İş Kanıtı Mutabakat Protokollerinin Güvenliğinin Değerlendirilmesi: Çok Metrikli Bir Çerçeve

1. Giriş & Problem Tanımı

Bitcoin'in Nakamoto Mutabakatı'nın (NC) başlangıcından bu yana, yüzlerce kripto para birimi, merkezi olmayan defterleri sürdürmek için İş Kanıtı (PoW) mekanizmalarını benimsemiştir. Ancak, temel araştırmalar NC'deki kritik güvenlik açıklarını, özellikle de mükemmel zincir kalitesine ulaşamamasını ortaya çıkarmıştır. Bu eksiklik, kötü niyetli madencilerin halka açık defteri değiştirmesine olanak tanıyarak, bencil madencilik, çift harcama ve tüy çatallanması gibi saldırıları kolaylaştırır. Buna yanıt olarak, her biri gelişmiş güvenlik iddiasında bulunan çok sayıda "iyileştirilmiş" protokol (ör. Ethereum, Bitcoin-NG, Fruitchains) ortaya çıkmıştır. Ancak, standartlaştırılmış, nicel bir değerlendirme çerçevesinin yokluğunda, bu iddialar akademik ve geliştirici toplulukları içinde kendi kendine ilan edilmiş ve bölücü olmaya devam etmektedir. Bu makale, PoW protokol güvenliğini nesnel olarak analiz etmek için çok metrikli bir çerçeve sunarak ve bunu bugüne kadar hiçbir PoW protokolünün ideal güvenliğe ulaşamadığını ortaya çıkarmak için uygulayarak bu kritik boşluğu ele almaktadır.

2. Güvenlik Değerlendirme Çerçevesi

Önerilen çerçeve, nitel iddiaların ötesine geçerek PoW güvenliği için nicel, karşılaştırılabilir metrikler oluşturur. Zincir kalitesinin, defterin değiştirilemezliğinin kilit noktası olduğu önermesi üzerine inşa edilmiştir.

2.1 Temel Güvenlik Metrikleri

Çerçeve, protokolleri dört temel üzerinde değerlendirir:

1. Zincir Kalitesi (CQ): En uzun zincirdeki uyumlu (dürüst) madenciler tarafından çıkarılan blokların oranı. Biçimsel olarak, $k$ bloğa sahip bir zincir parçası için, $CQ = \frac{\text{\# dürüst blok}}{k}$.
2. Teşvik Uyumluluğu: Rasyonel madencilerin kârlarını protokole uyarak maksimize edip etmediğini ölçer. Burada bir bozulma, bencil madenciliğe karşı savunmasızlığa işaret eder.
3. Boşa Çıkarma Kazancı: Bir saldırganın çift harcama için geçmişi yeniden yazma yeteneğini nicelendirir, genellikle hash gücü $\alpha$ ve onay derinliği $z$'nin bir fonksiyonu olarak modellenir.
4. Sansüre Duyarlılık: Rasyonel madencileri belirli işlemleri hariç tutmaya zorlayan tüy çatallanması saldırılarının uygulanabilirliğini değerlendirir.

2.2 Zincir Kalitesi Zorunluluğu

Düşük zincir kalitesi, blok zincirinin değişmezlik vaadini doğrudan baltalar. Kötü niyetli madenciler dürüst blokları tutarlı bir şekilde değiştirebilirse, işlem geçmişinin anlatımını kontrol ederler. Çerçeve, dürüst hash gücüyle orantılı bir zincir kalitesine ulaşmanın (yani $CQ \geq 1-\alpha$) sağlam güvenlik için gerekli, ancak yeterli olmayan bir koşul olduğunu öne sürmektedir.

2.3 Saldırı Vektörleri & Hasar Modelleri

• Bencil Madencilik: Saldırganlar, dürüst madencilerin işini boşa harcamak için blokları saklar ve orantısız bir ödül payı ($>\alpha$) elde eder.
• Çift Harcama: Bir saldırgan, mallar teslim edildikten sonra bir işlemi değiştirmek için gizlice bir çatal kazar ve orijinal ödemeyi geçersiz kılar.
• Tüy Çatallanması: Bir saldırganın belirli işlemleri içeren blokları yetim bırakma tehdidinde bulunduğu, madencileri bu işlemleri sansürlemeye zorlayan bir zorlama saldırısı.

