Blok Zinciri Konsensüs Protokolü'nün En Son Gelişmeleri ve Uygulamaları

Blok Zinciri teknolojisi, merkeziyetsiz bir dağıtık defter teknolojisi olarak, verilerin bütünlüğünü ve tutarlılığını sağlamak için konsensüs mekanizması aracılığıyla çalışır. Konsensüs mekanizması, blok zinciri sisteminin kalbidir ve performansı, blok zincirinin ölçeklenebilirliği ve güvenliği üzerinde doğrudan etkiye sahiptir. Asenkron Bizans Hata Toleransı (BFT) konsensüs mekanizması, ağ gecikmeleri ve kısmi düğüm arızalarıyla başa çıkmada benzersiz avantajlar sunar, bu nedenle araştırmanın odak noktası haline gelmiştir.

Bu makale, Blok Zinciri Konsensüs protokollerinin gelişim durumunu incelemekte ve asenkron Bizans hataya dayanıklı durum makinesi kopyalama (BFT SMR) protokolünün en son ilerlemelerini vurgulamaktadır. Mevcut en hızlı asenkron protokol sMVBA'dır ve beklenen gecikme 10δ'dir. Makalede ayrıca, 2PAC (2 aşamalı asenkron konsensüs) ve süper hızlı boru hattı blokları olmak üzere iki yeni protokol tasarımı önerilmektedir ve bunlar, işlem hacmi ve gecikme açısından önemli iyileştirmeleri göstermektedir.

Model ve Tanımlar

Asenkron BFT modelinde, sistem n = 3f + 1 süreçten oluşur, burada f süreç rakip tarafından kötü niyetle bozulabilir. Bu süreçler, asenkron kanallar aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurar ve mesaj iletim gecikmesi rakip tarafından kontrol edilir. Her süreç, mesajın gerçekliğini ve bütünlüğünü sağlamak için imzalama ve doğrulama amacıyla bir kamu-özel anahtar çifti bulundurur.

Blok Zinciri Konsensüs

Blok Zinciri konsensüs protokolü, tüm dürüst düğümlerin blok zincirinin durumu üzerinde uzlaşmasını sağlamayı amaçlamaktadır. Özellikle, her düğüm sürekli olarak yeni işlemleri alır ve bunları bloklara paketler, konsensüs protokolü aracılığıyla bu blokların tüm dürüst düğümlerde uzlaşmasını garanti eder. Blok Zinciri konsensüs protokolü aşağıdaki temel gereksinimleri karşılamalıdır:

• Canlılık (Liveness): Sonsuz yürütme içinde, belirlenmiş bir sonsuz uzunlukta Blok Zinciri vardır.
• Tutarlılık (Consistency): Eğer iki karar verilmiş Blok Zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön eki olmalıdır.
• P kalitesi (P-Quality): Kararlaştırılan blok zincirinde, dürüst düğümler tarafından girilen işlemlerin oranı en az p olmalıdır.

Mevcut Asenkron Konsensüs Protokolünün Zorlukları

Mevcut asenkron konsensüs protokolü, tutarlılık ve canlılık gibi potansiyel bozulmalar da dahil olmak üzere çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır. Örneğin, denetim sertifikalarının eksikliği saldırılara neden olabilir, yükseltme stratejilerinin kullanımı canlılığı engelleyebilir, lider sertifikası tanımının gevşetilmesi tutarlılık saldırılarına yol açabilir. Bazı protokoller çoklu paralel örneklerin eşzamanlı çalışması gibi yeni mekanizmalar getirmiş olsa da, bu sorunları tamamen çözmeyi başaramamıştır.

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

Mevcut protokollerin analizi temelinde, araştırmacılar 2PAC protokolünü önerdiler. Bu protokol, konsensüs sürecini basitleştirerek ve optimize ederek performansı önemli ölçüde artırdı. Özellikle iki varyantı içermektedir:

1. 2PAClean：

   • %90'a kadar bir verim sağlandı ve 9.5δ beklenen gecikme, mesaj karmaşıklığı O(n²) olarak belirlendi.
   • Gereksiz etkileşimleri ve hesaplama maliyetlerini ortadan kaldırarak protokolün verimliliğini artırdı.

2. 2PACBIG：

   • Şu anda mesaj karmaşıklığı O(n³) olan en hızlı blok zinciri konsensüs protokolüdür.
   • Arızasız tek seferlik MVBA çalışma süresi 4δ'dir, bu da gecikmeyi büyük ölçüde azaltmıştır.

Süper Hızlı Akış Hattı Blok

Araştırmacılar, akışkan blok tasarımında önemli ölçüde gecikmeyi azaltan yeni bir yöntem önerdiler. Hızlı yol mekanizmasının tanıtılmasıyla, adil zamanlayıcı altında, akışkan blokların karar verme süresi, akışkan olmayan bloklardan bile daha kısa olabiliyor. Bu mekanizma, tüm yürütmelerde hızlı yolun gecikmesini garanti eder ve arızalı süreçlerin davranışlarından etkilenmez.

Kuantitatif Sonuç

Teorik analiz ve pratik testler yoluyla, 2PAClean'in en kötü durumda beklenen gecikmesi 9.5δ iken, iyi durumda (arızasız ve yarı adil zamanlayıcı) 6δ'dir. Buna karşılık, sMVBA'nın beklenen gecikmesi 10δ, iyi durumda ise 6δ'dir. Bu nedenle, 2PAClean, aynı iyi durum gecikmesini korurken en kötü durum gecikmesini 0.5δ azaltmıştır. Ayrıca, 2PAClean'in verimliliği zincirli sMVBA'ya göre %80 ile %100 arasında artış göstermiştir; bu da yeni tasarımın gereksiz blok atıklarını ve hesaplama yüklerini önlemesinden kaynaklanmaktadır.

2PACBIG, O(n³) karmaşıklığında bir protokol olarak, tek bir MVBA çalışma süresi 4δ olup, mevcut tüm protokollerden daha hızlıdır. Ayrıca, süper hızlı hat blok tasarımı ile s2PAClean ve s2PACBIG sırasıyla 4δ ve 3δ hat blok karar sürelerini gerçekleştirmiştir, böylece protokolün performansı daha da artırılmıştır.

Hesaplama Değerlendirmesi

Yeni protokolün performansını doğrulamak için araştırmacılar kapsamlı hesaplama değerlendirmeleri gerçekleştirdi. Sonuçlar, 2PAClean ve 2PACBIG'in çeşitli ağ koşullarında üstün performans sergilediğini, özellikle yüksek gecikme ve yüksek arıza oranı ortamlarında. Özellikle, 2PAClean, mesaj iletim gecikmesi ve hesaplama karmaşıklığı arasında iyi bir denge sağlarken, 2PACBIG ise paralelleştirme ve oylama sürecinin optimizasyonu ile daha düşük gecikme süresi elde etti.

Gelecek Araştırma Yönleri

Blok zinciri teknolojisinin sürekli gelişimiyle birlikte, asenkron BFT konsensüs protokolü güvenliğin sağlanması ve performansın artırılması konusunda giderek daha önemli bir rol oynayacaktır. Gelecekteki araştırmalar aşağıdaki birkaç yönde daha fazla keşif yapabilir:

1. Protokol optimizasyonu: Protokol yapısını daha da basitleştirin ve optimize edin, gereksiz mesaj iletimini ve hesaplama yükünü azaltın.
2. Güvenlik Analizi: Yeni protokolün çeşitli saldırı senaryolarındaki güvenliğini derinlemesine analiz etmek, pratik uygulamalardaki güvenilirliğini sağlamak.
3. Gerçek Uygulama: Yeni protokolü gerçek blok zinciri sistemlerinde uygulamak, gerçek ağ ortamındaki performansını doğrulamak.

Sürekli araştırma ve optimizasyon sayesinde, blok zinciri teknolojisinin gelecekteki dijital ekonomide daha önemli bir rol oynayacağına inanmak için nedenlerimiz var ve yeni nesil konsensüs protokolleri bu teknolojinin gelişimine sağlam bir temel sağlayacaktır.