Bitcoin Beyaz Kağıdı: Bir Eşler Arası Nakit Sistemi

PANews editör notu: 31 Ekim 2008’de Satoshi Nakamoto tarafından Bitcoin White Paper yayımlandı, bugün 17. yıl dönümü. Aşağıda, Li Xiaolai tarafından çevrilen White Paper içeriği yer almakta, klasik eseri yeniden hatırlamanız için sunulmuştur.

Özet: Tamamen eşler arası bir elektronik nakit sistemi, çevrimiçi ödemelerin doğrudan bir taraftan diğerine, finansal kurumlara ihtiyaç duymadan gönderilmesini sağlayacaktır. Dijital imzalar kısmi bir çözüm sunsa da, çift harcamanın önlenmesi için hâlâ güvenilir bir üçüncü tarafa ihtiyaç duyulursa, elektronik ödemenin temel avantajı ortadan kalkar. Biz, çift harcama sorununu çözmek için eşler arası bir ağ kullanmayı öneriyoruz. Eşler arası ağ, her Trade için zaman damgası atar; yöntemi: Trade’in hash verisini sürekli büyüyen, hash tabanlı bir iş ispatı zincirine kaydeder, böylece tamamen yeniden yapılmadıkça değiştirilemeyen bir kayıt oluşturur. En uzun zincir, bir yandan tanık olunan olayları ve sırasını kanıtlar, aynı zamanda en büyük CPU Hash Gücü havuzundan geldiğini gösterir. Çoğunluk CPU Hash Gücü iyi niyetli düğümler tarafından kontrol edildiği sürece — yani, ağ saldırmaya çalışan düğümlerle iş birliği yapmadıkları sürece — iyi niyetli düğümler en uzun zinciri oluşturacak ve saldırganlardan daha hızlı olacaktır. Ağın kendisi minimum yapıya ihtiyaç duyar. Bilgi, en iyi çaba ile yayılır, düğümler özgürce girip çıkabilir; ancak katıldıklarında, katılmadıkları sürede olan her şeyin kanıtı olarak en uzun iş ispatı zincirini kabul etmeleri gerekir.

1. Giriş (Introduction)

İnternet ticareti neredeyse tamamen elektronik ödemeleri işlemek için güvenilir üçüncü taraf olarak finansal kurumlara dayanır. Çoğu Trade için bu sistem yeterli olsa da, güvene dayalı modelin doğasında olan kusurlar tarafından engellenir. Tamamen geri döndürülemez Trade’ler aslında mümkün değildir, çünkü finansal kurumlar anlaşmazlıkları arabuluculuk yapmadan önleyemez. Arabuluculuk maliyeti Trade maliyetini artırır, bu da en küçük olası Trade boyutunu sınırlar ve birçok küçük ödeme Trade’ini engeller. Ayrıca, sistem geri döndürülemez hizmetler için geri döndürülemez ödeme sağlayamaz. Geri dönüş olasılığı, her yerde güven ihtiyacını doğurur. Tüccar, müşterilerine karşı dikkatli olmalı, aksi takdirde gereksiz olan daha fazla bilgi talep etmelidir. Belirli bir oranda dolandırıcılık kaçınılmaz kabul edilir. Bu maliyetler ve ödeme belirsizliği, insanlar arasında doğrudan fiziksel para ile ödeme yapıldığında önlenebilir; ancak, taraflardan biri güvenilmez olduğunda iletişim kanalı üzerinden ödeme yapacak bir mekanizma yoktur.

Gerçekten ihtiyacımız olan şey, güvene değil şifreleme kanıtına dayalı bir elektronik ödeme sistemidir; böylece herhangi iki taraf, güvenilir bir üçüncü tarafa ihtiyaç duymadan doğrudan Trade yapabilir. Hash Gücü ile güvence altına alınan geri döndürülemez Trade’ler, satıcıların dolandırıcılıktan korunmasına yardımcı olur ve alıcıların günlük teminat mekanizması kolayca uygulanabilir. Bu makalede, çift harcama sorununa yönelik bir çözüm sunuyoruz; Hash Gücü tabanlı kanıt üreten, zaman sıralı Trade kaydı tutan, eşler arası, dağıtık bir zaman damgası sunucusu kullanıyoruz. Bu sistem, dürüst düğümler toplamda iş birliği yapan saldırganlara göre daha fazla CPU Hash Gücü’ne sahip olduğu sürece güvenlidir.

2. Trade (Transactions)

Bir elektronik madeni parayı, bir dijital imza zinciri olarak tanımlıyoruz. Bir sahip, bir madeni parayı başka birine devrettiğinde, dijital imza zincirinin sonuna şu dijital imzayı ekler: önceki Trade’in hash’i ve yeni sahibin Açık Anahtarı. Alıcı, imzayı doğrulayarak dijital imza zincirinin sahipliğini doğrulayabilir.

