İçindekiler
1. Giriş
Bu makale, tipik olarak belirli sayıda baştaki sıfırla sonuçlanan kriptografik bir hash çıktısı veren bir nonce bulmayı içeren geleneksel iş kanıtı (PoW) şemasına bir iyileştirme önermektedir. Temel yenilik, birden fazla otonom kullanıcının kendi işlemleri için iş kanıtını oluşturmada işbirliği yapmasına olanak tanıyacak şekilde tasarlanmış bir işbirlikçi iş kanıtı şemasıdır. Bu işbirliği, dağıtık bir defter sistemi içindeki işlemlerin sırası üzerinde mutabakat sağlamayı amaçlamaktadır.
Birincil motivasyon, rekabetçi, ücret tabanlı madencilik modelinden (madencilerin bulmacaları çözmek ve ücret toplamak için yarıştığı) işbirlikçi, vergi tabanlı bir modele (kullanıcıların işbirliği yaptığı ve vergi ödediği) geçiş yapmaktır. Yazarlar, bu değişimin birkaç sorunu hafifletebileceğini savunmaktadır:
- Azaltılmış Enerji Tüketimi: Acımasız rekabetin yerini tutumlu işbirliği aldığında, toplam hesaplama çabası (ve dolayısıyla enerji kullanımı) önemli ölçüde düşürülebilir.
- Artırılmış İşlem Hacmi ve Adalet: Madenciler arasındaki rekabetin azalması, daha hızlı işlem işlemeye ve belirli kullanıcı gruplarına yönelik ayrımcılık potansiyelinin azalmasına yol açabilir.
- Geliştirilmiş Güvenlik: Hizmet Reddi (DoS) saldırıları, doğal işlem vergisi nedeniyle saldırgan için daha maliyetli hale gelir.
Bu şema, teşvik uyumsuzluğu sorunları yaşayabilen madencilik havuzları gibi mevcut dış mekanizmaların aksine, işbirliğine yönelik yerel bir çözüm olarak konumlandırılmıştır.
2. Mutabakat
Bu bölüm, temel sorunu ortaya koymaktadır: merkezi bir otorite olmadan eşler arası bir ağda dağıtık mutabakat sağlamak. Eşler, bir dedikodu protokolü aracılığıyla iletişim kurar ve paylaşılan, üzerinde anlaşılmış bir işlem defterini sürdürmelidir.
Temel zorluk, mesaj yayılım gecikmesidir. İdeal, düşük frekanslı bir işlem ortamında, ağ trafiğinde sürekli bir duraklama gözlemlenerek—bir "tam durma"—tüm eşlerin muhtemelen aynı mesaj setini gördüğüne işaret edilerek mutabakat sağlanabilirdi. Bu mesajlar daha sonra kanonik olarak sıralanabilir (örneğin, hash değerine göre) ve deftere eklenebilirdi.
Ancak, gerçek dünya işlem frekansları bu basit şema için çok yüksektir. İşte burada iş kanıtı bir frekans sınırlayıcı olarak devreye girer. Her işlem (veya işlem bloğu) için hesaplama açısından pahalı bir bulmacanın çözülmesini gerektirerek, PoW yeni mutabakat olaylarının önerilebileceği oranı yapay olarak düşürür. Bulmacanın zorluğu, "duraklama tabanlı" mutabakat mekanizmasının ağ genelinde etkili bir şekilde çalışması için gerekli düşük frekansı elde etmek üzere kalibre edilebilir.
3. İşbirlikçi İş Kanıtı
Makale, önerilen işbirlikçi şemayı formalize etmektedir. Tam matematiksel detaylar bir sonraki bölüm için ön izleme niteliğinde olsa da, kavramsal değişim nettir. Bireysel madencilerin bir blok ödülü için bulmaca çözmeye yarışması yerine, bir işlem seti oluşturan kullanıcılar, o set için tek bir iş kanıtı oluşturmak üzere birlikte çalışır.
