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 mekanizmalarını kullanır. Konsensüs mekanizması, blok zinciri sisteminin çekirdeğidir ve performansı doğrudan blok zincirinin ölçeklenebilirliği ve güvenliğini etkiler. Asenkron Bizans Hata Toleransı (BFT) konsensüs mekanizması, ağ gecikmeleri ve kısmi düğüm arızalarıyla başa çıkmada benzersiz avantajlara sahiptir, bu nedenle araştırmanın odak noktası olmuştur.

Bu makale, Blok Zinciri Konsensüs protokolünün gelişim durumunu incelemekte ve asenkron Bizans hata toleransı durum makinesi kopyalama (BFT SMR) protokolünün en son ilerlemelerini analiz etmektedir. Şu anda, sMVBA en hızlı asenkron MVBA protokolü haline gelmiş olup, beklenen gecikme 10δ'dir. Makale ayrıca, 2PAC (2 aşamalı asenkron konsensüs) ve süper hızlı boru hattı blokları olmak üzere iki yeni protokol tasarımı önermekte ve bu tasarımların verimlilik ve gecikme açısından önemli iyileştirmeler sunduğunu göstermektedir.

Model ve Tanımlar

Asenkron BFT modelinde, sistem n = 3f + 1 süreçten oluşmaktadır; burada f süreç rakip tarafından kötü niyetle zarar görebilir. 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 çift genel-özel anahtara sahiptir.

Blok Zinciri Konsensüs

Blok Zinciri Konsensüs protokolü, tüm dürüst düğümlerin blok zincirinin durumu üzerinde uzlaşmasını sağlamak amacıyla tasarlanmıştır. 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 gerekmektedir:

• Aktiflik: Sonsuz yürütmede, belirlenmiş sonsuz uzunlukta bir blok zinciri vardır.
• Tutarlılık: Eğer iki belirlenmiş Blok Zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön ek olmalıdır.
• P kalitesi: Kararlaştırılmış Blok Zinciri'nde, dürüst düğümler tarafından girilen işlemlerin oranı en az p olmalıdır.

Mevcut Asenkron Konsensüs Protokolü'nün Zorlukları

Mevcut hızlı asenkron konsensüs protokolleri, tutarlılığını ve canlılığını bozabilecek çeşitli saldırı yollarına sahiptir. Örneğin, denetim sertifikalarının eksikliği nedeniyle meydana gelen saldırılar, canlılığı engellemek için yükseltme stratejilerinin kullanılması ve liderin sertifikasyon tanımının gevşetilmesi nedeniyle ortaya çıkan tutarlılık saldırıları gibi. Çoklu paralel örneklerin eş zamanlı çalışması gibi bazı yeni mekanizmalar getirilmiş olsa da, bu sorunların tamamen çözülmesi henüz mümkün olmamıştır.

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

Mevcut protokoller üzerine yapılan analizlere dayanarak, araştırmacılar 2PAC protokolünü önermiştir. Bu protokol, konsensüs sürecini basitleştirip optimize ederek performansı önemli ölçüde artırmaktadır. Özellikle 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 verimliliğini artırdı.

2. 2PACBIG：

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

Süper Hızlı Akış Bloku

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

Nicel sonuç

Teorik analiz ve pratik testler yoluyla, 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. 2PAClean, aynı iyi durum gecikmesini koruyarak en kötü durum gecikmesini 0.5δ azaltmıştır. Ayrıca, 2PAClean'in verimliliği, zincirleme sMVBA'ya kıyasla %80 ile %100 arasında artış göstermiştir; bu, yeni tasarımda gereksiz blok atılmasının ve hesaplama yükünün önlenmesine dayanmaktadır.

2PACBIG, O(n³) karmaşık mesaj yoğunluğu olan bir protokol olarak, tek bir 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 sağlayarak protokolün performansını daha da artırmaktadır.

Hesaplama Değerlendirmesi

Yeni protokolün performansını doğrulamak için, araştırmacılar kapsamlı bir hesaplama değerlendirmesi gerçekleştirdiler. Sonuçlar, 2PAClean ve 2PACBIG'in çeşitli ağ koşullarında mükemmel bir performans sergilediğini, özellikle yüksek gecikme ve yüksek hata oranı ortamlarında gösterdi. 2PAClean, mesaj iletim gecikmesi ile hesaplama karmaşıklığı arasında iyi bir denge sağlarken, 2PACBIG ise paralelleştirme ve oy verme sürecinin optimizasyonu ile daha düşük gecikme elde etti.

Blok zinciri teknolojisinin sürekli gelişimi ile asenkron BFT konsensüs protokolü, güvenliği sağlama ve performansı artırma konusunda giderek daha önemli bir rol oynayacaktır. 2PAC ve süper hızlı boru hattı blok 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 sağlamak.

Gelecek Araştırma Yönleri

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

Bu makale, mevcut asenkron blok zinciri konsensüs protokollerinin avantajlarını 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 geliştirmeleri için önemli bir referans sunmaktadır. Bu yeni protokoller, yalnızca teorik olarak üstünlüklerini kanıtlamakla kalmamış, aynı zamanda pratik testlerde de olağanüstü performans sergileyerek, verimli ve güvenli blok zinciri konsensüs protokollerinin gerçekleştirilmesine dair yeni bir bakış açısı sağlamaktadır.

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.