1. Giriş
Bitcoin ve Ethereum ile simgelenen izinsiz blok zincirleri, merkeziyetsiz sistemlerde devrim yaratmış olsa da önemli ölçeklenebilirlik zorluklarıyla karşı karşıyadır. İş İspatı (PoW) mutabakatının enerji tüketimi yaygın olarak tartışılırken, aynı derecede kritik olan depolama yükü meselesi nispeten daha az ilgi görmüştür. Bu makale, tam blok zinciri düğümlerinin defter verilerini doğrulama için nasıl kullandığını analiz eden öncü bir deneysel çalışma sunmaktadır. Temel bulgu, altta yatan blok zinciri protokolünde herhangi bir değişiklik gerektirmeden, akıllı istemci tarafı stratejileriyle depolama ayak izinin büyük ölçüde azaltılabileceği—Bitcoin için potansiyel olarak yaklaşık 15 GB seviyesine—ve böylece tam düğüm çalıştırma engelinin düşürülebileceğidir.
2. Problem Tanımı ve Arka Plan
2.1 İzinsiz Blok Zincirlerinin Depolama Yükü
Bitcoin gibi blok zincirlerinin güvenliği ve bütünlüğü, tam ve değiştirilemez bir deftere dayanır. Benimsenme arttıkça, defter boyutu da artar. Çalışma zamanında Bitcoin'in defter boyutu 370 GB'ı aşmıştı. Bu muazzam depolama gereksinimi, tam düğüm çalıştırmak isteyen kullanıcılar için başlıca caydırıcıdır ve daha az sayıda varlık tam geçmişi muhafaza edebildiği için merkezileşme risklerine yol açar.
Anahtar Depolama İstatistikleri
Bitcoin Defter Boyutu: >370 GB
Hedef Azaltım (Önerilen): ~15 GB
Azaltım Potansiyeli: ~%96
2.2 Mevcut Hafifletme Stratejileri ve Kısıtlamaları
Önceki çözümler genellikle kontrol noktaları veya parçalama gibi protokol seviyesinde değişiklikler içerir ve bunlar sert çatallar ve topluluk mutabakatı gerektirir. Bitcoin Core bir budama seçeneği sunar, ancak akıllı bir rehberlikten yoksundur—kullanıcılar keyfi olarak bir saklama eşiği (GB veya blok yüksekliği cinsinden) seçmek zorundadır ve bu, Harcanmamış İşlem Çıktılarını (UTXO) doğrulamak için hala gerekli olan verilerin silinme riskini taşır.
3. Metodoloji ve Deneysel Analiz
3.1 Veri Toplama ve Ölçüm Çerçevesi
Araştırma, kapsamlı bir deneysel ölçüm yaklaşımı kullanmış, Bitcoin blok zincirini analiz ederek standart düğüm işlemleri (blok ve işlem doğrulama gibi) sırasında hangi veri öğelerine (işlemler, bloklar, başlıklar) tam olarak erişildiğini anlamaya çalışmıştır.
3.2 Tam Düğüm Veri Kullanım Kalıplarının Analizi
Analiz, tarihsel defterin önemli bir kısmının belirli bir süre sonra nadiren erişildiğini ortaya koymuştur. Doğrulama öncelikle şunlara bağlıdır:
- Mevcut UTXO kümesi.
- İş ispatı doğrulaması için yakın zamandaki blok başlıkları.
- Daha yeni işlemler tarafından referans verilen tarihsel işlemlerin bir alt kümesi.
Bu içgörü, akıllı budamanın temelini oluşturur.
4. Önerilen İstemci Tarafı Depolama Azaltımı
4.1 Yerel Depolama Budama Stratejisi
Önerilen strateji, bir istemci tarafı optimizasyonudur. Bir tam düğüm, eski blokların ham verilerini güvenle silebilirken, kriptografik taahhütleri (blok başlıkları ve Merkle kökleri gibi) ve mevcut UTXO kümesini saklayabilir. Silinen bir işleme daha sonra ihtiyaç duyulursa (örneğin, bir zincir yeniden düzenlemesini doğrulamak için), düğüm onu eşler arası ağdan getirebilir.
4.2 Optimize Edilmiş Veri Saklama Modeli
Model, basit bir yaşa veya boyuta dayalı kesme noktası yerine, bir erişim sıklığı ve bağımlılık analizi kullanır. Gelecekteki doğrulama için gerekli olma olasılığına dayanarak verileri saklar, böylece düğümün zinciri tamamen doğrulama yeteneğini korurken yerel depolama gereksinimini önemli ölçüde azaltır.
5. Sonuçlar ve Performans Değerlendirmesi
5.1 Depolama Ayak İzi Azaltımı
Deneysel değerlendirme, tam bir Bitcoin düğümünün yerel depolama ayak izini yaklaşık 15 GB'a indirebileceğini göstermektedir; bu, tam 370+ GB'lık defterden yaklaşık %96'lık bir azalmadır. Bu, sıkıştırılmış UTXO kümesini ve yakın zamandaki blok başlıklarını içerir.
