Suluhisho la Fedha Dijitali Isiyounganishwa Mtandao Kupitia Teknolojia ya Mnyororo wa Blochi wa Kienyeji

Yaliyomo

1. Utangulizi

Uwezo wa kufanya kazi nje ya mtandao kwa Sarafu Dijitali za Benki Kuu (CBDC) unawakilisha moja ya changamoto kubwa zaidi katika usanifu wa sarafu dijitali. Ingawa malipo mengi ya kisasa hufanyika mtandaoni, pesa taslimu bado ni muhimu katika hali ambapo mawasiliano ya wahusika wa tatu hayapatikani. Kwa hivyo, CBDC lazima iige uwezo wa pesa taslimu nje ya mtandao huku ikikabiliana na changamoto muhimu ikiwemo matumizi mara mbili, kutokubali, kutoweza kubuni, na mashambulizi ya kurudia.

Utafiti huu unapendekeza suluhisho jipya kwa kutumia sarafu zilizosajiliwa kwenye minyororo ya blochi ya kienyeji iliyolindwa na funguo zilizowekwa kwenye vifaa. Mfumo huu unaunga mkono aina mbili za sarafu: sarafu moto (zinazoweza kurejeshwa zikipotea) na sarafu baridi (zisizoweza kurejeshwa, sawa na pesa taslimu).

2. Mfumo wa Kiteknolojia

2.1 Muundo wa Mnyororo wa Blochi wa Kienyeji

Mnyororo wa blochi wa kienyeji hufanya kazi kwenye vifaa vya watumiaji (k.m.v., simu janja) na hudumisha daftari liligosishwa la malipo ya sarafu. Kila kifaa kina funguo za kisiri zilizowekwa ndani ya vipengele salama vya vifaa, hivyo kutoa usalama usioathirika na udhanifu. Mnyororo wa blochi hudumu ukichimba vitalu vipya ili kuboresha usalama kupitia mifumo ya uthibitishaji wa kazi.

2.2 Mfumo wa Kusajili Sarafu

Sarafu hutengenezwa kwa namba za kipekee za mfululizo zinazowezesha kufuatilia na kuthibitisha. Malipo ya sehemu yanapotokea, mfumo wa usajili hutoa namba za mfululizo zinazotokana huku ukidumisha uadilifu wa sarafu asili. Njia hii inahakikisha kuwa kila kitengo cha sarafu kinabaki kinatambulika kipekee katika mzunguko wake wote wa maisha.

2.3 Itifaki za Usalama

Mfumo huu unatumia tabaka nyingi za usalama zikiwemo saini za kisiri, hifadhi ya funguo kwa msingi wa vifaa, na mifumo ya makubaliano yaliyogawanyika. Kila malipo yanahitaji uthibitisho wa kisiri unaothibitishwa na mtandao wa mnyororo wa blochi wa kienyeji, hivyo kuzuia matumizi yasiyoidhinishwa na kuhakikisha uadilifu wa malipo.

3. Maelezo ya Utekelezaji

3.1 Muundo wa Sarafu ya Moto na Baridi

Mfumo wa sarafu mbili hutoa umiliki kwa matumizi tofauti:

• Sarafu Moto: Sarafu dijitali inayoweza kurejeshwa inayoungwa mkono na dhamana za mamlaka kuu. Inafaa kwa malipo ya kila siku yenye ulinzi dhidi ya wizi.
• Sarafu Baridi: Vyombo vya kubebea sarafu bila mfumo wa kurejeshewa, hivyo kuiga sifa za pesa taslimu. Bora kwa malipo yanayolenga faragha.

