Blokzincir Konsensüs Protokollerinin Son Gelişmeleri ve Uygulamaları

Blok zinciri teknolojisi, merkeziyetsiz bir dağıtılmış defter teknolojisi olarak, verilerin bütünlüğünü ve tutarlılığını sağlamak için konsensüs mekanizması aracılığıyla çalışır. Konsensüs mekanizması, blok zinciri sisteminin çekirdek bileşenidir ve performansı, blok zincirinin ölçeklenebilirliği ve güvenliği üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Asenkron Bizans Hatalarına Dayanıklılık (BFT) konsensüs mekanizması, ağ gecikmeleri ve kısmi düğüm arızaları ile başa çıkmada benzersiz avantajlara sahiptir, bu nedenle araştırmaların odağı haline gelmiştir.

Bu rapor, blok zinciri konsensüs protokollerinin gelişim durumunu incelemekte olup, asenkron Bizans hata toleransı durum makinesi kopyalama (BFT SMR) protokolünün en son ilerlemelerini vurgulamaktadır. Mevcut en hızlı asenkron protokol 2-chain VABA'dır, ancak bir açığı nedeniyle 9.5δ'lik beklenen gecikmeyi gerçekleştirememektedir. Bu nedenle, sMVBA şu anda en hızlı asenkron MVBA protokolü olup, beklenen gecikmesi 10δ'dir. Rapor ayrıca, iki yeni protokol tasarımı önermekte, yani 2PAC (2 aşamalı asenkron konsensüs) ve süper hızlı boru blokları, verimlilik ve gecikme açısından önemli iyileştirmeleri sergilemektedir.

Modeller ve Tanımlar

Asenkron BFT modelinde, sistem n = 3f + 1 süreçten oluşur, burada f süreç rakipler tarafından kötü niyetle bozulabilir. Bu süreçler, asenkron kanallar üzerinden birbirleriyle iletişim kurar ve mesaj iletim gecikmesi rakipler tarafından kontrol edilir. Her bir sürecin imza atma ve doğrulama için birer kamu ve özel anahtarı vardır, bu da mesajların gerçekliğini ve bütünlüğünü sağlar.

Blok Zinciri Konsensüsü

Blok zinciri konsensüs protokolleri, tüm dürüst düğümlerin blok zincirinin durumu üzerinde mutabakata varmasını sağlamayı amaçlamaktadır. Özellikle, her düğüm sürekli olarak yeni işlemler alır ve bunları bloklara paketler, bu blokların tüm dürüst düğümler üzerinde mutabakata varılmasını sağlamak için konsensüs protokolünü kullanır. Blok zinciri konsensüs protokolleri aşağıdaki temel gereksinimleri karşılamalıdır:

• Canlılık (Liveness): Sonsuz yürütmede, belirlenmiş bir blok zinciri uzunca bir şekilde mevcuttur.
• Tutarlılık (Consistency): Eğer iki belirlenmiş blok zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön eki olmalıdır.
• P Kalitesi (P-Quality): Kararlaştırılan blok zincirinde, dürüst düğümlerin girdiği işlemlerin oranı en az p olmalıdır.

Mevcut Asenkron Konsensüs Protokolünün Zorlukları

Mevcut en hızlı asenkron konsensüs protokolü 2-chain VABA'dır ve beklenen gecikmesi 9.5δ'dir. Ancak yapılan araştırmalar, bu protokolün tutarlılığını ve canlılığını bozacak çeşitli saldırı yöntemlerine sahip olduğunu ortaya koymuştur. Örneğin, kimlik doğrulama kontrollerinin eksikliği nedeniyle oluşan saldırılar, canlılığı engellemek için yükseltme stratejilerinin kullanılmasına yönelik saldırılar ve lider kimlik doğrulama tanımının esnetilmesinden kaynaklanan tutarlılık saldırıları gibi. 2-chain VABA bazı yeni mekanizmaları, örneğin çoklu paralel örneklerin eşzamanlı çalışmasını tanıtsa da, bu sorunları tamamen çözememiştir.

Yeni Protokol Tasarımı: 2PAC (2 Aşamalı Asenkron Konsensüs)

Mevcut protokollerin analizine dayanarak, araştırmacılar 2PAC protokolünü önerdiler. Bu protokol, uzlaşma sürecini basitleştirerek ve optimize ederek performansı önemli ölçüde artırmıştır. Özellikle iki varyantı içermektedir:

2PAClean：

• %90'dan fazla bir throughput ve 9.5δ'lik bir beklenen gecikme sağlanmıştır, mesaj karmaşıklığı O(n²) olarak belirlenmiştir.
• Gereksiz etkileşimleri ve hesaplama yükünü ortadan kaldırarak protokolün verimliliğini artırdı.

2PACBIG：

• Şu anda mesaj karmaşıklığı O(n³) olan en hızlı blok zinciri konsensüs protokolüdür.
• Arıza olmadan tek seferlik MVBA çalışma süresi 4δ olup, gecikmeyi büyük ölçüde azaltmaktadır.