Bu yolun sorunu, alıcının önceki sahiplerden hiçbirinin çift harcama yapmadığını doğrulayamamasıdır. Yaygın çözüm, güvenilir merkezi bir otorite veya “darphane” eklemektir; bu otorite her Trade’in çift harcama olup olmadığını kontrol eder. Her Trade’den sonra madeni para darphaneye geri döner, darphane yeni bir madeni para üretir. Böylece, yalnızca darphane tarafından doğrudan üretilen madeni paralar güvenilir ve çift harcanmamış olur. Bu çözümün sorunu, tüm para sisteminin kaderinin darphaneyi işleten şirkete (banka gibi) bağlı olması ve her Trade’in onun üzerinden geçmesidir.

Alıcının, önceki sahiplerin önceki Trade’lerde imza atmadığını doğrulayabileceği bir yol gerekir. Amacımız için, yalnızca en erken Trade geçerlidir, bu nedenle sonraki çift harcama girişimleriyle ilgilenmiyoruz. Bir Trade’in var olmadığını doğrulamanın tek yolu, tüm Trade’leri bilmektir. Darphane modelinde, darphane tüm Trade’leri bilir ve sıralarını doğrulayabilir. Güvenilir bir taraf olmadan bunu başarmak için, Trade kayıtları kamuya duyurulmalı ve katılımcıların aynı benzersiz Trade geçmişini kabul etmesini sağlayan bir sistem gerekir. Alıcı, her Trade gerçekleştiğinde çoğunluk düğümün onun ilk kabul edilen olduğunu kanıtlamalıdır.

3. Zaman Damgası Sunucusu (Timestamp Server)

Çözümümüz, bir zaman damgası sunucusu ile başlar. Zaman damgası sunucusu şöyle çalışır: bir grup (blok) kaydın (öğe) hash’ine zaman damgası atar, ardından hash’i yayar; tıpkı bir gazete gibi veya Usenet’teki bir gönderi gibi [2-5]. Zaman damgası, verinin o anda zaten var olduğunu kanıtlar, aksi takdirde o hash üretilemezdi. Her zaman damgası, hash’inde önceki zaman damgasını içerir, böylece bir zincir oluşur; her yeni zaman damgası, öncekinin ardından eklenir.

4. İş İspatı (Proof-of-Work)

Eşler arası dağıtık bir zaman damgası sunucusu oluşturmak için, gazete veya haber grubu gönderisi yerine Adam Back’in hashcash’ine benzer bir iş ispatı sistemi kullanmamız gerekir. İş ispatı, bir sayı bulmaktır; bu sayı, hash’i çıkarıldığında — örneğin SHA-256 ile hash hesaplandığında — hash’in belirli sayıda 0 ile başlamasını gerektirir. Her ek 0 gereksinimi, iş yükünü üstel olarak artırır ve bu iş yükünün doğrulanması yalnızca bir hash hesaplaması gerektirir.

Zaman damgası ağımızda iş ispatını şöyle uygularız: Blokta sürekli bir nonce eklenir, uygun bir değer bulunana kadar; bu değer, blok hash’inin belirli sayıda 0 ile başlamasıdır. CPU Hash Gücü ile elde edilen sonuç iş ispatını karşıladığında, blok artık değiştirilemez, ancak önceki tüm iş yükü yeniden yapılmadıkça. Yeni bloklar eklendikçe, mevcut bloğu değiştirmek, sonraki tüm blokların işini yeniden yapmak anlamına gelir.

İş ispatı, çoğunluğun kim olduğuna nasıl karar verileceği sorununu da çözer. Eğer “çoğunluk” “bir IP bir oy” ile belirlenirse, çok fazla IP adresi elde eden biri “çoğunluk” olur. İş ispatı özünde “bir CPU bir oy”dur. “Çoğunluk kararı” en uzun zincirle temsil edilir, çünkü en çok iş yükü ona harcanmıştır. Çoğunluk CPU Hash Gücü dürüst düğümler tarafından kontrol edilirse, dürüst zincir en hızlı büyür ve diğer rakip zincirleri geride bırakır. Bir bloğu değiştirmek için, saldırgan o bloğu ve sonraki tüm blokların iş ispatını yeniden yapmak, ardından dürüst düğümlerin işini yakalayıp geçmek zorundadır. Sonraki bölümlerde, gecikmiş bir saldırganın yakalama olasılığının blok sayısı arttıkça üstel olarak düştüğünü gösteriyoruz.

Donanım Hash Gücü’nün genel olarak artması ve zamanla düğüm sayısındaki değişikliklere karşı, iş ispatı zorluğu şöyle belirlenir: Ortalama saatlik blok üretimine dayalı hareketli ortalama. Bloklar çok hızlı üretilirse, zorluk artar.

