Bitcoin ve Ethereum gibi izin gerektirmeyen blok zincirleri, merkeziyetsiz sistemlerde devrim yaratmış olsa da önemli ölçeklenebilirlik zorluklarıyla karşı karşıyadır. İş İspatı (PoW) mutabakatının enerji tüketimi geniş çapta tartışılırken, tam düğümlerin gerektirdiği önemli ve giderek artan depolama yükü, daha geniş katılım ve ağ sağlığı için kritik ancak yeterince ele alınmamış bir engel olmaya devam etmektedir. Bu makale, tam düğümlerin blok zinciri verisini doğrulama için nasıl kullandığını analiz eden ve altta yatan protokolü değiştirmeden yerel depolama gereksinimlerini büyük ölçüde azaltmaya yönelik pratik stratejilere öncülük eden ilk kapsamlı deneysel çalışmayı sunmaktadır.
Bir blok zincirinin bütünlüğü, işlemlerin tam ve doğrulanabilir bir geçmişine dayanır. Bitcoin için bu defter 370 GB'ı aşmakta olup, işlemleri bağımsız olarak doğrulamak için tam düğüm çalıştıran katılımcılardan önemli kaynaklar talep etmektedir.
Depolama gereksinimi, benimseme ve işlem hacmi ile doğru orantılıdır. Tüm defteri saklamak güvenlik için (çift harcamayı önlemek) elzemdir ancak yüksek bir giriş engeli oluşturur ve daha az kullanıcı tam düğüm çalıştırabildiği için merkezileşme risklerine yol açar.
Bitcoin Tam Düğüm Depolaması: >370 GB (çalışmanın zaman dilimine göre). Bu, yaygın düğüm işletimi için önemli bir donanım maliyeti ve caydırıcı oluşturmaktadır.
Önceki yaklaşımlar şunları içerir:
Bu çalışmanın temel katkısı, optimizasyonu bilgilendirmek için gerçek düğüm davranışının veri odaklı bir analizidir.
Yazarlar, standart işlem sırasında—özellikle yeni işlemlerin ve blokların doğrulanması sırasında—yerel depolamadan yapılan her veri erişimini (okumaları) izlemek ve kaydetmek için Bitcoin tam düğümlerini enstrümanize etmiştir. Bu, blok zincirinin hangi kısımlarının süregelen doğrulama için aslında gerekli olduğuna dair bir profil oluşturur.
Analiz, kritik bir içgörüyü ortaya çıkarmıştır: tarihsel blok zinciri verisinin önemli bir kısmı belirli bir süre sonra nadiren veya hiç erişilmemektedir. Mevcut durumu (Harcanmamış İşlem Çıktıları - UTXO'lar) ve yakın geçmişi doğrulamak için gereken veri, tam defterden çok daha küçük bir alt küme oluşturmaktadır.
Tam düğümlerin yeni blokları ve işlemleri gerçek zamanlı olarak doğrulamak için yüzlerce gigabaytlık tüm geçmişe ihtiyacı yoktur. Aktif olarak gereken veri seti kat kat daha küçüktür.
Deneysel bulgulara dayanarak, makale istemci tarafı stratejiler önermektedir.
Birincil strateji, akıllı, veri farkında bir budama algoritmasıdır. Basit yaşa veya boyuta göre budama yapmak yerine, düğüm, profillemenin gelecekteki doğrulama için gereksiz olduğunu gösterdiği blok zinciri verisini (eski harcanmış işlem çıktıları gibi) güvenle silebilir. Bu tamamen istemci tarafında uygulanır.
Ek optimizasyonlar arasında, nadiren erişilen ancak gerekli olan tarihsel verinin sıkıştırılması ve "çalışma setini" (sık erişilen UTXO'lar ve yakın bloklar) daha hızlı depolamada tutmayı önceliklendiren önbellekleme stratejileri yer alır.
Çalışmanın en çarpıcı sonucu: akıllı budama stratejilerini uygulayarak, bir Bitcoin tam düğümü, tam doğrulama yeteneklerini korurken yerel depolama ayak izini yaklaşık 15 GB'a düşürebilir. Bu, tam 370+ GB'lık defterden %95'in üzerinde bir azalma anlamına gelir.
(Hayali grafik açıklaması) "Tam Defter (370 GB)" ve "Budanmış Çalışma Seti (15 GB)" karşılaştırmasını gösteren bir çubuk grafik. Budanmış set, orijinalin küçük bir kısmıdır ve elde edilen büyük azalmayı görsel olarak vurgular.
Profil çıkarma ve akıllı budamanın hesaplama yükünün ihmal edilebilir olduğu bildirilmektedir. Dengeleme şudur: eğer bir düğüm, çok eski, budanmış veriye atıfta bulunan bir işlemi doğrulamak isterse, ağdan kriptografik bir kanıt (Merkle kanıtı gibi) getirmelidir, bu da küçük bir iletişim gecikmesine yol açar. Ancak analiz, bunun nadir bir olay olduğunu göstermektedir.
Budama mantığı, işlem yaşam döngüsünü anlamaya dayanır. Harcanmış bir işlem çıktısı (UTXO), gelecekteki harcamaları doğrulamak için artık gerekli değildir. Çekirdek mantık modellenebilir. $L$ tam defter olsun. $A(t)$, bir düğümün $t$ zamanına kadar olan bir zaman penceresinde $L$'den yaptığı tüm veri erişimlerinin (okumalar) kümesi olsun. Esas çalışma seti $W$ şu şekilde tanımlanır:
$W = \{ d \in L \mid P(\text{gelecekteki doğrulamada } d \text{ erişimi}) > \tau \}$
Burada $\tau$, deneysel olarak türetilmiş küçük bir olasılık eşiğidir. $W$'de olmayan veri budanabilir. Güvenlik, budanmış veri için Merkle kanıtlarını getirme yeteneğine dayanır; burada kanıt boyutu blok zinciri boyutunda logaritmiktir: $O(\log n)$.