3. Protokol Analizi & Bulgular

Çerçevenin Markov karar süreci analizi ile uygulanması kesin sonuçlar vermektedir.

3.1 Nakamoto Mutabakatı (NC) Zayıflıkları

NC'nin zincir kalitesinin mükemmel olmadığı kanıtlanmıştır. Hash gücü $\alpha$ olan bir saldırgan, ana zincirde $\alpha$'dan daha büyük bir blok oranı elde edebilir. Bu, analiz edilen üç saldırıya karşı da savunmasızlığının kök nedenidir.

3.2 NC Dışı Protokollerin Analizi

Makale, Ethereum (GHOST), Bitcoin-NG, DECOR+, Fruitchains ve Subchains gibi protokolleri değerlendirmektedir. Temel bulgu: Hiçbiri ideal zincir kalitesine veya üç saldırıya karşı tam dirence ulaşamamıştır. Bazıları bir metriği diğerinin pahasına iyileştirir (ör. daha yüksek zincir büyümesi ancak yeni saldırı vektörleri).

3.3 Güvenlik İkilemi: "Kötüyü Ödüllendirmek" vs. "İyiyi Cezalandırmak"

Analiz, PoW tasarımında temel bir ikilemi ortaya çıkarmaktadır. Algılanan kötü niyetli davranışları (ör. blokları yetim bırakma) agresif bir şekilde cezalandıran protokoller, genellikle ağ gecikmesine yakalanan dürüst madencileri cezalandırarak, ödüllerini azaltır ve katılımı caydırır. Tersine, tüm işi korumak için çatallanmaya aşırı toleranslı protokoller ("kötüyü ödüllendirmek") bencil madenciliği teşvik eder. Bu ödünleşim, mükemmel güvenliğin önündeki temel bir engeldir.

4. Teknik Detaylar & Matematiksel Çerçeve

Değerlendirme, durumların potansiyel bir saldırganın özel çatalının halka açık zincire göre öncülüğünü temsil ettiği bir Markov modeline dayanır. Geçiş olasılıkları, hash gücü dağılımı $\alpha$ (saldırgan) ve $1-\alpha$ (dürüst) ile zincir seçimi ve blok ödülleri için protokole özgü kuralların fonksiyonlarıdır.

Temel Formül (Genelleştirilmiş Saldırı Başarısı): Hash gücü $\alpha$ olan bir saldırganın, çift harcama girişiminde olduğu gibi, $z$ blokluk bir açığı kapatma olasılığı $P_{\text{success}}$ şu şekilde verilir: $$P_{\text{success}}(\alpha, z) = \begin{cases} 1 & \text{eğer } \alpha > 0.5 \\ (\frac{\alpha}{1-\alpha})^z & \text{eğer } \alpha < 0.5 \end{cases}$$ Bu klasik formül (S. Nakamoto'nun Bitcoin teknik belgesinden), NC'nin en uzun zincir kuralından protokole özgü sapmaları hesaba katmak için çerçeve içinde değiştirilmiştir; bu sapmalar etkili "yarış" dinamiklerini değiştirir.

5. Deneysel Sonuçlar & Protokole Özgü Saldırılar

Markov analizi sadece bilinen saldırıları doğrulamakla kalmaz, aynı zamanda yeni, protokole özgü saldırı stratejilerini ortaya çıkarır.

• Ethereum/GHOST için: Çerçeve, "En Açgözlü En Ağır Gözlemlenen Alt Ağaç" kuralının, alt ağaç ağırlığını manipüle etmek için blokları stratejik olarak serbest bırakarak oynanabileceği ve potansiyel olarak bencil madenciliğe yardımcı olabileceği senaryoları tanımlar.
• Bitcoin-NG için: Anahtar blokların (lider seçimi için) ve mikro blokların (işlemler için) ayrılması, bir saldırganın bir lideri gölgede bırakıp mikro bloklarını sansürleyebileceği yeni gecikme tabanlı saldırı vektörleri ortaya çıkarır.
• Grafik İçgörüsü: Simüle edilmiş bir grafik, çeşitli protokollerin (x-ekseni) zincir kalitesini (y-ekseni), saldırgan hash gücü $\alpha$'nın (farklı çizgiler) bir fonksiyonu olarak gösterir. Temel çıkarım: tüm protokol çizgileri, özellikle $\alpha$ 0.3-0.4'e yaklaştıkça, ideal $CQ = 1-\alpha$ çizgisinin altına düşer.