3.2 Mfumo wa Kihisabati

Mfano wa usalama unategemea misingi ya kisiri na algoriti za makubaliano. Mfumo wa kuzuia matumizi mara mbili unatumia ahadi za kisiri na uthibitisho bila kujua:

Acha $C_i$ iwakilishe sarafu yenye namba ya mfululizo $S_i$, na acha $T_{ij}$ iwakilishe malipo kutoka kwa mtumiaji $i$ kwenda kwa mtumiaji $j$. Kazi ya uthibitishaji $V(T_{ij})$ lazima itimize:

$$V(T_{ij}) = \begin{cases} 1 & \text{kama } \text{ThibitishaSaini}(T_{ij}, K_i) \land \neg\text{JeNiMatumiziMaraMbili}(C_i) \\ 0 & \text{vinginevyo} \end{cases}$$

Ambapo $K_i$ inawakilisha funguo ya siri ya mtumiaji, na hundi ya matumizi mara mbili inahakikisha kuwa kila sarafu hutumiwa mara moja tu ndani ya makubaliano ya mnyororo wa blochi wa kienyeji.

3.3 Matokeo ya Kijaribio

Kupimwa kulikofanyika kwa kutumia mazingira ya kujaribiu yaliyotengwa na mtandao kulionyesha:

• Kiwango cha mafanikio ya malipo: 99.2% katika hali iliyotengwa kabisa na mtandao
• Kuzuia matumizi mara mbili: Ufanisi wa 100% katika majaribio yaliyodhibitiwa
• Muda wa usindikaji wa malipo: <sekunde 2 kwa uhamisho wa mtumiaji-kwa-mtumiaji
• Athari kwenye betri: Upungufu wa ziada wa <5% wakati wa uchimbaji endelevu

Mfano wa Utekelezaji wa Msimbo

class OfflineCBDC:
    def __init__(self, device_id, private_key):
        self.device_id = device_id
        self.private_key = private_key
        self.local_blockchain = LocalBlockchain()
        self.coin_serializer = CoinSerializer()
    
    def mint_coin(self, amount, coin_type):
        serial = self.coin_serializer.generate_serial()
        coin_data = {
            'serial': serial,
            'amount': amount,
            'type': coin_type,
            'timestamp': time.time()
        }
        signature = self.sign_data(coin_data)
        return {'coin': coin_data, 'signature': signature}
    
    def verify_transaction(self, transaction):
        # Thibitisha saini na angalia kwa matumizi mara mbili
        if not self.verify_signature(transaction):
            return False
        if self.local_blockchain.check_double_spend(transaction['coin']):
            return False
        return True
    
    def process_payment(self, recipient_public_key, amount):
        transaction = self.create_transaction(recipient_public_key, amount)
        if self.verify_transaction(transaction):
            self.local_blockchain.add_transaction(transaction)
            return True
        return False

4. Uchambuzi na Majadiliano

Suluhisho lililopendekezwa la CBDC isiyounganishwa mtandao linawakilisha maendeleo makubwa katika teknolojia ya sarafu dijitali, likikabiliana na moja ya changamoto za kudumu zaidi katika utekelezaji wa sarafu dijitali za benki kuu. Kwa kutumia teknolojia ya mnyororo wa blochi wa kienyeji pamoja na funguo zilizolindwa kwenye vifaa, njia hii inatoa mfumo imara wa malipo nje ya mtandao huku ukidumisha dhamana za usalama zinazofanana na mifumo mtandaoni.

Utafiti huu unajengwa juu ya kazi ya msingi katika teknolojia ya mnyororo wa blochi, hasa karatasi nyeupe ya Bitcoin ya Satoshi Nakamoto (2008), ambayo kwa mara ya kwanza ilionyesha uwezo wa makubaliano yaliyogawanyika kwa sarafu dijitali. Hata hivyo, tofauti na makubaliano ya uthibitishaji wa kazi ya Bitcoin inayotumia nguvu nyingi, njia ya mnyororo wa blochi wa kienyeji huboresha kwa kuzingatia vikwazo vya vifaa vya rununu huku ukidumisha usalama. Muundo wa sarafu mbili (sarafu moto/baridi) unachota msukumo kutoka kwa mbinu za kisiri za kisasa zinazofanana na zile zinazotumika katika mifumo ya uthibitisho bila kujua, kama ilivyojadiliwa katika utafiti wa zk-SNARKs na Ben-Sasson et al. (2014).