Süper Hızlı Akış Hattı Blok

Araştırmacılar, akış bloklarının gecikmesini önemli ölçüde azaltan yeni bir akış hattı blok tasarımı önerdiler. Hızlı yol mekanizmasını tanıtarak, adil zamanlayıcı altında, akış hattı bloklarının karar verme süresi, hatta akış hattı olmayan bloklardan bile daha azdır. Bu mekanizma, tüm yürütmelerde hızlı yolun gecikmesini garanti eder ve arızalı süreçlerin davranışından etkilenmez.

Kuantifikasyon Sonuçları

Teorik analiz ve pratik testler aracılığıyla, 2PAClean'ın en kötü durumda beklenen gecikmesi 9.5δ iken, iyi durumda (hatasız ve yarı adil zamanlayıcı) 6δ'dir. Buna karşılık, sMVBA'nın beklenen gecikmesi 10δ, iyi durumda ise 6δ'dir. Dolayısıyla, 2PAClean, aynı iyi durum gecikmesini korurken, en kötü durum gecikmesini 0.5δ azaltmaktadır. Ayrıca, 2PAClean'ın verimliliği, zincirleme sMVBA'ya kıyasla %80 ila %100 oranında artmıştır; bu, yeni tasarımda gereksiz blok atmalarının ve hesaplama yüklerinin önlenmesine bağlıdır.

2PACBIG, O(n³) karmaşıklık seviyesine sahip bir protokol olarak, tek bir MVBA çalıştırma süresi 4δ ile, mevcut tüm protokollerden daha hızlıdır. Ayrıca, süper hızlı boru hattı blok tasarımı sayesinde s2PAClean ve s2PACBIG sırasıyla 4δ ve 3δ boru hattı blok karar süresi ile protokolün performansını daha da artırmıştır.

Hesaplama Değerlendirmesi

Yeni protokolün performansını doğrulamak için araştırmacılar kapsamlı hesaplama değerlendirmeleri gerçekleştirdi. Sonuçlar, 2PAClean ve 2PACBIG'in çeşitli ağ koşullarında mükemmel bir performans sergilediğini, özellikle yüksek gecikme ve yüksek arıza oranı ortamlarında gösterdi. Özellikle, 2PAClean mesaj iletim gecikmesi ve hesaplama karmaşıklığı arasında iyi bir denge sağlarken, 2PACBIG paralelleştirme ve oylama sürecini optimize ederek daha düşük gecikme sağladı.

Blockchain teknolojisinin sürekli gelişimiyle birlikte, asenkron BFT konsensüs protokolü güvenliği sağlama ve performansı artırma konusunda giderek daha önemli bir rol oynayacaktır. 2PAC ve süper hızlı boru hattı bloklarının tasarımı, gelecekteki blockchain konsensüs protokollerinin gelişim yönünü göstermektedir; yani protokol yapısını basitleştirerek ve konsensüs sürecini optimize ederek daha yüksek bir verim ve daha düşük gecikme elde etmektir.

Gelecek Araştırma Yönleri

Gelecek araştırmalar aşağıdaki birkaç yönü daha derinlemesine keşfedebilir:

1. Protokol optimizasyonu: Protokol yapısını daha da basitleştirmek ve optimize etmek, gereksiz mesaj iletimini ve hesaplama yükünü azaltmak.

2. Güvenlik analizi: Yeni protokolün çeşitli saldırı senaryolarındaki güvenliğini derinlemesine analiz ederek, gerçek uygulamalardaki güvenilirliğini sağlamak.

3. Gerçek Uygulama: Yeni protokolü gerçek blockchain sistemlerine uygulamak ve gerçek ağ ortamındaki performansını doğrulamak.

Bu rapor, mevcut asenkron blok zinciri konsensüs protokollerinin avantajlarını ve dezavantajlarını ayrıntılı bir şekilde analiz etmekte ve 2PAC ve süper hızlı boru blokları olmak üzere iki yeni protokol tasarımı önermektedir. Yeni tasarımlar, verimliliği artırma ve gecikmeyi azaltma konusunda belirgin avantajlar göstermekte, gelecekteki blok zinciri teknolojisi gelişimi için önemli bir referans sağlamaktadır. Bu yeni protokoller, yalnızca teorik olarak üstünlüklerini kanıtlamakla kalmayıp, aynı zamanda pratik testlerde olağanüstü bir performans sergileyerek yüksek verimli ve güvenli blok zinciri konsensüs protokollerinin gerçekleştirilmesi için yeni bir yaklaşım sunmaktadır.

Sürekli araştırma ve optimizasyon sayesinde, blok zinciri teknolojisi gelecekteki dijital ekonomide daha önemli bir rol oynayacak ve yeni nesil konsensüs protokolleri bu teknolojinin gelişimine sağlam bir temel sağlayacaktır.