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 merkezidir ve performansı doğrudan blok zincirinin ölçeklenebilirliği ve güvenliği üzerinde etki yapar. Asenkron Bizans Hata Toleransı (BFT) konsensüs mekanizması, ağ gecikmeleri ve kısmi düğüm arızalarıyla başa çıkma konusunda benzersiz avantajlara sahiptir ve bu nedenle araştırma konusu olmuştur.

Bu çalışma, blok zinciri konsensüs protokollerinin gelişim durumunu incelemekte ve asenkron Bizans hata toleranslı durum makinesi kopyalama (BFT SMR) protokolünün en son ilerlemelerini analiz etmektedir. Şu anda en hızlı asenkron protokol sMVBA olup, beklenen gecikme 10δ'dir. Araştırma ayrıca, verimlilik ve gecikme açısından önemli iyileştirmeler gösteren iki yeni protokol tasarımı önermektedir: 2PAC (2 aşamalı asenkron konsensüs) ve süper hızlı boru hattı blok.

Modeller ve Tanımlar

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

Blockchain Konsensüsü

Blockchain uzlaşma protokolleri, tüm dürüst düğümlerin blockchain'in durumu üzerinde uzlaşmasını sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. Özellikle, her düğüm sürekli olarak yeni işlemler alır ve bunları bloklar haline getirir, bu blokların tüm dürüst düğümler üzerinde uzlaşmasını sağlamak için uzlaşma protokolünü kullanır. Blockchain uzlaşma protokollerinin aşağıdaki temel gereksinimleri karşılaması gerekir:

• Canlılık (Liveness): Sonsuz yürütme içinde, belirlenmiş sonsuz uzunlukta bir blok zinciri vardır.
• Tutarlılık (Consistency): Eğer iki belirlenmiş blok zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön eki olmalıdır.
• P Kalitesi (P-Quality): Kararlaştırılmış blok zincirinde, dürüst düğümlerin girdiği işlemlerin oranı en az p olmalıdır.

Mevcut Asenkron Konsensüs Protokollerinin Zorlukları

Mevcut asenkron konsensüs protokolleri, denetim sertifikasının eksikliği nedeniyle ortaya çıkan saldırılar, canlılığı engelleyen yükseltme stratejileri ile ilgili saldırılar ve liderin sertifikasyon tanımının gevşetilmesi nedeniyle oluşan tutarlılık saldırıları gibi çeşitli zorluklarla karşı karşıyadır. 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, 2PAC protokolü önerilmiştir. Bu protokol, konsensüs sürecini basitleştirerek ve optimize ederek performansı önemli ölçüde artırmaktadır. Özellikle iki varyantı içermektedir:

2PAClean:

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

2PACBIG：

• Şu anda karmaşıklık derecesi O(n³) olan en hızlı blok zinciri konsensüs protokolüdür.
• Hatasız bir MVBA çalışma süresi 4δ olup, gecikmeyi büyük ölçüde azaltmıştır.

Süper Hızlı Akış Hattı Blok

Araştırma, akış hattı bloklarının gecikmesini önemli ölçüde azaltan yeni bir akış hattı blok tasarımı önermektedir. Hızlı yol mekanizmasının tanıtılmasıyla birlikte, adil zamanlayıcı altında akış hattı bloklarının karar verme süresi, akış hattı olmayan bloklardan daha kısa bile olabilmektedir. Bu mekanizma, tüm yürütmelerde hızlı yolun gecikmesini garanti etmekte ve arızalı süreçlerin davranışından etkilenmemektedir.

Kuantitatif Sonuç

Teorik analiz ve pratik testler yoluyla, 2PAClean’in en kötü durumda beklenen gecikmesi 9.5δ, iyi durumda (hatasız ve yarı adil zamanlayıcı) ise 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, zincirleme sMVBA’ya göre %80 ila %100 artış göstermiştir; bu da esasen yeni tasarımda gereksiz blok atma ve hesaplama yükünden kaçınılmasından kaynaklanmaktadır.

2PACBIG, O(n³) karmaşıklığına sahip bir protokol olarak, tek bir MVBA çalışma süresi 4δ olup, mevcut tüm protokollerden daha hızlıdır. Ayrıca, ultra hızlı boru hattı blok tasarımı, s2PAClean ve s2PACBIG'in sırasıyla 4δ ve 3δ boru hattı blok karar sürelerini gerçekleştirmesine olanak tanır ve protokolün performansını daha da artırır.

Hesaplama Değerlendirmesi

Yeni protokolün performansını doğrulamak için geniş kapsamlı hesaplama değerlendirmeleri yapıldı. Sonuçlar, 2PAClean ve 2PACBIG'in çeşitli ağ koşullarında mükemmel performans gösterdiğini, özellikle yüksek gecikme ve yüksek arıza oranı ortamlarında ortaya koydu. Özellikle, 2PAClean, mesaj iletim gecikmesi ve hesaplama karmaşıklığı arasında iyi bir denge sağlarken, 2PACBIG, paralelleştirme ve oylama sürecinin optimizasyonu yoluyla daha düşük gecikme süresine ulaşmıştır.

Blockchain teknolojisinin sürekli gelişimiyle birlikte, asenkron BFT mutabakat protokolü güvenliğin sağlanması ve performansın artırılması açısından giderek daha önemli bir rol oynayacaktır. 2PAC ve ultra hızlı boru hattı bloklarının tasarımı, gelecekteki blockchain mutabakat protokollerinin gelişim yönünü göstermektedir; yani protokol yapısını basitleştirerek ve mutabakat sürecini optimize ederek daha yüksek bir işlem hacmi ve daha düşük gecikme süreleri sağlamaktır.

Gelecek Araştırma Yönleri

Gelecek araştırmalar aşağıdaki birkaç yönü daha fazla keşfedebilir:

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, gerçek uygulamalardaki güvenilirliğini sağlamaktır.
3. Gerçek Uygulama: Yeni protokolü gerçek blockchain sistemlerinde uygulamak, gerçek ağ ortamındaki performansını doğrulamak.

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

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