Mekanizma şunları sağlamalıdır:
- İşbirliği doğrulanabilir ve güvenli olmalıdır.
- Toplu çalışma, ağın zorluk hedefini karşılamalıdır.
- Ortaya çıkan işlem sırası mutabakatı bağlayıcı ve değiştirilemez olmalıdır.
Önerilen "işlem vergisi", "işlem ücreti"nin yerini alır. Bu vergi, işbirlikçi madencilik turuna katılan kullanıcılar tarafından ödenir, böylece mutabakat oluşturma maliyeti, ayrı bir madencilik sınıfına dış kaynak sağlamak yerine, kullanıcı grubu içinde içselleştirilir.
4. Temel Kavrayış ve Analiz
Temel Kavrayış: Kuijper'in makalesi sadece PoW'da bir ayar değil; blok zinciri teşvik yapılarının temelden yeniden mimarilenmesidir. Gerçek atılım, PoW'nın mutabakattaki birincil değerinin sadece "iş" olmadığını, aynı zamanda bir oran sınırlama aracı olarak iş olduğunu fark etmektir. İşbirlikçi model, bu oran sınırlamayı rekabetçi, madencilik odaklı bir süreç yerine işbirlikçi, kullanıcı odaklı bir süreç haline getirerek senaryoyu tersine çevirir. Bu, Bitcoin'in enerji ikileminin kök nedenine—hashing'in kendisine değil, sürekli daha fazla hashing talep eden ekonomik yarışa—doğrudan saldırır.
Mantıksal Akış: Argüman zarif bir mantıkla ilerler: 1) Mutabakat düşük olay frekansı gerektirir, 2) PoW maliyet yoluyla düşük frekansı zorunlu kılar, 3) Dolayısıyla, maliyeti üstlenen varlık mutabakat ritmini kontrol eder. Geleneksel PoW, madencilerin bu ritmi kâr için kontrol etmesine izin verir. Kuijper'in şeması, kontrolü kullanıcılara, kendi işlemleri için doğrudan maliyeti (vergiyi) üstlenmelerini sağlayarak iade eder. Teknik kısıttan (yayılım gecikmesi) ekonomik çözüme (işbirlikçi maliyet üstlenme) doğru olan akış ikna edicidir.
Güçlü ve Zayıf Yönler: Güçlü yanı, teşviklerin zarif bir şekilde uyumlanmasıdır. Mutabakat maliyetini doğrudan işlem başlatıcılarına bağlayarak, Ethereum'un Merge öncesi gibi sistemleri rahatsız eden madencilikten çıkarılabilir değer (MEV) ve havuz merkezileşmesi sorunlarını ortadan kaldırır. Ancak, göze çarpan zayıflık "başlatma sorunu"dur—güvensiz bir ortamda işbirliğini nasıl başlatırsınız? Makale, bu kritik koordinasyon sorununu geçiştirmektedir. Blok zincirinin oyun teorisi analizlerinde görüldüğü gibi (örneğin, arXiv'deki mutabakat dinamikleri üzerine çalışmalar), önceden var olan sosyal veya algoritmik bir iskelet olmadan rasyonel, anonim aktörler arasında kendiliğinden, istikrarlı bir işbirliği sağlamak son derece zordur. Şema ayrıca, var olmayan bir kullanıcı hashing gücü homojenliği varsayıyor gibi görünmekte ve bu da yüksek güce sahip kullanıcıların işbirlikçi gruplara hakim olduğu yeni merkezileşme biçimlerine yol açabilir.
Uygulanabilir Kavrayışlar: Protokol tasarımcıları için anahtar çıkarım, hibrit modelleri keşfetmektir. Rekabetçi PoW'yu tamamen atmamalı; onu bir yedek katman veya kontrol noktası oluşturma için kullanırken, yüksek frekanslı, düşük değerli işlem grupları için işbirlikçi PoW'ya izin vermelidir. Başlatma sorununu çözmek için işbirlikçi çalışmanın yanı sıra bir stake mekanizması uygulanmalıdır—kullanıcılar işbirlikçi bir tura katılmak için token stake etmeli, kötü niyetli aktörler cezalandırılmalıdır. Bu, Proof-of-Stake (PoS) güvenliğini PoW'nın oran sınırlamasıyla birleştirir. Ayrıca, "işlem vergisi" kavramı, spam'ı caydıracak ancak kullanılabilirliği engellemeyecek optimal bir oran bulmak için gerçek dünya ödeme sistemi verilerine karşı titizlikle modellenmelidir.
