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 mekanizmasını kullanır. Konsensüs mekanizması, blok zinciri sisteminin merkezidir ve performansı doğrudan blok zincirinin ölçeklenebilirliği ve güvenliği üzerinde etki eder. Asenkron Bizans Hata Toleransı (BFT) konsensüs mekanizması, ağ gecikmeleri ve kısmi düğüm arızaları ile başa çıkma konusunda benzersiz avantajlar sunar ve bu nedenle araştırma odağı haline gelmiştir.

Bu makale, 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, sMVBA en hızlı asenkron MVBA protokolü olarak kabul edilmektedir ve beklenen gecikme 10δ'dir. Ayrıca, bu makalede iki yeni protokol tasarımı önerilmektedir: 2PAC (2 aşamalı asenkron konsensüs) ve süper hızlı boru hattı blokları, verimlilik ve gecikme açısından dikkate değer iyileştirmeler göstermektedir.

Model ve Tanımlar

Asenkron BFT modelinde, sistem n = 3f + 1 süreçten oluşmaktadır; burada f süreç rakip tarafından kötü niyetle yok edilebilecek süreçlerdir. Bu süreçler, asenkron kanallar aracılığıyla birbirleriyle iletişim kurarlar ve mesaj iletim gecikmesi rakip tarafından kontrol edilir. Her süreç, mesajların doğruluğunu ve bütünlüğünü sağlamak için imzalama ve doğrulama amacıyla birer kamu-özel anahtar çiftine sahiptir.

Blok Zinciri Konsensüs

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

• Aktiflik: Sonsuz yürütmede, belirlenmiş bir sonsuz uzunlukta Blok Zinciri vardır.
• Tutarlılık: Eğer iki kararlaştırılmış blok zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön eki olmalıdır.
• P kalitesi: Kararlaştırılmış blok zincirinde, dürüst düğümlerin girdiği işlemlerin oranı en az p olmalıdır.

Mevcut Asenkron Konsensüs Protokolünün Zorlukları

Şu anda bazı asenkron konsensüs protokollerinin birden fazla potansiyel saldırı türü bulunmaktadır; bu, onların tutarlılığını ve canlılığını tehlikeye atabilir. Örneğin, denetim sertifikasının eksikliğinden kaynaklanan saldırılar, canlılığı engelleyen yükseltme stratejilerini kullanan saldırılar ve lider sertifikası tanımının gevşetilmesinden kaynaklanan tutarlılık saldırıları gibi. Bazı protokoller çoklu paralel örneklerin eş zamanlı çalışması gibi yeni mekanizmalar getirmiş olsa da, bu sorunları tamamen çözmeyi başaramamıştır.

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

Mevcut protokollerin analizine dayanan araştırmacılar 2PAC protokolünü önerdi. Bu protokol, konsensüs sürecini basitleştirerek ve optimize ederek performansı önemli ölçüde artırdı. Özellikle iki varyant içermektedir:

1. 2PAClean:

   • %90'dan fazla bir throughput ve 9.5δ'lik bir 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 seferlik MVBA çalışma süresi 4δ olup, gecikmeyi büyük ölçüde azaltmıştır.

Süper Hızlı Akış Hattı Blok

Araştırmacılar, akışkan blokların gecikmesini önemli ölçüde azaltan yeni bir akışkan blok tasarımı önerdiler. Hızlı yol mekanizmasının tanıtılmasıyla, adil planlayıcı altında, akışkan blokların karar verme süresi, akışkan olmayan bloklardan bile daha küçük olabilir. Bu mekanizma, tüm yürütmelerde hızlı yolun gecikmesini garanti eder ve arızalı süreçlerin davranışından etkilenmez.

Kuantifike Sonuçlar

Teorik analiz ve pratik testler aracılığıyla, 2PAClean'in 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. Bu nedenle, 2PAClean, aynı iyi durumda gecikmeyi korurken en kötü durum gecikmesini 0.5δ azaltmıştır. Ayrıca, 2PAClean'in verimliliği, zincir şeklindeki sMVBA'ya göre %80 ile %100 arasında artmıştır; bu, yeni tasarımdaki gereksiz blok atımının ve hesaplama yükünün önlenmesine dayanmaktadır.

2PACBIG, O(n³) karmaşıklık derecesine sahip bir protokol olarak, tek seferdeki MVBA çalışma süresi 4δ olup, mevcut tüm protokollerden daha hızlıdır. Ayrıca, süper hızlı boru hattı blok tasarımı, s2PAClean ve s2PACBIG'in sırasıyla 4δ ve 3δ boru hattı blok karar sürelerini gerçekleştirmesini sağlamakta ve protokolün performansını daha da artırmaktadır.

Hesaplama Değerlendirmesi

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

Gelecek Araştırma Yönleri

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 protokollerinin gelişim yönünü göstermektedir; yani protokol yapısını basitleştirerek ve konsensüs sürecini optimize ederek daha yüksek bir işlem hacmi ve daha düşük gecikme süresi elde etmeyi sağlamaktadır.

Gelecek araştırmalar aşağıdaki birkaç yönde daha fazla keşif yapabilir:

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

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