر سیستم‌های پول دیجیتال پیش از بیت‌کوین معرفی می‌کند. در پایان این فصل دقیقاً خواهید دانست بلاک‌چین کدام اهرم‌های اعتماد را کاهش می‌دهد و کدام موارد همچنان پابرجا می‌مانند.

فصل ۲ به سازوکارهای رمزنگاری بنیادی می‌پردازد: توابع هش (SHA-256 و Keccak)، مقاومت در برابر برخورد و کران تولد، درخت‌های مرکل، ساختار Merkle-Patricia در اتریوم، مولدهای اعداد تصادفی امن رمزنگاری (CSPRNG) و کدهای احراز اصالت پیام (MAC) از جمله HMAC. این فصل به‌دقت توضیح می‌دهد هر ابزار چه چیزی را فراهم می‌کند و چه چیزی را فراهم نمی‌کند؛ زیرا عبارت «فقط هش کن» برای افراد زیادی هزینه‌بر بوده است.

فصل ۳ کتاب Blockchain Foundations امضای دیجیتال را بررسی می‌کند: RSA، ECDSA، امضاهای Schnorr همراه با تجمیع، EdDSA و طرح‌های امضای چندگانه آستانه‌ای. تمرکز اصلی بر خطاهای پیاده‌سازی در دنیای واقعی است؛ زیرا دانستن ریاضیات به‌تنهایی کافی نیست.

فصل ۴ اثبات‌های دانش صفر را معرفی می‌کند: تفاوت سیستم‌های تعاملی و غیرتعاملی، zk-SNARK، zk-STARK، Bulletproofs، طرح‌های تعهد، امضاهای حلقه‌ای مورد استفاده در مونرو و توابع تصادفی قابل راستی‌آزمایی. هدف این فصل توانایی ارزیابی سیستم‌های مبتنی بر ZK است، نه پیاده‌سازی آن‌ها از صفر.

بخش دوم: سازوکارهای اجماع (فصل‌های ۵ تا ۹)

فصل ۵ اثبات کار (PoW) را پوشش می‌دهد: معماهای هش، تنظیم سختی، استخراج خودخواهانه، حمله اکثریت هش همراه با برآوردهای مالی واقعی، روش‌های پرداخت استخرهای استخراج و تعادل‌های نظریه بازی میان ماینرها.

فصل ۶ کتاب Blockchain Foundations به اثبات سهام (PoS) می‌پردازد: مسئله Nothing-at-Stake و راهکارهایی مانند جریمه‌گذاری (Slashing)، ابزارهای نهایی‌سازی، نشت غیرفعال، Gasper، حملات بلندمدت، ذهنیت ضعیف (Weak Subjectivity)، اقتصاد استیکینگ، MEV و روندهای تمرکز مجدد.

فصل ۷ کتاب Blockchain Foundations تحمل خطای بیزانسی (BFT) را بررسی می‌کند: پروتکل PBFT، مسئله پیچیدگی ارتباطی O(n²)، قضیه عدم امکان FLP، پروتکل HotStuff و Tendermint Core. همچنین فرضیات همزمانی شبکه و تفاوت میان ایمنی و زنده‌بودن سیستم‌ها توضیح داده می‌شود.

فصل ۸ به پروتکل‌هایی می‌پردازد که نه کاملاً در دسته ناکاموتو قرار می‌گیرند و نه BFT؛ از جمله Avalanche، دفترکل‌های مبتنی بر DAG، الگوریتم GHOST، خانواده Ouroboros و پروژه‌هایی مانند Bitcoin-NG، PHANTOM، SPECTRE و Prism.

فصل ۹ کتاب Blockchain Foundations چارچوبی برای مقایسه پروتکل‌های اجماع ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد چرا بسیاری از مقایسه‌های رایج گمراه‌کننده هستند. این فصل روش نرمال‌سازی معیارها و راهنمای انتخاب عملی یک پروتکل را ارائه می‌کند.

بخش سوم: معماری بلاک‌چین و اجرا (فصل‌های ۱۰ تا ۱۴)

فصل ۱۰ مدل UTXO بیت‌کوین و مدل حسابی اتریوم را از منظر حریم خصوصی، پردازش موازی، قابلیت قراردادهای هوشمند و معناشناسی رسمی مقایسه می‌کند. همچنین رشد وضعیت (State Growth) و پیامدهای آن را بررسی می‌کند.

فصل ۱۱ کتاب Blockchain Foundations ماشین‌های مجازی را پوشش می‌دهد: معماری EVM، مجموعه کامل Opcodeها، مکانیزم گس، EIP-1559، EIP-2929، WebAssembly، اجرای موازی و آسیب‌پذیری‌هایی مانند Reentrancy.

فصل ۱۲ کتاب Blockchain Foundations مسیر یک تراکنش را از ایجاد تا ورود به بلاک دنبال می‌کند و به موضوعاتی نظیر MEV، آربیتراژ صرافی‌های غیرمتمرکز، حملات Sandwich، Flashbots، MEV-Boost و تفکیک نقش سازنده و پیشنهاددهنده بلاک می‌پردازد.