5. Ağ (Network)

Ağ çalıştırma adımları şunlardır:

1. Tüm yeni Trade’ler tüm düğümlere yayılır;
2. Her düğüm yeni Trade’leri bir blokta paketler;
3. Her düğüm, bu blok için zorlu bir iş ispatı aramaya başlar;
4. Bir blok iş ispatını bulduğunda, bloğu tüm düğümlere yayar;
5. Diğer düğümler, yalnızca şu koşullar sağlanırsa bloğu kabul eder: Tüm Trade’ler geçerli ve çift harcanmamış olmalı;
6. Düğümler, bir sonraki blok oluştururken kabul edilen bloğun hash’ini yeni bloğun önceki hash’i olarak ekleyerek ağı kabul ettiklerini gösterir.

Düğümler her zaman en uzun zincirin doğru olduğuna inanır ve ona yeni veri ekler. İki düğüm aynı anda ağa iki farklı “sonraki blok” versiyonu yayarsa, bazı düğümler birini, diğerleri diğerini önce alır. Bu durumda, düğümler önce aldıkları blokta çalışmaya devam eder, ancak diğer dalı da saklar, eğer o daha uzun zincir olursa. Sonraki iş ispatı bulunduğunda ve bir dal daha uzun zincir olursa, geçici ayrılık sona erer ve diğer dalda çalışan düğümler daha uzun zincire geçer.

Yeni Trade’lerin tüm düğümlere yayılması gerekmez. Yeterince düğüme ulaşırsa, kısa sürede bir blokta paketlenir. Blok yayını, bazı mesajların kaybolmasına izin verir. Bir düğüm bir bloğu almazsa, sonraki bloğu aldığında önceki bloğu kaçırdığını fark eder ve eksik bloğu talep eder.

6. ödüller (Incentive)

Her blokta ilk Trade, özel bir Trade’dir; yeni bir madeni para üretir ve sahibi blok üreticisidir. Bu, düğümlerin ağı desteklemesini ödüllendirir ve madeni paraların dolaşıma girmesini sağlar — bu sistemde merkezi bir otorite madeni para üretimi yoktur. Böylece, sabit miktarda yeni madeni para dolaşıma girer, tıpkı altın madencilerinin kaynaklarını harcayarak altın eklemesi gibi. Bizim sistemimizde harcanan kaynaklar CPU çalışma süresi ve elektrikleridir.

ödüller ayrıca Trade ücretlerinden de gelebilir. Bir Trade’in çıkış değeri giriş değerinden azsa, fark Trade ücretidir; bu ücret, Trade’i bloğa ekleyen düğüme ödül olarak verilir. Belirli miktarda madeni para dolaşıma girdikten sonra, ödüller tamamen Trade ücretlerinden sağlanır ve asla Enflasyon olmaz.

ödüller mekanizması, düğümlerin dürüst kalmasını da teşvik edebilir. Açgözlü bir saldırgan, tüm dürüst düğümlerden daha fazla CPU Hash Gücü elde ederse, bir seçim yapmalıdır: Bu Hash Gücü ile harcadığı parayı geri alarak başkalarını kandırmak mı, yoksa yeni madeni para üretmek mi? Kurallara uymanın daha kârlı olduğunu görecektir; mevcut kurallar, ona diğerlerinden daha fazla madeni para kazandırır, sistemi gizlice yok edip servetini sıfırlamaktan daha kârlıdır.

7. Disk Alanı Geri Kazanımı (Reclaiming Disk Space)

Bir madeni paranın son Trade’i yeterince eski bloklarda ise, önceki harcama kayıtları atılabilir — disk alanı tasarrufu için. Bunu, blok hash’ini bozmadan yapmak için, Trade kayıtlarının hash’i bir Merkle ağacına [7,2,5] dahil edilir ve yalnızca kök blok hash’ine eklenir. Dallar budanarak eski bloklar sıkıştırılır. İç hash’lerin saklanmasına gerek yoktur.

Hiçbir Trade kaydı olmayan bir blok başlığı yaklaşık 80 bayttır. Her on dakikada bir blok üretilirse, 80 bayt x 6 x 24 x 365 = yılda 4.2M. 2008 itibarıyla, çoğu bilgisayar 2GB RAM ile satılıyor ve Moore Yasası’na göre her yıl 1.2GB artıyor; blok başlıklarının RAM’de saklanması sorun olmaz.