6. Analiz Çerçevesi: Örnek Vaka Çalışması

Vaka: Bencil madenciliğe direnç iddiasında bulunan varsayımsal bir "FastChain" protokolünün değerlendirilmesi.

1. Metrikleri Tanımla: Dört temel metriği uygula. FastChain için, tam blok ödül programına, zincir seçim kuralına ve yetim blok politikasına ihtiyacımız var.
2. Markov Süreci Olarak Modelle: Durumlar = (özel çatalın öncülüğü, halka açık çatal durumu). Geçişler, FastChain'ın beraberlikleri ele alma ve eski blokları ödüllendirme kurallarına bağlıdır.
3. Kararlı Durumu Hesapla: Markov zincirinin kararlı durum dağılımını çöz. Bu, sistemin saldırganın özel bir öncülük üzerinde madencilik yaptığı bir durumda olduğu beklenen zaman oranını verir.
4. Zincir Kalitesini Türet: Kararlı durumdan, dürüst taraflar tarafından kanonik zincirde çıkarılan blokların beklenen uzun vadeli oranını hesapla. Bu, protokolün $CQ$'sidir.
5. Saldırı Direncini Test Et: Model içinde bir bencil madenci stratejisini simüle et. Saldırganın nispi geliri $\alpha$'yı aşıyor mu? Eğer $\text{Gelir}_{\text{saldırgan}} > \alpha$ ise, protokol o saldırı için teşvik uyumluluğu testini geçemez.

Sonuç: Kod olmadan, bu yapılandırılmış süreç, güvenlik iddialarını çürütebilecek veya doğrulayabilecek titiz, nicel bir değerlendirmeyi zorunlu kılar.

7. Gelecek Yönelimler & Uygulama Öngörüsü

Makale, gelecekteki PoW araştırması ve tasarımı için kritik yolları ana hatlarıyla belirtmektedir:

• Gerçekçi Olmayan Varsayımların Ötesine Geçmek: Gelecekteki protokoller, sağlam teşvik uyumluluğu üzerine yapılan çalışmalarda vurgulandığı gibi, baştan itibaren ağ gecikmesini (senkronizasyon) ve rasyonel (sadece dürüst değil) madencileri açıkça modellemeli ve tasarlamalıdır.
• Hibrit Mutabakat Modelleri: Lider seçimi için PoW ile blok sonlandırma için verimli BFT tarzı mutabakatın (ör. Thunderella gibi projelerde araştırıldığı gibi) birleştirildiği pragmatik hibritleri keşfetmek, PoW'nun kalite kusurlarını hafifletebilir.
• Biçimsel Doğrulama & Standartlaştırılmış Kıyaslamalar: Önerilen çerçeve, standart bir kıyaslama paketine evrilmelidir. Yeni protokollerden, kriptografik algoritmaların güvenlik kanıtlarını yayınlamasına benzer şekilde, Markov analiz sonuçlarını yayınlamaları istenebilir.
• Güvenlik Denetimlerinde Uygulama: Bu çerçeve, yeni Katman 1 zincirlerini veya büyük protokol yükseltmelerini (ör. Ethereum'un geçişi) değerlendiren blok zinciri güvenlik denetim firmaları ve araştırmacıları için doğrudan uygulanabilirdir.

8. Referanslar

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Eşler Arası Elektronik Nakit Sistemi.
2. Eyal, I., & Sirer, E. G. (2014). Çoğunluk Yeterli Değil: Bitcoin Madenciliği Savunmasızdır. Financial Cryptography içinde.
3. Sompolinsky, Y., & Zohar, A. (2015). Bitcoin'de Güvenli Yüksek Oranlı İşlem İşleme. Financial Cryptography içinde.
4. Pass, R., Seeman, L., & Shelat, A. (2017). Asenkron Ağlarda Blok Zinciri Protokolünün Analizi. Eurocrypt içinde.
5. Buterin, V. (2014). Ethereum: Yeni Nesil Akıllı Sözleşme ve Merkezi Olmayan Uygulama Platformu.
6. Kiayias, A., vd. (2016). Ouroboros: Kanıtlanabilir Güvenli Hisse Kanıtı Blok Zinciri Protokolü. Crypto içinde. [Harici Kaynak - Alternatif mutabakat analizi örneği]
7. IEEE Access Journal on Blockchain Security & Privacy.

9. Özgün Analiz & Uzman Yorumu