فصل ۱۳ امنیت اقتصادی رمزنگارانه را بررسی می‌کند: نظریه بازی، توکنومیک، مدل‌های هزینه حمله، بودجه امنیتی بلندمدت و تحلیل شرایط بحرانی مانند سقوط قیمت توکن.

فصل ۱۴ به راستی‌آزمایی رسمی اختصاص دارد: منطق زمانی، مدل‌سازی، دستیارهای اثبات مانند Coq و Lean، اجرای نمادین و ساختاردهی ممیزی امنیتی در لایه‌های مختلف سیستم.

بخش چهارم: مقیاس‌پذیری و موضوعات پیشرفته (فصل‌های ۱۵ تا ۱۹)

فصل ۱۵ راهکارهای لایه دوم را پوشش می‌دهد: رول‌آپ‌های خوش‌بینانه، رول‌آپ‌های دانش صفر، کانال‌های وضعیت، Plasma و چالش‌های تعامل میان لایه‌های دوم.

فصل ۱۶ کتاب Blockchain Foundations به شاردینگ می‌پردازد: تصاحب تک‌شارد، چرخش کمیته‌ها، شاردینگ اجرا و دسترس‌پذیری داده، کدگذاری پاک‌کننده، نمونه‌برداری دسترس‌پذیری داده و مسیر تکامل اتریوم تا Danksharding.

فصل ۱۷ دسترس‌پذیری داده و نظریه بلاک‌چین ماژولار را بررسی می‌کند؛ از جمله Celestia، EigenLayer و مزایا و معایب طراحی‌های یکپارچه و ماژولار.

فصل ۱۸ رمزنگاری مقاوم در برابر رایانش کوانتومی را پوشش می‌دهد: الگوریتم شور، الگوریتم گروور، تهدید «اکنون ذخیره کن، بعداً رمزگشایی کن»، استانداردهای جدید NIST و چالش‌های مهاجرت بلاک‌چین‌ها به الگوریتم‌های پساکوانتومی.

فصل ۱۹ کتاب Blockchain Foundations با مسائل حل‌نشده پایان می‌یابد: سه‌گانه مقیاس‌پذیری، حریم خصوصی مبتنی بر ZK، اقتصاد پایدار در سیستم‌های PoS، طراحی پل‌های کم‌اعتماد، محاسبات قابل راستی‌آزمایی، حاکمیت و مقاومت در برابر حملات سیبل. همچنین ارتباط این حوزه با هوش مصنوعی، اینترنت اشیا و اکوسیستم DeFi بررسی می‌شود.

کتاب Blockchain Foundations به‌صورت پیوسته طراحی شده است؛ بخش‌های اول و دوم پایه‌های اصلی را تشکیل می‌دهند و هر بخش بعدی بر آن‌ها استوار است. افرادی که با رمزنگاری کاربردی آشنا هستند می‌توانند مطالعه را از فصل ۵ یا ۷ آغاز کنند. متخصصان سیستم‌های توزیع‌شده نیز احتمالاً فصل‌های ۷ و ۹ را بهترین نقطه ورود خواهند یافت. در پایان هر فصل تمرین‌های درجه‌بندی‌شده ارائه شده و در پیوست D راه‌حل تعدادی از آن‌ها آورده شده است.

سرفصل‌های کتاب Blockchain Foundations:

• Table of Contents
• About the Author
• About the Technical Reviewer
• Acknowledgments
• Introduction
• Part I: Cryptographic Foundations
  • Chapter 1: The Why of Blockchain
  • Chapter 2: Cryptographic Primitives
  • Chapter 3: Digital Signatures
  • Chapter 4: Zero-Knowledge Proofs
• Part II: Consensus Mechanisms
  • Chapter 5: Proof of Work
  • Chapter 6: Proof of Stake
  • Chapter 7: Byzantine Fault Tolerance
  • Chapter 8: Novel Consensus Mechanisms
  • Chapter 9: Consensus Comparison Framework
• Part III: Blockchain Architecture and Execution
  • Chapter 10: Data Structures
  • Chapter 11: Virtual Machines
  • Chapter 12: Transaction Models and MEV
  • Chapter 13: Cryptoeconomic Security
  • Chapter 14: Formal Verification and Security Analysis
• Part IV: Scalability and Advanced Topics
  • Chapter 15: Layer-2 Scaling
  • Chapter 16: Sharding and Parallel Execution
  • Chapter 17: Data Availability and Modular Blockchains
  • Chapter 18: Post-Quantum Cryptography
  • Chapter 19: Future Directions and Open Problems
• Appendix A: Mathematical Foundations
• Appendix B: Security Best Practices
• Appendix C: Formal Security Definitions
• Appendix D: Exercise Solutions (Selected)
• Glossary
• Bibliography
• Foundational Cryptography
• Index

جهت دانلود کتاب Blockchain Foundations می‌توانید پس از پرداخت، دریافت کنید.