Dağıtık Mutabakat Protokolleri için İşbirlikçi Bir İş Kanıtı Şeması

İçindekiler

1. Giriş

Bu makale, standart iş kanıtı (PoW) şemasına bir iyileştirme önermektedir. Buradaki amaç, bir blok başlığının kriptografik özetinin belirli bir zorluk hedefini karşılamasını (örneğin, belirli sayıda sıfırla başlamasını) sağlayacak bir nonce değeri bulmaktır. Temel yenilik, PoW'yu madenciler arasında rekabetçi, kazananın her şeyi aldığı bir yarıştan, kullanıcıların kendi işlemlerini doğrulamak ve işlem sıralaması üzerinde mutabakat sağlamak için hesaplama güçlerini birleştirebilecekleri işbirlikçi bir çabaya dönüştürmektir.

Birincil motivasyon, rekabetçi özetlemeden kaynaklanan muazzam enerji tüketimi ve madencilik havuzlarının merkezileştirici gücü gibi geleneksel PoW'daki doğal verimsizlikleri ve yanlış teşvikleri ele almaktır. Yerel işbirliğini mümkün kılarak, şema, işlem ücretlerini (madencilere ödenen) işlem vergileriyle (işbirlikçi çalışmanın maliyeti olarak işlem başlatıcıları tarafından ödenen) değiştirmeyi ve böylece teşvikleri tutumluluğa ve kolektif doğrulamaya yönlendirmeyi amaçlamaktadır.

2. Mutabakat

2.1. Dağıtık Mutabakat Problemi

Merkezi bir otorite olmayan eşler arası bir ağda, paylaşılan bir durum (bir işlem defteri gibi) üzerinde mutabakat sağlamak zordur. Temel sorun mesaj yayılım gecikmesidir. İşlem aralıkları istatistiksel olarak ağın dedikodu yayılım süresinden daha uzunsa, eşler trafikte paylaşılan bir "duraklama" gözlemleyerek fiili mutabakat sağlayabilir. Ancak, yüksek frekanslı işlem ortamlarında bu basit yöntem başarısız olur.

2.2. İş Kanıtının Rolü

İş kanıtı, bir hız sınırlama mekanizması olarak işlev görür. Hesaplama açısından pahalı, kaba kuvvet gerektiren bir bulmacanın çözümünü gerektirerek (örneğin, $\text{Hash}(\text{veri} || \text{nonce}) < \text{Hedef}$ koşulunu sağlayan bir özet bulmak), herhangi bir tek eşin yeni bloklar önerme hızına bir üst sınır koyar. Bu, etkin işlem frekansını, ağın güvenilir bir şekilde mutabakat sağlayabileceği bir seviyeye, Bitcoin'in Nakamoto mutabakatında kavramsallaştırıldığı gibi, yapay olarak düşürür.

3. İşbirlikçi İş Kanıtı

3.1. Şemanın Formalizasyonu

Makale, iş kanıtı bulmacasının tek bir blok önericisine bağlı olmadığı, bir dizi işlemle ilgilenen bir kullanıcı grubu tarafından işbirliği içinde çözülebileceği bir şemayı formalize etmektedir. Bu işlemlerin sırası üzerindeki mutabakat, çözümü ilk bulan madenci tarafından dikte edilmek yerine, işbirlikçi çözüm sürecinin kendisinden ortaya çıkar.

3.2. Anahtar Mekanizma: Ücretlerden Vergilere

En önemli ekonomik değişim, ücretlerden vergilere geçiştir. Geleneksel PoW'da kullanıcılar madencileri teşvik etmek için ücret öder. İşbirlikçi modelde ise bir işleme dahil olan kullanıcılar, işbirlikçi iş kanıtı için gerekli hesaplama maliyetinin kendi paylarını temsil eden bir "vergi" öder. Bu, dinamikleri "hizmet için ödeme"den "doğrulama maliyetini paylaşma"ya dönüştürerek, genel kaynak harcamasını potansiyel olarak azaltır.

