Blok Zinciri Konsensüs protokolünün en son gelişmeleri ve uygulamaları

Blok Zinciri teknolojisi, merkeziyetsiz bir dağıtık defter teknolojisi olarak, özünde Konsensüs mekanizmasına dayanır. Konsensüs mekanizması, blok zinciri sisteminin ölçeklenebilirliğini ve güvenliğini doğrudan etkiler. Bu makale, asenkron Bizans Hata Toleransı (BFT) konsensüs mekanizmasının en son gelişmelerini, özellikle ağ gecikmesi ve kısmi düğüm arızalarıyla başa çıkmadaki benzersiz avantajlarını vurgulayacaktır.

Asenkron BFT Modelinin Genel Görünümü

Asenkron BFT modelinde, sistem 3f+1 süreçten oluşur, burada f süreç kötü niyetli olarak bozulabilir. Süreçler arasında asenkron kanallar üzerinden iletişim sağlanır, mesaj iletim gecikmesi rakip tarafından kontrol edilir. Her süreç, mesajların gerçekliğini ve bütünlüğünü sağlamak için imza ve doğrulama amacıyla bir kamu-özel anahtar çifti bulundurur.

Blok Zinciri Konsensüs Protokolü'nün Temel Gereksinimleri

Blok Zinciri konsensüs protokolü, tüm dürüst düğümlerin blok zinciri durumu üzerinde uzlaşmasını sağlamayı amaçlamaktadır. Temel gereksinimleri şunlardır:

1. Aktiflik: Sonsuz yürütmede, belirlenmiş sonsuz uzunlukta bir Blok Zinciri vardır.
2. Tutarlılık: Eğer iki belirlenmiş Blok Zinciri varsa, bunlardan biri diğerinin ön ekidir.
3. P kalitesi: Kararlaştırılmış Blok Zinciri'nde, dürüst düğümlerin girdiği işlemlerin oranı en az p olmalıdır.

Mevcut Asenkron Konsensüs Protokolü'nün Zorlukları

Şu anda en hızlı asenkron konsensüs protokolü 2-chain VABA olarak kabul ediliyordu ve beklenen gecikme 9.5δ idi. Ancak, araştırmalar bu protokolün tutarlılığını ve canlılığını bozabilecek çeşitli saldırı türlerine sahip olduğunu ortaya koymuştur. Bu saldırılar, kimlik doğrulama kontrollerindeki hataları kullanma, güçlendirme stratejilerini kötüye kullanma ve lider kimlik doğrulama tanımını gevşetme gibi durumları içermektedir. Çoklu paralel örneklerin paralel çalışmasını içeren yenilikçi mekanizmalar getirilmesine rağmen, bu sorunları tamamen çözmekte başarısız olmuştur.

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

Mevcut protokollerin analizi temelinde, araştırmacılar 2PAC protokolünü önermiştir ve konsensüs sürecini basitleştirip optimize ederek performansı önemli ölçüde artırmıştır. 2PAC, iki varyant içerir:

1. 2PAClean：

   • %90 üzerinde bir verim ve 9.5δ beklenen gecikme sağlamak
   • Mesaj karmaşıklığı O(n²)
   • Gerekli etkileşimleri ve hesaplama yüklerini ortadan kaldırarak verimliliği artırmak

2. 2PACBIG：

   • 目前O(n³) mesaj karmaşıklığında en hızlı Blok Zinciri Konsensüs protokolü
   • Hatasız tek seferlik MVBA çalışma süresi 4δ'dir, gecikmeyi önemli ölçüde azaltır.

Süper Hızlı Akış Hattı Blok

Araştırmacılar, akışkan blokların gecikmesini önemli ölçüde azaltan yeni bir akışkan blok tasarımı önermiştir. Hızlı yol mekanizması getirerek, adil zamanlayıcı altında akışkan blokların karar verme süresi, hatta akışkan olmayan bloklardan daha düşük olabilir. Bu mekanizma, tüm yürütmelerde hızlı yolun gecikmesini garanti eder ve arızalı süreç davranışlarından etkilenmez.

Niceliksel Sonuç Analizi

Teorik analiz ve pratik testler aracılığıyla, 2PAClean'in en kötü durumda beklenen gecikmesi 9.5δ, iyi durumda (arızasız ve zamanlayıcının yarı adil olduğu) 6δ'dir. Buna karşılık, sMVBA'nın beklenen gecikmesi 10δ, iyi durumda 6δ'dir. 2PAClean, aynı iyi durumda gecikmeyi koruyarak en kötü durum gecikmesini 0.5δ azaltmıştır. Ayrıca, 2PAClean'in verimliliği, zincirli sMVBA'ya kıyasla %80 ila %100 oranında artmıştır.

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

Değerlendirme Sonuçlarını Hesaplama

Geniş kapsamlı hesaplama değerlendirmeleri, 2PAClean ve 2PACBIG'in çeşitli ağ koşullarında mükemmel performans sergilediğini, özellikle de yüksek gecikme ve yüksek hata oranı ortamlarında. 2PAClean, mesaj iletim gecikmesi ile hesaplama karmaşıklığı arasında iyi bir denge sağlarken, 2PACBIG ise paralelleştirme ve oylama sürecinin optimizasyonu ile daha düşük gecikme elde etmiştir.

Gelecek Araştırma Yönleri

1. Protokol optimizasyonu: Protokol yapısını daha da basitleştirip optimize ederek gereksiz mesaj iletimini ve hesaplama yükünü 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 sistemlerine uygulamak, gerçek ağ ortamındaki performansını doğrulamak.

Sonuç

Bu çalışma, mevcut asenkron blok zinciri konsensüs protokollerinin avantajlarını ve dezavantajlarını detaylı bir şekilde analiz etmiş ve 2PAC ile süper hızlı akış hattı blok olmak üzere iki yeni protokol tasarımı önermiştir. Bu yeni tasarımlar, verimliliği artırma ve gecikmeyi azaltma konusunda önemli avantajlar göstermekte, gelecekteki blok zinciri teknolojisi gelişimi için önemli bir referans sağlamaktadır. Sürekli araştırma ve optimizasyon yoluyla, blok zinciri teknolojisinin gelecekte dijital ekonomide daha önemli bir rol oynaması beklenmektedir ve yeni nesil konsensüs protokolleri bu teknolojinin gelişimine sağlam bir temel sağlayacaktır.