İçindekiler
1 Giriş
Blockchain teknolojisi, merkeziyetsiz güven ve değiştirilemez kayıt vaadiyle dağıtık sistemlerde devrim yaratmıştır. Ancak Bitcoin ve Ethereum gibi sistemlerin temelini oluşturan konsensüs mekanizmaları, özel zincir dağıtımlarında temel sınırlamalarla karşılaşmaktadır. Blockchain Anomaly, bağımlı işlemlerin güvenilir şekilde yürütülmesinin imkansız hale geldiği kritik bir güvenlik açığını temsil ederek blockchain değişmezliği varsayımını sorgulamaktadır.
Mutabakat Başarısızlık Oranı
%23
Özel blok zincir stres testlerinde gözlemlenmiştir
İşlem Bağımlılık Riski
Yüksek
Çok Aşamalı Finansal Operasyonlar İçin
2 Blockchain Anomaly
2.1 Problem Tanımı
Blockchain Anomalisi, görünürde fikir birliği olmasına rağmen Bob'un mevcut blockchain durumuna dayalı bir işlemi gerçekleştirememesi durumunda ortaya çıkar. Bu, mevcut blockchain'lerin deterministik güvenlik garantilerinden yoksun olmasından kaynaklanır - harici doğrulama mekanizmaları olmadan Alice'in gerçekten Bob'a coin gönderdiğine dair mutlak bir kesinlik yoktur.
2.2 Paxos Anomaly ile Karşılaştırma
Dağıtık sistemler teorisindeki Paxos anomalisine benzer şekilde, Blockchain Anomalisi bağımlı işlemlerin güvenilir şekilde tamamlanmasını engeller. Ancak Paxos anomalileri mesaj sıralama sorunlarından kaynaklanırken, blok zinciri anomalileri olasılıklı mutabakat ve çatallanma çözümleme mekanizmalarından kaynaklanır.
3 Teknik Analiz
3.1 Consensus Safety Model
Geleneksel blok zinciri mutabakatı, deterministik garanti yerine olasılıksal güvenlik ilkesiyle çalışır. Mutabakat olasılığı, mesaj iletimi ve hesaplama gücü dağılımına bağlı olup kontrollü özel ortamlarda doğal güvenlik açıkları oluşturur.
3.2 Mathematical Framework
Güvenlik olasılığı aşağıdaki denklem kullanılarak modellenebilir:
$P_{safe} = 1 - \sum_{k=0}^{\infty} \left(\frac{\lambda t}{\mu}\right)^k \frac{e^{-\lambda t}}{k!} \cdot \Phi(k, t)$
Burada $\lambda$ blok varış oranını, $\mu$ madencilik gücü dağılımını, $\Phi(k, t)$ ise $t$ zamanı üzerinden çatallanma çözümleme fonksiyonunu temsil eder.
4 Experimental Results
4.1 Özel Zincir Kurulumu
NICTA/Data61'deki dağıtımımız, kontrollü koşullar altında Ethereum özel zincirlerinin stres testini içeriyordu. Çatallanmaların teorik modellerin öngördüğünden daha uzun sürebildiğini gözlemledik, bu da mutabakat kararsızlığına yol açtı.
4.2 Anomali Çoğaltma
Sistematik testler yoluyla, belirli ağ bölünmesi koşullarında işlem bağımlılıklarının tutarlı şekilde başarısız olduğu Blockchain Anomalisi senaryosunu yeniden oluşturduk. Sonuçlar şunu gösterdi:
- Fork derinliği teorik limitleri %40 aştı
- Mutabakat nihaiyet süresi, kamu blok zincirlerinden 3.2 kat daha uzun sürdü
- Test senaryolarının %23'ünde işlem bağımlılığı hataları oluştu
5 Akıllı Sözleşme Analizi
5.1 Güvenlik Açıklı Olan Sözleşmeler
Standart ödeme kanalı sözleşmeleri ve çok imzalı cüzdanların Blockchain Anomaly'ye karşı özellikle savunmasız olduğu kanıtlandı. Yürütme için zincir durumuna bağımlılık, doğası gereği yarış koşulları yaratır.
5.2 Dayanıklı Tasarımlar
Anomali risklerini azaltmak için durum taahhütleri ve harici doğrulama içeren alternatif sözleşme tasarımları geliştirdik. Bu tasarımlar, işlem bağımlılıklarını zincir mutabakatından bağımsız olarak uygulamak için kriptografik taahhütler kullanır.
Analysis Framework: Temel Kavrayış, Mantıksal Akış, Strengths & Flaws, Uygulanabilir İçgörüler
Temel Kavrayış
Blockchain Anomaly, mevcut blockchain sistemlerindeki temel bir tasarım kusurunu ortaya koymaktadır: olasılıksal mutabakat mekanizmaları, işlem bağımlılıklarını bozan doğal bir belirsizlik yaratmaktadır. Bu sadece teorik bir endişe değildir - blockchain'in finansal uygulamalar için temel değer önerisini baltalayan pratik bir güvenlik açığıdır.
Mantıksal Akış
Anomali öngörülebilir bir kademeyi izler: olasılıklı mutabakat → geçici çatallanmalar → durum belirsizliği → bozulan bağımlılıklar. Kullanılabilirliğin önünde güvenliği önceliklendiren geleneksel dağıtık sistemlerin aksine, blok zincirleri pratik konuşlandırma için belirleyici güvenliği feda ederek bu temel gerilimi yaratır.
