ADESS: Çift Harcama Saldırılarını Önlemek İçin Bir İş İspatı Protokolü

İçindekiler

1 Giriş

İş ispatı (PoW) blok zincirlerinin temel zafiyeti, saldırganların daha önce yayınlanmış blokları çatallayarak ve farklı işlem dizilerine sahip alternatif zincir segmentleri oluşturarak işlem geçmişini yeniden yazma olasılığında yatar. Saldırganın zinciri mevcut kanonik zincirden daha fazla madencilik bulmacası zorluğu biriktirdiğinde, düğümler bunu kanonik olarak tanır ve saldırganların orijinal zincirde kayıtlı token transferlerini geçersiz kıldığı çift harcama saldırılarına olanak sağlar.

2018-2020 yılları arasında Ethereum Classic ve Bitcoin Gold saldırıları gibi gerçek dünya olayları, çift harcamanın pratik tehdidini göstermektedir. ADESS protokol modifikasyonu, saldırgan zincirlerini tanımlamak ve ekonomik cezalar uygulamak için yeni mekanizmalar getirerek bu zafiyeti ele alır.

1.1 İki ADESS modifikasyonu

ADESS, mevcut PoW protokollerine iki temel modifikasyon getirir:

1.1.1 Saldırgan Zincir Tanımlama

Protokol, zamansal sıra desenlerini analiz ederek potansiyel saldırgan zincirlerini tanımlar. Ortak bir ata bloğa ("çatallanma-bloğu") sahip zincirleri karşılaştırırken, ADESS, çatallanma-bloğundan itibaren ardışık bir minimum blok sayısını en son yayınlayan zincirlere cezalar atar. Bu, saldırganların malları veya hizmetleri aldıktan sonra zincirlerini yayınlamayı geciktirdiği davranış kalıbından yararlanır.

1.1.2 Üstel Ceza Mekanizması

Bir saldırgan zinciri tanımlandığında, ADESS, saldırgan zincirini kanonik hale getirmek için üstel olarak artan hash oranı gereksinimleri uygular. Bu, başarılı saldırıların ekonomik maliyetini önemli ölçüde artırır.

2 Teknik Çerçeve

ADESS, Nakamoto mutabakat protokolüne bir modifikasyon olarak çalışır, geriye dönük uyumluluğu korurken çift harcama saldırılarına karşı güvenliği artırır.

2.1 Matematiksel Temel

ADESS ceza mekanizması matematiksel olarak şu şekilde temsil edilebilir:

$P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$

Burada:

$P_A$ = Saldırgan zincirinin etkin ceza ayarlı zorluğu
$D_A$ = Saldırgan zincirinin gerçek madencilik zorluğu
$\lambda$ = Ceza büyüme oranı parametresi
$\Delta t$ = Zincir yayınları arasındaki zaman gecikmesi

ADESS altında çift harcama saldırısının beklenen maliyeti şu hale gelir:

$E[Maliyet_{ADESS}] = \int_0^T h(t) \times e^{\lambda t} \times c \, dt$

Burada $h(t)$ hash oranı fonksiyonu ve $c$ birim hash oranı başına maliyettir.

2.2 Protokol Uygulaması

ADESS, zincir seçim algoritmasını zamansal analizi dahil edecek şekilde değiştirir. Düğümler, blok yayınlama zamanları hakkında ek meta veriler tutar ve bu bilgiyi zincir yeniden yapılandırma olayları sırasında kullanır.

3 Deneysel Sonuçlar

Araştırmacılar, çeşitli saldırı senaryoları altında ADESS'i geleneksel PoW protokolleriyle karşılaştıran simülasyonlar yürüttü.

3.1.1 Saldırı Başarı Olasılığı

Deneysel sonuçlar, ADESS'in standart PoW protokollerine kıyasla çift harcama saldırısı başarı olasılığını ağ parametrelerine ve saldırgan hash oranı yüzdesine bağlı olarak %45-68 oranında azalttığını göstermektedir.

3.1.2 Ekonomik Maliyet Analizi

Çalışma, herhangi bir işlem değeri için, ADESS'te çift harcama saldırılarının beklenen karını negatif yapan, böylece rasyonel saldırganları etkili bir şekilde caydıran bir ceza ayarı olduğunu göstermektedir.

3.1 Güvenlik Analizi

ADESS, dürüst katılımcılar için geleneksel PoW ile aynı güvenlik garantilerini korurken saldırı maliyetlerini önemli ölçüde artırır. Protokol, madencilik zorluğunun kısa blok aralıkları arasında sık sık ayarlandığı durumlarda en etkilidir.

Saldırı Maliyeti Artışı

2.3x - 5.7x

Başarılı saldırılar için daha yüksek maliyet

Başarı Olasılığı Azalması

%45 - %68

Saldırı başarı oranında azalma

4 Kod Uygulaması

Aşağıda ADESS zincir seçim algoritmasının basitleştirilmiş bir sözde kodu uygulaması bulunmaktadır:

function selectCanonicalChain(chains):
    // Yeterli işe sahip zincirleri filtrele
    valid_chains = filter(lambda c: c.total_difficulty > THRESHOLD, chains)
    
    // Ortak ata bul ve zaman gecikmelerini hesapla
    fork_block = findCommonAncestor(valid_chains)
    time_delays = calculateBroadcastDelays(valid_chains, fork_block)
    
    // ADESS cezasını uygula
    for chain in valid_chains:
        if isPotentialAttacker(chain, time_delays):
            penalty = exp(PENALTY_RATE * time_delays[chain])
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty / penalty
        else:
            chain.effective_difficulty = chain.total_difficulty
    