Şekil: Depolama Ayak İzi Karşılaştırması
Açıklama: "Tam Düğüm Depolaması (370 GB)" ve "Optimize Edilmiş Düğüm Depolaması (15 GB)" karşılaştırmasını yapan bir çubuk grafik. Optimize edilmiş düğüm çubuğu belirgin şekilde daha kısadır ve %96'lık azalmayı görsel olarak vurgular. Optimize edilmiş depolama, UTXO kümesi, yakın başlıklar ve sık erişilen tarihsel verilerin küçük bir önbelleği için kullanılan oranları gösterecek şekilde bölümlenmiştir.
5.2 Hesaplama ve Ağ Yükü
Azaltılmış depolamanın karşılığı, tarihsel verilere ihtiyaç duyulduğunda potansiyel bir ağ isteği artışıdır. Ancak çalışma, normal işletim altında bu yükün ihmal edilebilir olduğunu bulmuştur, çünkü gerekli getirme işlemleri seyrektir ve veriler diğer ağ eşlerinden kolayca temin edilebilir.
6. Teknik Detaylar ve Matematiksel Çerçeve
Optimizasyonun özü, işlem bağımlılık grafiklerini anlamaya dayanır. $G = (V, E)$ köşelerin $V$ işlemleri temsil ettiği ve bir kenarın $(u, v) \in E$ işlem $v$, işlem $u$ tarafından oluşturulan bir çıktıyı harcadığında var olduğu yönlü döngüsüz bir graf olsun. Bir işlem $t_i$'nin "yaşı" ve "bağlantısallığı" modellenebilir. Yeni bir bloğu doğrulamak için $t_i$'ye ihtiyaç duyma olasılığı $P_{access}(t_i)$, zamanla ve mevcut UTXO kümesine olan mesafesiyle azalır.
Saklama için basit bir sezgisel şöyle olabilir: Eğer $age(t_i) < T_{age}$ VEYA $t_i$, son $N$ bloktaki herhangi bir işlemin atasıysa ($k$ atlama içinde) işlem verisini sakla. Burada $T_{age}$, $k$ ve $N$, deneysel erişim kalıplarından türetilen parametrelerdir.
7. Analiz Çerçevesi: Bir Vaka Çalışması
Senaryo: Yeni bir startup, denetim amaçlarıyla bir Bitcoin tam düğümü çalıştırmak istiyor ancak sınırlı bulut depolama bütçesine sahip.
Çerçevenin Uygulanması:
- Veri Profili Çıkarma: Düğüm yazılımı önce bir gözlem modunda çalışır, bir aylık bir süre boyunca hangi blok ve işlemlere erişildiğinin profilini çıkarır.
- Model Kalibrasyonu: Profili çıkarılan verileri kullanarak, saklama sezgiseli için parametreleri kalibre eder (örneğin, $T_{age}$'i 3 ay, $k=5$, $N=1000$ olarak ayarlar).
- Budama Yürütme: Düğüm daha sonra saklama kriterlerini karşılamayan tüm blok verilerini budar, yalnızca blok başlıklarını, UTXO kümesini ve uygun işlem verilerini saklar.
- Sürekli İşletim: Normal işletim sırasında, budanmış bir işlem talep edilirse, düğüm onu iki rastgele eşten getirir ve kullanmadan önce saklanan Merkle köküne karşı doğrular.
Sonuç: Startup, < 20 GB depolama ile tam doğrulama yapan bir düğümü sürdürür ve güvenlik hedeflerine maliyetin çok daha azıyla ulaşır.
8. Gelecekteki Uygulamalar ve Araştırma Yönleri
- Hafif İstemci Güvenlik Geliştirmesi: Bu çalışmadaki teknikler, Basitleştirilmiş Ödeme Doğrulama (SPV) istemcilerinin daha alakalı bir veri alt kümesini önbelleğe alıp doğrulamasına izin vererek güvenliklerini artırabilir.
- Çapraz Blok Zinciri Arşivleme: Özel "arşiv düğümlerinin" tam geçmişi sakladığı, normal düğümlerin optimize edilmiş alt kümeleri sakladığı ve verileri kriptografik kanıtlarla talep üzerine getirdiği standartlaştırılmış, verimli arşivleme protokolleri geliştirmek.
- Katman-2 ile Entegrasyon: Aynı zamanda Katman-2 ağlarına (ör. Lightning Network) katılan düğümler için depolamayı optimize etmek; burada belirli tarihsel veriler daha sık alakalıdır.
- Tahmine Dayalı Budama için Makine Öğrenimi: Hangi tarihsel verilere ihtiyaç duyulacağını daha iyi tahmin etmek için ML modelleri kullanmak, depolama/performans değiş tokuşunu daha da optimize etmek.