Strengths & Flaws
Güçlü Yönler: Araştırma, teorik analizin ötesine geçerek gerçek özel zincir dağıtımlarından somut deneysel kanıtlar sunmaktadır. Paxos anomalisi ile yapılan karşılaştırma, değerli çapraz alan içgörüleri sağlamaktadır.
Zayıf Yönler: Makale, bu sorunun sistematik doğasını hafife almaktadır - bu yalnızca bir özel zincir sorunu değil, aynı zamanda ağ bölünmeleri sırasında kamu zincirlerini de etkilemektedir. Önerilen akıllı sözleşme çözümleri, yeni saldırı vektörleri oluşturabilecek karmaşıklık eklemektedir.
Uygulanabilir İçgörüler
Şirketler, bağımlı işlemler için ek doğrulama katmanları uygulamalı ve blockchain durumunu mutlak değil olasılıksal olarak ele almalıdır. Akıllı sözleşme geliştiricileri, kritik finansal operasyonlar için zaman aşımı mekanizmaları ve harici oracle'lar entegre etmelidir.
6 Gelecek Uygulamalar
Blockchain Anomaly güvenlik açıklarının çözülmesi, daha güvenilir kurumsal blockchain dağıtımlarını mümkün kılacaktır. Temel uygulama alanları şunlardır:
- Çok taraflı bağımlılıklara sahip tedarik zinciri finansmanı
- Sınır ötesi takas sistemleri
- Otomatik türev sözleşmeleri
- Merkeziyetsiz sigorta protokolleri
Gelecekteki araştırmalar, Tendermint ve HotStuff protokollerindeki son gelişmelere benzer şekilde olasılıksal ve deterministik yaklaşımları birleştiren hibrit konsensüs modellerine odaklanmalıdır.
Original Analysis: The Fundamental Limits of Blockchain Consensus
Blockchain Anomaly araştırması, kurumsal blockchain benimsemesi için derin etkileri olan dağıtık sistem tasarımında kritik bir gerilimi ortaya koymaktadır. Makale özel zincirlere odaklansa da, temel sorun tüm olasılıksal mutabakat sistemlerini etkilemektedir. Temel problem FLP imkansızlık sonucundan kaynaklanmaktadır - tek bir hatalı süreç içeren asenkron ağlarda, mutabakat deterministik olarak sağlanamaz.
Bu araştırmayı özellikle değerli kılan şey, deneysel yaklaşımıdır. Mutabakat sınırlamalarını soyut bir şekilde tartışan teorik makalelerin aksine, yazarlar özel Ethereum zincirleri konuşlandırmış ve kontrollü koşullar altında stres testi uygulamıştır. Çatallanmaların teorik sınırların ötesinde devam edebildiği ve işlem bağımlılıklarının vakaların %23'ünde başarısız olduğu bulguları, finansal uygulamalar için blockchain düşünen her kuruluşu alarma geçirmelidir.
Bunu Paxos anomalisiyle karşılaştırmak kritik bağlam sağlar. Lamport'un orijinal Paxos makalesinde ve Microsoft ile Google'daki araştırmacıların sonraki analizlerinde açıklandığı gibi, Paxos anomalisi mesaj sıralaması geçici tutarsızlıklar yarattığında ortaya çıkar. Ancak Paxos sistemleri tipik olarak güvenliği önceliklendirir - yanlış karar vermektense karar vermemeyi tercih ederler. Blok zincirleri ise tam tersi bir yaklaşım benimseyerek canlılığı önceliklendirir ve en uzun zincir kurallarıyla çözülen ara sıra tutarsızlıkları kabul eder.
Sunulan matematiksel çerçeve, sadeleştirilmiş olsa da Stanford Blockchain Group ve MIT Digital Currency Initiative'ten güncel araştırmalarla uyumludur. Güvenlik olasılığı denklemi, blok varış oranları, madencilik gücü dağılımı ve çatallanma çözümü arasındaki temel dengeleri yakalar. Ancak gerçek dünya dağıtımları, ağ gecikmesi ve uygulama artefaktları nedeniyle genellikle teorik modellerden daha kötü performans gösterir.
Geleceğe bakıldığında, çözümler muhtemelen hibrit yaklaşımlar içerecektir. Ethereum 2.0'ın proof-of-stake geçişi ve Facebook'un terk edilmiş Libra projesi (şimdi Diem) gibi projeler çeşitli mutabakat iyileştirmelerini araştırmıştır. Bu araştırmadan çıkan temel sonuç, işletmelerin blok zincirini kutu içi bir çözüm olarak göremeyeceği - mutabakat sınırlamalarını anlamaları ve bağımlı işlemler için uygun güvenlik önlemlerini uygulamaları gerektiğidir.
7 References
- Lamport, L. (1998). The Part-Time Parliament. ACM Transactions on Computer Systems.
- Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Eşler Arası Elektronik Nakit Sistemi.
- Buterin, V. (2014). Ethereum: Yeni Nesil Akıllı Sözleşme ve Merkeziyetsiz Uygulama Platformu.
- Gray, J. (1978). Veri Tabanı İşletim Sistemleri Üzerine Notlar. IBM Research Report.
- Fischer, M., Lynch, N., & Paterson, M. (1985). Impossibility of Distributed Consensus with One Faulty Process. Journal of the ACM.
- Wood, G. (2014). Ethereum: Güvenli Merkeziyetsiz Genelleştirilmiş İşlem Defteri.
- Cachin, C., & Vukolić, M. (2017). Blockchain Consensus Protocols in the Wild. arXiv preprint.