    // En yüksek etkin zorluğa sahip zinciri seç
    return max(valid_chains, key=lambda c: c.effective_difficulty)

function isPotentialAttacker(chain, delays):
    return delays[chain] > ATTACKER_THRESHOLD

5 Özgün Analiz

ADESS protokolü, İş İspatı blok zinciri güvenliğinde Bitcoin'in başlangıcından bu yana devam eden temel zafiyetleri ele alarak önemli bir ilerlemeyi temsil eder. Yalnızca kümülatif işe odaklanan geleneksel yaklaşımların aksine, ADESS, çok yönlü bir savunma mekanizması oluşturmak için bir güvenlik boyutu olarak zamansal analiz getirir. Bu yaklaşım, Ethereum'un Hisse İspatı'na geçişinin doğrulayıcı davranışına dayalı kesme koşullarını getirmesine benzer şekilde, davranışsal ekonomi ve oyun teorisini içeren blok zinciri güvenliğindeki gelişen eğilimlerle uyumludur.

Teknik bir perspektiften, ADESS'in üstel ceza mekanizması, saldırganlar için ekonomik olarak rasyonel caydırıcılar yaratır. $P_A = D_A \times e^{\lambda \times \Delta t}$ matematiksel formülasyonu, saldırı maliyetlerinin zamanla süper-doğrusal olarak büyümesini sağlayarak sürdürülen saldırıları ekonomik olarak uygulanamaz hale getirir. Bu yaklaşım, Bitcoin'in zorluk ayarlama algoritmasıyla kavramsal benzerlikler paylaşır ancak üstel kavramını madencilik düzenlemesi yerine güvenliğe uygular.

Checkpointing veya Avalanche mutabakatı gibi diğer çift harcama önleme mekanizmalarıyla karşılaştırıldığında, ADESS, PoW'nun merkeziyetsiz doğasını korurken minimal hesaplama yükü ekler. Protokolün simülasyonlardaki etkinliği—saldırı başarı olasılığında %45-68'lik bir azalma göstermesi—pratik uygulanabilirliği gösterir. Ancak, düğümler arasında doğru zaman senkronizasyonuna güvenilmesi, Bitcoin beyaz kağıdının kendisinde tartışılan zaman damgası güvenilirliği sorunlarını anımsatan, dikkatli ağ tasarımı gerektiren uygulama zorlukları sunar.

Araştırma, protokol modifikasyonlarının etkili olmak için devrimci olması gerekmediğini göstererek daha geniş blok zinciri güvenliği manzarasına katkıda bulunur. CycleGAN makalesinde (Zhu ve diğerleri, 2017) belirtildiği gibi, bazen en etkili yenilikler tamamen yeni yaklaşımlardan ziyade mevcut kavramların yaratıcı yeniden birleşiminden gelir. ADESS, yalnızca PoW sistemlerinin ötesinde gelecekteki blok zinciri protokol tasarımlarını etkileyebilecek yeni bir şekilde zamansal analizi ekonomik teşviklerle birleştirerek bu kalıbı izler.

6 Gelecek Uygulamalar

ADESS protokolünün birkaç umut verici gelecek uygulaması ve geliştirme yönü vardır:

6.1 Çapraz Zincir Güvenliği

ADESS prensipleri, çapraz zincir köprülerine ve birlikte çalışabilirlik protokollerine uyarlanabilir; burada zamansal analiz, köprü saldırılarını önlemeye ve çapraz zincir işlemlerinde atomikliği sağlamaya yardımcı olabilir.

6.2 Hibrit Mutabakat Mekanizmaları

Hisse İspatı ve diğer mutabakat algoritmalarıyla entegrasyon, ADESS'in zamansal güvenlik özelliklerinden yararlanırken alternatif mutabakat mekanizmalarının enerji verimliliğinden faydalanan hibrit sistemler yaratabilir.

6.3 Gerçek Zamanlı Ödeme Sistemleri

Kripto para birimi ödeme işlemcileri ve borsaları için, ADESS daha yüksek güvenlik garantileriyle daha hızlı işlem kesinliği sağlayabilir, potansiyel olarak yüksek değerli işlemler için onay sürelerini azaltabilir.

6.4 Akıllı Sözleşme Geliştirmeleri

Gelecekteki çalışmalar, ADESS kavramlarını akıllı sözleşme platformlarına entegre ederek, sözleşmelerin zamansal zincir karakteristiklerine dayalı olarak güvenlik parametrelerini dinamik olarak ayarlamasına izin verebilir.

7 Referanslar

Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: Eşler Arası Elektronik Nakit Sistemi
Wood, G. (2021). Ethereum: Güvenli Merkeziyetsiz Genelleştirilmiş İşlem Defteri
Zhu, J. Y., Park, T., Isola, P., & Efros, A. A. (2017). Eşleştirilmemiş Görüntüden Görüntüye Çeviri için Döngü-Tutarlı Çekişmeli Ağların Kullanımı. IEEE Uluslararası Bilgisayarlı Görü Konferansı
Buterin, V. (2014). Yeni Nesil Akıllı Sözleşme ve Merkeziyetsiz Uygulama Platformu
Garay, J., Kiayias, A., & Leonardos, N. (2015). Bitcoin Omurga Protokolü: Analiz ve Uygulamalar
MIT Dijital Para Birimi Girişimi (2020). %51 Yeniden Yapılandırma İzleyici
Singer, A. (2019). Ethereum Classic %51 Saldırıları: Bir Otopsi
Lovejoy, J. (2020). İş İspatı Blok Zincirlerinde %51 Saldırılarını Anlama ve Hafifletme