Senaryo: Yeni bir işletme, güvenilir, bağımsız işlem doğrulaması için bir Bitcoin tam düğümü çalıştırmak istiyor ancak depolama altyapısı için sınırlı bir bütçesi var.
Çerçevenin Uygulanması:
Sonuç: İşletme, 370+ GB yerine ~15 GB depolama ile tam doğrulama güvenliğine ulaşır, maliyeti ve karmaşıklığı büyük ölçüde azaltır.
Çekirdek İçgörü: Bu makale, blok zincirinin en sinsi ölçeklenebilirlik darboğazına cerrahi bir darbe indiriyor: durum şişkinliği. Dünya TPS (saniyedeki işlem sayısı) ve enerji tüketimiyle takıntılıyken, Sforzin ve arkadaşları, sürekli, sınırsız depolama büyümesinin merkeziyetsizleşmenin sessiz bir katili olduğunu doğru bir şekilde tespit ediyor. Çalışmaları, tam düğümlerin tüm geçmişi saklamasını gerektiren dogmanın, kriptografik bir gereklilik değil, kendi kendine dayatılan bir kısıtlama olduğunu kanıtlıyor. Gerçek gereksinim, mevcut doğrulama için gerekli olan kanıt taşıyan veri alt kümesini saklamaktır—ki bu, muazzam pratik etkileri olan bir ayrımdır.
Mantıksal Akış: Argüman zarif bir şekilde deneyseldir. Yukarıdan aşağıya bir protokol revizyonu önermek yerine, önce hangi verinin gerçekten kullanıldığını gözlemlemek için düğümleri enstrümanize ediyorlar. Bu veri merkezli yaklaşım, sistem performans optimizasyonundaki en iyi uygulamaları yansıtır; bir uygulamayı optimize etmeden önce profilini çıkarmaya benzer. "Çalışma setinin" ~15 GB olduğu bulgusu, kilit noktadır. Sorunu "Bitcoin'i nasıl değiştiririz?"den "kullanılmayan %95'i nasıl güvenle atarız?"e dönüştürür. Çözüm—akıllı budama + ağdan getirilen Merkle kanıtlarına başvurma—bilgisayar mimarisindeki önbellek çıkarma politikalarının veya modern işletim sistemlerinin bellek sayfalarını yönetme şeklinin arkasındaki ilkeleri hatırlatan, pragmatik mühendisliğin bir ustalık sınıfıdır.
Güçlü Yönler & Kusurlar: Güçlü yanı, dağıtılabilirliğidir. Bir istemci tarafı değişikliği olarak, tartışmalı sert çatallanmalar gerektirmez, bu da benimsemeyi yakın vadede mümkün kılar. Tam düğüm çalıştırma engelini doğrudan düşürür, potansiyel olarak düğüm merkezileşmesi eğilimini tersine çevirebilir. Ancak analizin kusurları vardır. İlk olarak, yeni, ince bir bağımlılık getirir: budanmış düğümler, eski veri için kanıt sağlamak üzere ağa (özellikle budanmamış "arşiv" düğümlerine) güvenmek zorundadır. Bu, iki katmanlı bir düğüm sistemi yaratır ve teorik olarak arşiv düğümleri azalırsa veya kötü niyetli hale gelirse istismar edilebilir. İkinci olarak, Bonneau ve arkadaşlarının Bitcoin güvenliği üzerine "SoK" çalışmalarında belirttiği gibi, bu yaklaşıma benzeyen hafif istemcilerin güvenlik modeli, veri bulunabilirliği hakkında bir güven varsayımı getirdiği için, tam bir arşiv düğümünün güvenlik modelinden kesinlikle daha zayıftır. Makale, bu değişimin uzun kuyruklu güvenlik etkilerini biraz hafife almaktadır.
Harekete Geçirilebilir İçgörüler: Blok zinciri projeleri, özellikle yerleşik PoW zincirleri için bu araştırma, bir "eski zincir ölçeklenebilirliği" paketi için bir şablon niteliğindedir. Acil eylem, bu profil çıkarma ve akıllı budama işlevini Bitcoin Core gibi ana akım istemcilere varsayılan, optimize edilmiş bir seçenek olarak entegre etmektir. Düzenleyiciler ve işletmeler için bu teknoloji, uyumlu, kendi kendini doğrulayan düğümler çalıştırmayı büyük ölçüde daha uygulanabilir hale getirir, üçüncü taraf API sağlayıcılarına olan bağımlılığı azaltır. İleriye bakıldığında, metodoloji Ethereum'un durum ağacına uygulanmalıdır; bu, farklı ancak eşit derecede kritik bir depolama zorluğu sunmaktadır. Nihai içgörü şudur: blok zinciri ölçeklenebilirliği sadece daha hızlı daha fazlasını yapmak değil, sahip olduğumuzla daha akıllıca davranmaktır. Bu çalışma, blok zincirlerini değerli kılan güvenlik garantilerinden ödün vermeden merkeziyetsizleşmeyi sürdürmenin bir yolunu sunarak, bu yönde atılmış çok önemli bir adımdır.