9. Kaynaklar
- Sforzin, A., vd. "On the Storage Overhead of Proof-of-Work Blockchains." (Kaynak PDF).
- Nakamoto, S. "Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System." 2008.
- Bitcoin Core Dokümantasyonu. "Pruning." https://bitcoin.org/en/bitcoin-core/features/pruning.
- Buterin, V. "Ethereum Whitepaper." 2014.
- Gervais, A., vd. "On the Security and Performance of Proof of Work Blockchains." ACM CCS 2016.
- Uluslararası Enerji Ajansı (IEA). "Data Centres and Data Transmission Networks." 2022. (Hesaplama yükü bağlamında).
Analist Perspektifi: Dört Adımlı Bir Çözümleme
Temel İçgörü: Bu makale, kritik ancak genellikle gözden kaçan bir içgörü sunuyor: bir Bitcoin tam düğümü için işlevsel depolama gereksinimi 370 GB değil, 15 GB kadar düşük olabilir. Muazzam defter büyük ölçüde soğuk bir arşivdir, aktif çalışma belleği değil. Bu, ölçeklenebilirlik tartışmasını "zinciri nasıl küçültürüz?" sorusundan "ona nasıl akıllıca erişiriz?" sorusuna çeviriyor. Bilgisayar mimarisinde RAM'deki tüm verilerin eşit derecede sıcak olmadığının fark edilmesine benzer; önbellekler işe yarar. Yazarlar, blok zinciri güvenliğinin öncelikle UTXO kümesinin ve başlık zincirinin bütünlüğüne dayandığını, her eski işlemin ham baytlarına değil, doğru bir şekilde tespit etmiştir. Bu, Ethereum araştırma forumlarında tartışılan durumsuz istemciler ve Merkle kanıtları üzerine temel çalışmalarla uyumludur, ancak bunu bugünün Bitcoin'ine pratik bir şekilde uygular.
Mantıksal Akış: Argüman metodik ve ikna edicidir. Sorunu nicelendirerek (370 GB) başlar, mevcut geçici çözümleri (kör budama) eleştirir ve ardından vakasını deneysel kanıtlar—altın standart—üzerine inşa eder. Düğümlerin hangi verileri kullandığını gerçekten ölçerek, spekülasyondan gerçeğe geçerler. Mantıksal sıçrama zariftir: Doğrulama için hangi verilere ihtiyaç duyulduğunu ("çalışma kümesi") biliyorsak, geri kalanını yerel olarak atabilir, yalnızca nadiren ihtiyaç duyulduğunda getirebiliriz. Bu, özellikle tüketici donanımında depolamadan daha ucuz ve bol olan ağ bant genişliği gerçeği için optimize edilmiş klasik bir zaman-uzay değiş tokuşudur.
Güçlü ve Zayıf Yönler: Güçlü yanı, pratikliği ve aciliyetidir. Çatal yok, mutabakat değişikliği yok—sadece daha akıllı istemci yazılımı. Tam düğüm çalıştırma engelini doğrudan düşürür, merkezileşmeyle mücadele eder. Ancak, kusur değiş tokuşun ince yazısındadır. "İhmal edilebilir" ağ yükü, sağlıklı, dürüst bir eş ağı varsayar. Bir ağ bölünmesi veya sofistike bir güneş tutulması saldırısı sırasında, budanmış bir düğümün derin yeniden düzenlemeleri doğrulama yeteneği, eski blokları getiremezse engellenebilir. Ayrıca çok eski işlemleri doğrulama gecikmesini hafifçe artırır. Dahası, Gervais vd. gibi araştırmacıların PoW güvenlik analizlerinde belirttiği gibi, bir düğümün tarihe anında erişimini azaltmak, uç durumlarda, zincirin toplam işini bağımsız olarak doğrulama yeteneğini etkileyebilir. Makale bu güvenlik-verimlilik değiş tokuşlarına daha derinlemesine girebilirdi.
Harekete Geçirilebilir İçgörüler: Blok zinciri geliştiricileri için talimat açıktır: bu veri odaklı, akıllı budamayı varsayılan istemci yazılımına entegre edin. Bitcoin Core'daki mevcut "prune=550" bayrağı kaba bir araçtır; burada önerilen uyarlanabilir modelle değiştirilmelidir. İşletmeler ve madenciler için bu doğrudan bir maliyet tasarrufu önlemidir—bulut depolama faturaları %90'ın üzerinde azaltılabilir. Daha geniş ekosistem için bu araştırma, "blok zincirleri doğası gereği şişkindir" argümanına karşı bir karşı anlatı sağlar. Kutsal mutabakat katmanına dokunmadan, istemci tarafı inovasyon yoluyla önemli ölçeklenebilirlik iyileştirmelerinin mümkün olduğunu gösterir. Bir sonraki adım, bu araştırmayı dağıtılabilir bir standarda dönüştürmek için talep üzerine veri getirme protokolünü verimli ve gizliliği koruyacak şekilde standartlaştırmaktır.