4. Temel Kavrayış & Mantıksal Akış

Temel Kavrayış: Makalenin dehası, PoW'nun mutabakat için birincil değerinin onun hız sınırlama özelliği olduğunu, rekabetçi piyango yönü olmadığını fark etmesinde yatar. Yazarlar, rekabetçi piyangoyu büyük ölçekli israfın (enerji, donanım silahlanma yarışı) ve merkezileşmenin (madencilik havuzları) kaynağı olarak doğru bir şekilde tanımlamaktadır. Mantıksal sıçramaları şu soruyu sormaktır: "Hız sınırlamayı koruyup rekabeti ortadan kaldırabilir miyiz?" Önerilen işbirlikçi şema bu sorunun cevabıdır—PoW'nun "iyi" kısımlarını (merkezi olmayan, sybil'e dayanıklı, zorluk ayarlanabilir) mühendislikle korumaya, "kötü" kısımlarını (israflı rekabet) ise cerrahi bir hassasiyetle çıkarmaya yönelik kasıtlı bir girişimdir.

Mantıksal akış kusursuzdur: 1) Mutabakat problemini tanımla (mesaj gecikmesi). 2) PoW'yu bir hız sınırlama çözümü olarak kabul et. 3) PoW'nun kritik kusurunu teşhis et (teşvik edilmiş işbirliği eksikliği). 4) Bireysel rasyonaliteyi ağ sağlığıyla uyumlu hale getiren yeni bir teşvik yapısı öner (vergi ile ödenen işbirlikçi çalışma). Bu, sistem düşüncesinin en iyi örneğidir.

5. Güçlü Yönler & Zayıflıklar

Güçlü Yönler:

• Zarif Teşvik Yeniden Hizalaması: Ücretlerden vergilere geçiş derin bir ekonomik yeniliktir. PoW madenciliğindeki "ortakların trajedisi"ne, yani bireysel madencilerin sosyal açıdan optimal olandan daha fazla enerji tüketmeye teşvik edildiği duruma doğrudan saldırır.
• Merkezileşmeyi Hafifletir: Tasarım gereği, esas olarak rekabetçi piyango varyansını dengelemek için var olan madencilik havuzlarının ekonomik mantığını zayıflatır. Yerel işbirliği, daha eşitlikçi ve dayanıklı bir ağ topolojisine yol açabilir.
• Daha Yüksek İşlem Hacmi Potansiyeli: Blok ödülleri için azalan rekabet, güvenlik için gerekli zorluğu düşürebilir ve aynı genel özetleme gücü seviyesinde zaman birimi başına daha fazla işleme izin verebilir.

Zayıflıklar & Kritik Sorular:

• Başlatma/Koordinasyon Problemi: Kullanıcılar işbirliği yapmak için birbirlerini nasıl bulacak? Makale bu konuyu geçiştirmektedir. Pratikte, her işlem kümesi için verimli, güvene dayanmayan koalisyonlar oluşturmak büyük bir koordinasyon zorluğudur ve potansiyel olarak kendi karmaşık protokol katmanını gerektirerek karmaşıklığı ve ek yükü yeniden ortaya çıkarabilir.
• Koalisyon Saldırısı Altında Güvenlik: Model, işbirlikçi grupların iyi niyetli olduğunu varsaymaktadır. Çift harcama yapmak veya işlemleri sansürlemek için büyük, kötü niyetli bir koalisyonun oluşmasını ne engeller? Güvenlik analizi, Bitcoin Omurga Protokolü analizi gibi çalışmalarda bulunan geleneksel PoW'nun titiz oyun teorisi incelemesine kıyasla yüzeysel hissettirmektedir.
• Vergi Tahsili & Uygulama: Merkezi olmayan, anonim bir ortamda "vergiyi" uygulamak önemsiz değildir. Ödemeyenlerin başkalarının işbirlikçi çalışmasından bedavacılık yapabileceği bir sistem yaratma riski taşır; bu, makalenin çözmeye çalıştığı ancak istemeden yeniden yaratabileceği klasik bir teşvik problemidir.

6. Uygulanabilir Kavrayışlar & Gelecek Yönelimler

Araştırmacılar İçin: Bunu bitmiş bir protokol olarak değil, bir tasarım paradigması olarak ele alın. Temel fikir—mutabakat için işbirlikçi maliyet paylaşımı—özet tabanlı PoW'nun ötesinde de uygulanabilir. Hisse Kanıtı (PoS) veya Alan Kanıtı ile entegrasyonunu keşfedin. Kilit araştırma boşluğu, bu yeni ortamda koalisyon oluşumu ve istikrarının sağlam, oyun teorik bir modelidir. Başlangıç noktası olarak "koalisyona dayanıklı Nash dengesi" üzerine çalışmalara başvurun.

Geliştiriciler/Şirketler İçin: Bu, Ana Ağ için hazır değildir. Ancak, katılımcı kimliğinin bilindiği ve koordinasyonun daha kolay olduğu özel veya konsorsiyum blok zincirleri için düşünün. Enerji tasarrufu vaadi burada en somuttur. Bilinen varlıkların (örneğin, tedarik zinciri ortakları) paylaşılan işlemlerini işbirliği içinde doğruladığı, geleneksel rekabetçi madencilik kurulumuna kıyasla hesaplama yükündeki azalmayı ölçen bir pilot sistem uygulayın.

Endüstri İçin: Bu makale, birleşme sonrası (Ethereum'un PoS'a geçişi) dünyasında hayati bir karşı-anlatıdır. PoW'nun enerji probleminin iş kanıtı kavramının doğasında olmadığını, onun uygulanış biçiminden kaynaklandığını savunmaktadır. Kriptonun enerji kullanımına yönelik düzenleyici inceleme yoğunlaştıkça, işbirlikçi PoW gibi yenilikler, özellikle PoS'un fiziksel güven varsayımlarının istenmediği ağlar için potansiyel bir "yeşil PoW" alternatifi olarak yeniden değerlendirilmeyi hak etmektedir.

7. Teknik Detaylar & Matematiksel Formalizasyon

Makale, işbirlikçi PoW'yu çok taraflı bir hesaplama problemi olarak formalize etmeyi önermektedir. Tam olarak detaylandırılmamış olsa da, temel bulmaca muhtemelen standart özet hedefini uyarlamaktadır. $\text{Hash}(\text{Blok}_{\text{önerici}} || \text{nonce}) < T$ yerine, $n$ katılımcıdan gelen birleşik bir girdi içerebilir: $\text{Hash}(\text{İşlemKümesi} || \text{nonce}_1 || ... || \text{nonce}_n || \text{Kimlik}_{\text{koalisyon}}) < T$.

Zorluk hedefi $T$, istenen işbirlikçi blok oluşum hızına göre ayarlanır. "İş", her katılımcı $i$'nin kısmi bir nonce $\text{nonce}_i$ aradığı ve birleşik çabanın hedefi karşıladığı şekilde dağıtılır. Vergi için basit bir model şöyle olabilir: $\text{Vergi}_i = \frac{C \cdot w_i}{\sum_{j=1}^{n} w_j}$, burada $C$ çözülen bulmacanın toplam hesaplama maliyeti ve $w_i$ katılımcı $i$ tarafından sağlanan kanıtlanabilir iştir. Bu, katkıyla orantılı maliyet paylaşımını sağlar.

8. Analiz Çerçevesi & Kavramsal Örnek

Çerçeve: İşbirlikçi Mutabakat Oyunu

1. Oyuncular: Bekleyen işlemleri olan bir kullanıcı kümesi $U = \{u_1, u_2, ..., u_k\}$.
2. Eylemler: Her oyuncu şunları seçebilir: (a) Tek başına çalış (standart PoW), (b) Bir koalisyon oluştur/katıl $S \subseteq U$, (c) Bedavacılık yap (mümkünse).
3. Kazançlar: İşlemlerini içeren bir blok başarıyla oluşturan bir koalisyon $S$ için:
   • Fayda: İşlemler onaylanır (kullanıcı $i$ için değer $V_i$).
   • Maliyet: Sağlanan işe dayalı ödenen vergi $\text{Vergi}_i$.
   • Net kazanç: $V_i - \text{Vergi}_i$.
4. Denge Kavramı: Sistem, "büyük koalisyon" $U$'nun (tüm kullanıcılar işbirliği yapar) oluşumunun, tüm işlemleri onaylarken toplam maliyeti $\sum \text{Vergi}_i$ en aza indiren istikrarlı, verimli bir Nash dengesi olduğu bir durumu hedefler.

Kavramsal Örnek: A'dan E'ye beş kullanıcı hayal edin, her biri bir işlem göndermek istiyor. Bitcoin'de yayın yaparlar ve bir madenci tarafından dahil edilmeyi umarlar. Madenciler rekabet ederek 100 birim enerji harcar; kazanan ücretleri alır. Toplam enerji: 100 birim. İşbirlikçi PoW'da, A-E bir grup oluşturur. Beş işlemi de içeren bir blok için bir bulmacayı çözmek üzere kolektif olarak 20 birim enerji harcarlar (rekabet olmadığı için daha az). Her biri toplam 20 birim tutan bir vergi öder (örneğin, her biri 4 birim). Tasarruf edilen enerji: 80 birim. Onay, grup için garantilidir, olasılıksal değildir.

9. Uygulama Öngörüsü & Gelecek Gelişim

Kısa Vadeli (Önümüzdeki 2-3 yıl): En uygulanabilir uygulama kurumsal/konsorsiyum DLT'lerindedir. Örneğin, bankalar arası ödemeleri takas eden bir bankalar grubu işbirlikçi bir PoW defteri kullanabilir. Kimlik bilinir, koordinasyon yönetilebilir ve amaç verimlilik ve kesinliktir—anonim katılım değil. Araştırmalar, verimli koalisyon oluşturma algoritmalarına ve doğrulanabilir katkı ölçümüne odaklanacaktır.

Orta Vadeli (3-5 yıl): Kapalı ortamlarda başarılı olursa, bu kavram hibrit kamu blok zinciri tasarımlarına ilham verebilir. Bir kamu zinciri, geleneksel PoW veya PoS kullanan bir temel katmana sahip olabilir ve bu modeli yüksek iş hacimli, düşük ücretli uygulamaya özel işlemler (örneğin, mikro ödemeler, IoT veri kaydı) için kullanan özel "işbirlikçi parçalar" veya yan zincirlere sahip olabilir.

Uzun Vadeli & Temel Araştırma: Nihai test, tamamen merkezi olmayan, izinsiz bir versiyonun güvenli olup olamayacağıdır. Bu, adil koalisyon ataması için merkezi olmayan rastgele işaret oluşturmada ve gizliliği tehlikeye atmadan bedavacıları cezalandıracak kriptoekonomik mekanizmalarda çığır açan gelişmeler gerektirir. Ayrıca yeni bir alan açar: Mutabakat Mekanizması Çeşitliliği, burada farklı işlem türleri veya kullanıcı grupları, bilgisayar ağlarının farklı ihtiyaçlar için farklı protokoller (TCP, UDP) kullanmasına benzer şekilde, aynı ekosistem içinde farklı mutabakat modellerini (rekabetçi, işbirlikçi, hisseli) seçebilir.

10. Kaynaklar

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Eşten Eşe Elektronik Nakit Sistemi.
2. Demers, A., vd. (1987). Çoğaltılmış Veritabanı Bakımı için Salgın Algoritmaları. Altıncı Yıllık ACM Dağıtık Hesaplama İlkeleri Sempozyumu Bildirileri.
3. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Çoğunluk Yeterli Değil: Bitcoin Madenciliği Savunmasızdır. Uluslararası Finansal Kriptografi ve Veri Güvenliği Konferansı.
4. Back, A. (2002). Hashcash - Bir Hizmet Reddi Karşı Önlemi.
5. Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). Bitcoin Omurga Protokolü: Analiz ve Uygulamalar. Kriptografik Tekniklerin Teorisi ve Uygulamaları Üzerine Yıllık Uluslararası Konferans.
6. Buterin, V., vd. (2022). GHOST ve Casper'ı Birleştirmek. Ethereum Araştırması.
7. Narayanan, A., Bonneau, J., Felten, E., Miller, A., & Goldfeder, S. (2016). Bitcoin ve Kripto Para Teknolojileri: Kapsamlı Bir Giriş. Princeton University Press.