Ikilinganishwa na suluhisho zilizopo za malipo nje ya mtandao kama vile mradi wa e-peso wa Uruguay (Sarmiento, 2022), njia hii inatoa usalama ulioimarishwa kupitia uchimbaji endelevu wa kienyeji na ulinzi wa funguo kwa msingi wa vifaa. Mfumo wa kihisabati unahakikisha uimara wa kisiri huku ukidumisha utendaji wa vitendo kwenye vifaa vya watumiaji. Suluhisho linakabiliana na changamoto ya kukubalika kwa ulimwengu kote kama ilivyoelezwa katika kushindwa kwa awali kwa pesa-e (Bátiz-Lazo na Moretta, 2016) kwa kutoa faida halisi zaidi ya utendaji wa malipo tu, uwezekano wa kuunganishwa na mifumo ya utambulisho na huduma zingine.

Kutoka kwa mtazamo wa kiteknolojia, muundo wa mnyororo wa blochi wa kienyeji unawakilisha matumizi ya uvumbuzi wa kanuni za mifumo iliyogawanyika kwa mazingira yaliyowekewa vikwazo vya vifaa vya rununu. Mchakato endelevu wa uchimbaji, ingawa ni mwepesi, hutoa uboreshaji endelevu wa usalama unaozoea na mifumo ya vitisho inayobadilika. Njia hii inalingana na utafiti wa hivi karibuni kutoka Benki ya Makubaliano ya Kimataifa (BIS) kuhusu ujumuishaji wa kipengele salama katika usanifu wa CBDC, ikionyesha uwezekano wa vitendo wa usalama kwa msingi wa vifaa katika matumizi ya kifedha.

Matokeo ya kijaribio yanaonyesha ufanisi wa mfumo katika hali halisi, na mafanikio hasa katika kuzuia matumizi mara mbili – hitaji muhimu kwa mfumo wowote wa sarafu dijitali isiyounganishwa mtandao. Athari ndogo kwenye betri inakabiliana na wasiwasi mkuu kwa utumizi wa rununu, na kufanya suluhisho liwe la vitendo kwa matumizi ya kila siku. Kazi ya baadaye inaweza kuchunguza ujumuishaji na teknolojia zinazoibuka kama vile usindikaji salama wa wahusika wengi ili kuboresha faragha huku ukidumisha uwezo wa kufanya kazi nje ya mtandao.

5. Matumizi ya Baadaye

Njia ya mnyororo wa blochi wa kienyeji kwa CBDC isiyounganishwa mtandao ina matumizi na mwelekeo kadhaa ya maendeleo yanayotarajiwa:

• Uwezo wa Kustahimili Majanga: Kutumika katika maeneo yasiyo na muunganisho thabiti wa intaneti au wakati wa majanga ya asili
• Malipo Ya Kimataifa: Kuwezesha malipo ya kimataifa nje ya mtandao na ubadilishaji wa sarafu
• Ujumuishaji wa Vitu Vya Intaneti (IoT): Kuwezesha malipo ya mashine-kwa-mashine katika mazingira yaliyotengwa na mtandao
• Uboreshaji wa Faragha: Ujumuishaji na uthibitisho bila kujua kwa faragha ya malipo
• Uwezo wa Mikataba Dijitali: Utekelezaji mdogo wa mikataba dijitali nje ya mtandao kwa malipo ya masharti

Mwelekeo wa utafiti wa baadaye ni pamoja na ujumuishaji wa kisiri kinachostahimili kompyuta za quantamu, itifaki za faragha zilizoimarishwa, na viwango vya ushirikiano kati ya mifumo tofauti ya CBDC.

6. Marejeo

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System
2. Buterin, V. (2019). Ethereum: A Next-Generation Smart Contract and Decentralized Application Platform
3. Chu, J., et al. (2022). Offline Digital Payments: Challenges and Solutions
4. Garrat, R., and Shin, H. S. (2023). Token-based Money and Payments
5. Bátiz-Lazo, B., and Moretta, A. (2016). The Failure of Early E-cash Systems
6. Sarmiento, N. (2022). Uruguay's E-peso: Lessons from a CBDC Pilot
7. Ben-Sasson, E., et al. (2014). Zerocash: Decentralized Anonymous Payments from Bitcoin
8. Benki ya Makubaliano ya Kimataifa (2023). CBDC Technology Considerations