5. Teknik Detaylar ve Matematiksel Formalizasyon
İşbirlikçi iş kanıtı şeması aşağıdaki gibi formalize edilebilir:
$T = \{tx_1, tx_2, ..., tx_n\}$, $U = \{u_1, u_2, ..., u_m\}$ kullanıcı grubu tarafından önerilen bir işlem seti olsun.
$H(\cdot)$, kriptografik bir hash fonksiyonu (örneğin, SHA-256) olsun. Geleneksel PoW, bir blok $B$ için $H(B || N) < D$ olacak şekilde bir nonce $N$ bulmayı gerektirir; burada $D$ zorluk hedefidir.
İşbirlikçi modelde, "blok" üzerinde anlaşılan işlem seti $T$'dir. Bulmaca toplu olarak çözülür. Her kullanıcı $u_i$, bir kısmi çözüm (bir "pay") $s_i$ katkıda bulunur. Toplu iş kanıtı $P$, tüm payların ve işlem setinin bir fonksiyonudur:
$P = F(T, s_1, s_2, ..., s_m)$
Geçerli bir işbirlikçi kanıt için koşul şu hale gelir:
$H(P) < D$
$F$ fonksiyonu şu şekilde yapılandırılmalıdır:
- $H(P) < D$ sonucunu veren girdiler $s_i$ bulmak için $U$'nun çoğunluğundan önemli bir birleşik hesaplama çabası gerektirmelidir.
- Tüm $u_i \in U$ kullanıcılarının $P$'ye katkıda bulunduğunun doğrulanmasına izin vermelidir.
- Herhangi bir tek kullanıcının veya küçük bir alt kümenin çözüme hakim olmasını veya başkalarının katılımını sahtelemesini engellemelidir.
$F$ için potansiyel bir yapı, işin sıralı olmasını ve farklı taraflar tarafından katkıda bulunulmasını sağlayan, yinelemeli çoklu imza benzeri şemalar veya hash taahhütleriyle birleştirilmiş doğrulanabilir gecikme fonksiyonlarını (VDF'ler) içerebilir.
6. Analiz Çerçevesi ve Örnek Vaka
Çerçeve: Mutabakat Mekanizması Değişimlerinin Değerlendirilmesi
Bu öneriyi, temel boyutları karşılaştıran bir çerçeve kullanarak analiz edebiliriz:
| Boyut | Geleneksel PoW (ör. Bitcoin) | İşbirlikçi PoW (Kuijper) |
|---|---|---|
| Birincil Aktör | Madenciler (uzmanlaşmış) | Kullanıcılar (genel) |
| Teşvik | Blok ödülü + İşlem ücretleri | İşlem vergisinden kaçınma + Sistem faydası |
| Harcanan Kaynak | Rekabetçi hashing (yüksek enerji) | İşbirlikçi, minimal yeterli hashing |
| Koordinasyon Mek. | Harici (Madencilik Havuzları) | Protokol İçi |
| Mutabakat Ritmi Kontrolü | Madenciler | Aktif Kullanıcı Grubu |
Örnek Vaka: Mikro İşlem Grubu
1000 kullanıcının küçük, sık ödemeler yapmak istediğini hayal edin (örneğin, bir IoT veri pazarı içinde).
- Geleneksel PoW: Her işlem, bir madencinin onu bir bloğa dahil etmesini bekler, diğerleriyle ücret önceliği için yarışır. Yüksek gecikme, yüksek efektif maliyet.