8. Basitleştirilmiş Ödeme Doğrulama (Simplified Payment Verification)

Tam bir ağ düğümü çalıştırmadan da ödeme doğrulamak mümkündür. Kullanıcı, iş ispatı olan en uzun zincirin blok başlıklarının bir kopyasına sahip olmalıdır — çevrimiçi düğümlerden en uzun zincir olduğunu doğrulayabilir — ardından Merkle ağacının dalını alır ve Trade’in zaman damgası aldığı bloğa bağlanır. Kullanıcı Trade’i kendisi doğrulayamaz, ancak zincire bağlanarak bir ağ düğümünün Trade’i kabul ettiğini ve sonraki blokların Trade’in ağ tarafından kabul edildiğini doğruladığını görebilir.

Dürüst düğümler ağı kontrol ettiği sürece, doğrulama güvenilirdir. Ancak ağ saldırganlar tarafından kontrol edilirse, doğrulama güvenilir olmaz. Ağ düğümleri Trade kayıtlarını kendileri doğrulayabilir, ancak saldırgan ağı kontrol ederse, basitleştirilmiş doğrulama saldırganın sahte Trade kayıtlarıyla kandırılabilir. Bir çözüm, istemci yazılımının ağ düğümlerinden uyarı almasıdır. Ağ düğümleri geçersiz blok bulursa, uyarı gönderir, kullanıcıya tam blok indirmesini ve Trade tutarlılığını doğrulamasını bildirir. Yüksek Frekans Trade yapan tüccarlar, daha bağımsız güvenlik ve hızlı Trade onayı için kendi tam düğümlerini çalıştırmak isteyebilir.

9. Değerin Birleştirilmesi ve Bölünmesi (Combining and Splitting Value)

Her madeni parayı tek tek işlemek mümkün olsa da, her kuruş için ayrı kayıt tutmak hantal olur. Değerin bölünüp birleştirilmesi için, Trade kayıtları birden fazla giriş ve çıkış içerir. Genellikle, ya tek bir büyük önceki Trade’den bir giriş, ya da küçük miktarların birleşiminden çoklu girişler; en fazla iki çıkış: biri ödeme (alıcıya), gerekirse diğeri para üstü (göndericiye).

Dikkat edilmesi gereken, “fan-out” burada sorun değildir — “fan-out”, bir Trade’in birkaç Trade’e bağlı olması ve onların da daha fazlasına bağlı olmasıdır. Hiçbir Trade’in tam bağımsız geçmiş kopyasını çıkarmak gerekmez.

10. Gizlilik (Privacy)

Geleneksel banka modeli, Trade yapanların ve güvenilir üçüncü tarafın bilgisini başkalarından gizleyerek bir dereceye kadar gizlilik sağlar. Tüm Trade kayıtlarının açık olması gerekliliği bu yöntemi geçersiz kılar. Ancak, gizlilik başka bir yerde bilgi akışını keserek sağlanabilir — Açık Anahtar anonimliği. Kamu, birinin birine belirli miktar gönderdiğini görebilir, ancak kimse belirli bir kişiye işaret eden bilgiye sahip değildir. Bu düzeyde bilgi yayımı, borsa Trade’lerine benzer; yalnızca zaman ve Trade tutarı açıklanır, ancak taraflar bilinmez.

11. Hesaplamalar (Calculations)

Bir saldırganın dürüst zincirden daha hızlı bir alternatif zincir üretmeye çalıştığı bir senaryo varsayalım. Başarılı olsa bile, sistemi belirsiz bir duruma sokamaz; yani, yoktan değer üretemez veya hiç sahip olmadığı parayı alamaz. Ağ düğümleri geçersiz bir Trade’i ödeme olarak kabul etmez ve dürüst düğümler böyle bir Trade içeren bloğu asla kabul etmez. Saldırgan en fazla kendi Trade’lerini değiştirip harcadığı parayı geri almaya çalışabilir.

Dürüst zincir ile saldırgan arasındaki rekabet, binom rastgele yürüyüş ile açıklanabilir. Başarı olayı, dürüst zincire yeni bir blok eklenmesiyle avantajın 1 artması; başarısızlık olayı, saldırgan zincire yeni bir blok eklenmesiyle avantajın 1 azalmasıdır.

Saldırganın geriden gelip yakalama olasılığı, kumarbazın iflası problemine benzer. Sonsuz fişi olan bir kumarbaz, borçla başlar, sonsuz kez oynayabilir, amacı borcu kapatmaktır. Nihayet borcu kapatma olasılığını, yani saldırganın dürüst zinciri yakalama olasılığını hesaplayabiliriz[8], şöyle:

Varsaydık ki , saldırganın yakalaması gereken blok sayısı arttıkça başarı olasılığı üstel olarak düşer. Avantajı yoksa, saldırgan başta şanslı olup öne geçemezse, Kazanma Oranı daha da geride kaldıkça sıfıra yaklaşır.

Şimdi, yeni bir Trade’in alıcısının, göndericinin Trade’i değiştiremeyeceğinden emin olmak için ne kadar beklemesi gerektiğini düşünelim. