Blok Zinciri Konsensüs protokolünün en son gelişmeleri ve uygulamaları

Blok Zinciri teknolojisi, merkeziyetsiz bir dağıtık defter teknolojisi olarak, verilerin bütünlüğünü ve tutarlılığını sağlamak için Konsensüs mekanizmasını kullanır. Konsensüs mekanizması, blok zinciri sisteminin çekirdeğidir ve performansı, blok zincirinin ölçeklenebilirliğini ve güvenliğini doğrudan etkiler. Asenkron Bizans Hata Toleransı (BFT) konsensüs mekanizması, ağ gecikmeleri ve kısmi düğüm arızalarıyla başa çıkmada benzersiz avantajlara sahiptir, bu nedenle araştırmaların odak noktası haline gelmiştir.

Bu rapor, Blok Zinciri Konsensüs protokollerinin gelişim durumunu incelemekte ve özellikle asenkron Bizans Hata Toleransı Durum Makinesi Yedekleme (BFT SMR) protokolünün en son gelişmelerini analiz etmektedir. Mevcut en hızlı asenkron protokol 2-chain VABA'dır, ancak güvenlik açıkları nedeniyle 9.5δ'lik beklenen gecikmeyi gerçekleştirememiştir. Bu nedenle, sMVBA şu anda en hızlı asenkron MVBA protokolü haline gelmiş olup, beklenen gecikme 10δ'dir. Raporda ayrıca iki yeni protokol tasarımı önerilmektedir: 2PAC (2 aşamalı asenkron konsensüs) ve süper hızlı boru hattı bloğu, bu da throughput ve gecikme açısından önemli iyileştirmeleri göstermektedir.

Model ve Tanımlar

Asenkron BFT modelinde, sistem n = 3f + 1 süreçten oluşur; burada f süreç rakipler tarafından kötü niyetle yok edilebilir. Bu süreçler, asenkron kanallar aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurar ve mesajların iletim gecikmesi rakipler tarafından kontrol edilir. Her süreç, mesajların gerçekliğini ve bütünlüğünü sağlamak için imzalamak ve doğrulamak amacıyla bir kamu-özel anahtar çiftine sahiptir.

Blok Zinciri Konsensüs

Blok Zinciri Konsensüs protokolü, tüm dürüst düğümlerin Blok Zinciri'nin durumu üzerinde uzlaşmasını sağlamayı amaçlar. Özellikle, her düğüm sürekli olarak yeni işlemler alır ve bunları bloklar halinde paketler, bu blokların tüm dürüst düğümler üzerinde uzlaşmasını sağlamak için konsensüs protokolünü kullanır. Blok Zinciri konsensüs protokolü aşağıdaki birkaç temel gereksinimi karşılamalıdır:

• Aktiflik: Sonsuz yürütme sırasında, belirlenmiş sonsuz uzunlukta bir Blok Zinciri vardır.
• Tutarlılık: Eğer iki karar verilmiş Blok Zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön eki olmalıdır.
• P kalitesi: Kararlaştırılmış Blok Zinciri'nde, 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, bu protokolün tutarlılığını ve canlılığını bozacak çeşitli saldırı türleri vardır. Örneğin, kimlik doğrulama kontrollerinin eksikliği nedeniyle ortaya çıkan saldırılar, canlılığı engelleyen güçlendirme stratejileri ile yapılan saldırılar ve lider kimlik doğrulama tanımının hafifletilmesi nedeniyle oluşan tutarlılık saldırıları gibi. 2-chain VABA, çoklu paralel örneklerin paralel çalışması gibi bazı 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. Spesifik olarak iki varyantı içermektedir:

1. 2PAClean:

   • %90'dan fazla bir iş hacmi ve 9.5δ beklenen gecikme sağlandı, mesaj karmaşıklığı O(n²).
   • Gereksiz etkileşimleri ve hesaplama yüklerini ortadan kaldırarak protokolün verimliliğini artırdı.

2. 2PACBIG:

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

Süper Hızlı Akış Bloku

Araştırmacılar, akışkan blok tasarımında önemli ölçüde gecikmeyi azaltan yeni bir yöntem önerdi. Hızlı yol mekanizması ile, adil zamanlayıcı altında, akışkan blokların karar verme süresi, normal akışkan bloklardan bile daha kısa olabilir. Bu mekanizma, tüm yürütmelerde hızlı yolun gecikmesini garanti eder ve arızalı süreçlerin davranışından etkilenmez.

Nicelik Sonuçları

Teorik analiz ve pratik testler aracılığıyla, 2PAClean'in en kötü durumda beklenen gecikmesi 9.5δ iken, iyi durumda (hatasız ve yarı adil planlayıcı) 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 artmıştır; bu, yeni tasarımda gereksiz blok bırakma ve hesaplama yükünden kaçınılmasından kaynaklanmaktadır.

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

Hesaplama Değerlendirmesi

Yeni protokolün performansını doğrulamak için araştırmacılar kapsamlı hesaplama değerlendirmeleri yaptı. Sonuçlar, 2PAClean ve 2PACBIG'in çeşitli ağ koşullarında olağanüstü performans sergilediğini, özellikle yüksek gecikme ve yüksek arıza oranı ortamlarında gösterdi. Özel olarak, 2PAClean mesaj iletim gecikmesi ile hesaplama karmaşıklığı arasında iyi bir denge sağlarken, 2PACBIG paralelleştirme ve oylama sürecini optimize ederek daha düşük gecikme süresi elde etti.

Blok Zinciri 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 Blok Zinciri konsensüs protokolü gelişim yönünü göstermektedir; yani protokol yapısını basitleştirerek ve konsensüs sürecini optimize ederek daha yüksek işlem hacmi ve daha düşük gecikme sağlamak.

Gelecek Araştırma Yönleri

Gelecekteki araştırmalar aşağıdaki birkaç yönü daha fazla keşfedebilir:

1. Protokol optimizasyonu: Protokol yapısını daha da basitleştirmek ve optimize etmek, gereksiz mesaj iletimini ve hesaplama maliyetlerini azaltmak.
2. Güvenlik Analizi: Yeni protokolün çeşitli saldırı senaryolarındaki güvenliğini derinlemesine analiz ederek, gerçek uygulamalardaki güvenilirliğini sağlamlaştırmak.
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.