- İşbirlikçi PoW: Bu 1000 kullanıcı geçici bir grup oluşturur. Tüm işlemlerini içeren bir blok için tek bir PoW üzerinde toplu olarak çalışırlar. İş dağıtıldığı için bireysel maliyet düşüktür. PoW çözüldüğünde, blok yayılır. Ödenen "vergi" aralarında bölünür, muhtemelen bireysel ücretlerden daha düşüktür. Gruplarının sırası üzerindeki mutabakat doğrudan sağlanır.
Bu vaka, belirli yüksek hacimli, düşük değerli senaryolarda işlem hacmi artışı potansiyelini vurgulamaktadır.
7. Uygulama Öngörüsü ve Gelecek Yönelimler
Uygulama Öngörüsü:
- İzinli Konsorsiyum Blok Zincirleri: Katılımcıların bilindiği ve mevcut bir ilişkiye sahip olduğu, başlatma sorununu çözen ideal ortam. Tedarik zinciri veya bankalar arası defterler için kullanışlıdır.
- Katman-2 Ölçeklendirme Çözümleri: İşbirlikçi şema, bir durum kanalı veya yan zincir katılımcı seti içinde mutabakat sağlamak için kullanılabilir, periyodik olarak bir ana zincire yerleşim yapılır.
- Merkezi Olmayan Veri Oracle'ları: Oracle düğüm grupları, bir veri noktasının değeri üzerinde mutabakat sağlamak için işbirlikçi PoW kullanabilir, böylece zincir üzerine göndermeden önce yanlış raporlamaya bir maliyet eklenir.
Gelecek Araştırma Yönelimleri:
- Formal Güvenlik Kanıtları: Şema, gerçekçi ağ koşulları altında Sybil saldırıları, gizli anlaşma ve diğer tehdit modellerine karşı güvenliğini kanıtlamak için titiz bir kriptografik analiz gerektirir.
- Grup Oluşumu için Mekanizma Tasarımı: İşbirlikçi gruplar dinamik olarak nasıl oluşturulur? Eşleştirme teorisi veya stokastik süreçlerden fikirler kullanarak algoritmik grup eşleştirme üzerine araştırma gereklidir.
- Diğer Mutabakat Modelleriyle Entegrasyon: Grup seçimi veya nihailik katmanı için Proof-of-Stake (PoS) veya Proof-of-Authority (PoA) ile hibritlerin keşfedilmesi.
- Enerji Etkisi Nicelleştirmesi: Çeşitli benimseme ve işlem yükü senaryoları altında geleneksel PoW'ya kıyasla potansiyel enerji tasarrufunu nicelleştirmek için detaylı simülasyon modelleri oluşturmak.
8. Kaynaklar
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Eşler Arası Elektronik Nakit Sistemi.
- Demers, A., ve diğerleri. (1987). Çoğaltılmış Veritabanı Bakımı için Salgın Algoritmaları. Altıncı Yıllık ACM Dağıtık Hesaplama İlkeleri Sempozyumu Bildirileri.
- Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Çoğunluk Yeterli Değil: Bitcoin Madenciliği Savunmasızdır. Uluslararası Finansal Kriptografi ve Veri Güvenliği Konferansı.
- Back, A. (2002). Hashcash - Bir Hizmet Reddi Karşı Önlemi.
- Buterin, V., ve diğerleri. (2014). Yeni Nesil Akıllı Sözleşme ve Merkezi Olmayan Uygulama Platformu. Ethereum Beyaz Kağıdı.
- King, S., & Nadal, S. (2012). PPCoin: Proof-of-Stake ile Eşler Arası Kripto Para Birimi.
- Zhu, J., ve diğerleri. (2017). Döngü-Tutarlı Çekişmeli Ağlar Kullanarak Eşleştirilmemiş Görüntüden Görüntüye Çeviri. IEEE Uluslararası Bilgisayarlı Görü Konferansı (ICCV) Bildirileri. (Çekişmeli/koordinasyon yapısı analizi için CycleGAN referansı)