Blok Zinciri Konsensüs protokolünün son gelişmeleri ve uygulamaları

Rapor Özeti

Bu rapor, Blok Zinciri Konsensüs protokolünün gelişim durumunu incelemekte ve asenkron Bizans Hata Toleransı Durum Makinesi Kopyalama (BFT SMR) protokolünün en son ilerlemelerine odaklanmaktadır. Şu anda en hızlı asenkron protokol 2-chain VABA iken, bir güvenlik açığı nedeniyle 9.5δ'lik beklenen gecikmeyi gerçekleştirememiştir. Bu nedenle, sMVBA mevcut en hızlı asenkron MVBA protokolü haline gelmiş olup, beklenen gecikmesi 10δ'dir. Rapor ayrıca, verim ve gecikme açısından önemli iyileştirmeler gösteren iki yeni protokol tasarımı olan 2PAC (2 aşamalı asenkron konsensüs) ve süper hızlı boru hatlı blok önermektedir.

Blok Zinciri teknolojisi, merkeziyetsiz dağıtık bir defter teknolojisi olarak, verilerin bütünlüğünü ve tutarlılığını sağlamak için Konsensüs mekanizması kullanır. Konsensüs mekanizması, Blok Zinciri sisteminin temelidir ve performansı doğrudan Blok Zinciri'nin ölçeklenebilirliği ve güvenliğini etkiler. Asenkron Bizans Hata Toleransı (BFT) konsensüs mekanizması, ağ gecikmeleri ve kısmi düğüm arızalarıyla başa çıkmada benzersiz avantajlar sunar, bu nedenle araştırma konusu olmuştur.

Model ve Tanımlar

Asenkron BFT modelinde, sistem n = 3f + 1 süreçten oluşur, burada f süreç kötü niyetli olarak etkilenebilir. Bu süreçler asenkron kanallar aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurar, mesaj iletimindeki gecikme rakip tarafından kontrol edilir. Her süreç, mesajların doğruluğunu ve bütünlüğünü sağlamak için imzalama ve doğrulama amacıyla bir kamu ve özel anahtar çiftine sahiptir.

Blok Zinciri Konsensüs

Blok Zinciri Konsensüs protokolü, tüm dürüst düğümlerin Blok Zinciri'nin durumu üzerinde uzlaşmasını sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. Özellikle, her düğüm sürekli olarak yeni işlemler alır ve bunları bloklara paketler, bu blokların tüm dürüst düğümlerde uzlaşmasını sağlamak için konsensüs protokolünü kullanır. Blok Zinciri konsensüs protokolünün aşağıdaki temel gereksinimleri karşılaması gerekir:

1. Aktiflik: Sonsuz yürütme içinde, kararlaştırılmış sonsuz uzunlukta bir Blok Zinciri vardır.
2. Tutarlılık: Eğer iki belirlenmiş blok zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön eki olmalıdır.
3. P kalitesi: Kararlaştırılmış blok zincirinde, dürüst düğümler tarafından girilen 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 tehdit eden çeşitli saldırı türleri bulunduğunu ortaya koymuştur. Örneğin, kimlik doğrulama kontrolünün eksikliği nedeniyle gerçekleşen saldırılar, canlılığı engelleyen yükseltme stratejilerinin kullanıldığı saldırılar ve lider kimlik doğrulama tanımının gevşetilmesi nedeniyle oluşan tutarlılık saldırıları gibi. 2-chain VABA, çoklu paralel örneklerin eşzamanlı çalışması gibi bazı yeni mekanizmalar getirmiş olmasına rağmen, bu sorunları tamamen çözmeyi başaramamıştır.

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

Mevcut protokollerin analizi temelinde, 2PAC protokolü önerilmiştir. Bu protokol, konsensüs sürecini basitleştirerek ve optimize ederek performansı önemli ölçüde artırmaktadır. Özel olarak iki varyantı içermektedir:

1. 2PAClean：

   • %90'dan fazla bir verimlilik ve 9.5δ beklenen gecikme sağlandı, mesaj karmaşıklığı O(n²).
   • Gereksiz etkileşimleri ve hesaplama maliyetlerini ortadan kaldırarak protokolün verimliliği artırıldı.

2. 2PACBIG：

   • Şu anda mesaj karmaşıklığı O(n³) olan en hızlı Blok Zinciri Konsensüs protokolüdür.
   • Hatasız bir kez MVBA çalışma süresi 4δ'dir, bu da gecikmeyi büyük ölçüde azaltmıştır.

Süper Hızlı Akış Hattı Blok

Araştırma, akışkan blok tasarımında yeni bir yaklaşım önerdi ve akışkan blokların gecikmesini önemli ölçüde azalttı. Hızlı yol mekanizmasının tanıtılmasıyla, adil planlayıcı altında akışkan blokların karar verme süresi, hatta akışkan olmayan bloklardan daha kısa oldu. Bu mekanizma, tüm yürütmelerde hızlı yolun gecikmesini garanti eder ve arızalı süreçlerin davranışlarından etkilenmez.

Nicel Sonuçlar

Teorik analiz ve pratik testler aracılığıyla, 2PAClean’in en kötü durumda beklenen gecikmesi 9.5δ iken, iyi durumda (arızasız ve zamanlayıcı yarı adil) 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 zincir tabanlı sMVBA’ya göre %80 ile %100 arasında artış göstermiştir; bu durum, yeni tasarımda gereksiz blok atmalarının ve hesaplama yüklerinin önlenmesinden kaynaklanmaktadır.

2PACBIG, O(n³) karmaşıklıkta bir protokol olarak, tek bir MVBA çalışma süresi 4δ olup, mevcut tüm protokollerden daha hızlıdır. Ayrıca, ultra hızlı boru hattı blok tasarımı sayesinde s2PAClean ve s2PACBIG sırasıyla 4δ ve 3δ boru hattı blok karar süresine ulaşarak protokolün performansını daha da artırmıştır.

Hesaplama Değerlendirmesi

Yeni protokolün performansını doğrulamak için kapsamlı bir hesaplama değerlendirmesi yapıldı. Sonuçlar, 2PAClean ve 2PACBIG'in çeşitli ağ koşullarında olağanüstü performans sergilediğini, özellikle yüksek gecikme ve yüksek hata oranı olan ortamlarda gösterdi. Özellikle, 2PAClean mesaj iletim gecikmesi ile hesaplama karmaşıklığı arasında iyi bir denge sağlarken, 2PACBIG ise paralelleştirme ve oylama sürecinin optimizasyonu sayesinde daha düşük gecikme sağladı.

Blok zinciri teknolojisinin sürekli gelişimiyle birlikte, asenkron BFT konsensüs protokolü güvenliği sağlama ve performansı artırma açısından giderek daha önemli bir rol oynayacaktır. 2PAC ve süper hızlı boru hattı bloklarının tasarımı, gelecekteki blok zinciri konsensüs protokollerinin gelişim yönünü göstermektedir; yani, protokol yapısını basitleştirerek ve konsensüs sürecini optimize ederek daha yüksek bir throughput ve daha düşük bir gecikme sağlamak.

Gelecek Araştırma Yönleri

Gelecekteki araştırmalar aşağıdaki birkaç yönde daha fazla keşif yapabilir:

1. Protokol optimizasyonu: Protokol yapısını daha da basitleştirmek ve optimize etmek, gereksiz mesajlaşma ve hesaplama maliyetlerini azaltmak.
2. Güvenlik Analizi: Yeni protokolün çeşitli saldırı senaryolarındaki güvenliğini derinlemesine analiz ederek, pratik uygulamalardaki güvenilirliğini sağlamak.
3. Gerçek Uygulama: Yeni protokolü gerçek Blok Zinciri sistemlerinde uygulamak, gerçek ağ ortamındaki performansını doğrulamak.

Bu rapor, mevcut asenkron blok zinciri konsensüs protokollerinin avantaj ve dezavantajlarını detaylı bir şekilde analiz etmekte ve 2PAC ile süper hızlı boru hattı bloğu olmak üzere iki yeni protokol tasarımı önermektedir. Yeni tasarımlar, verimliliği artırma ve gecikmeyi azaltma konusunda belirgin avantajlar göstermekte ve gelecekteki blok zinciri teknolojisi gelişimi için önemli bir referans sağlamaktadır. Bu yeni protokoller, yalnızca teorik olarak üstünlüklerini kanıtlamakla kalmayıp, aynı zamanda pratik testlerde de mükemmel performans sergileyerek etkili ve güvenli blok zinciri konsensüs protokollerinin gerçekleştirilmesi için yeni bir bakış açısı sunmaktadır.

Sürekli araştırma ve optimizasyon sayesinde, Blok Zinciri teknolojisinin gelecekteki dijital ekonomide daha önemli bir rol oynaması bekleniyor ve yeni nesil Konsensüs protokolleri bu teknolojinin gelişimine sağlam bir temel sağlayacak.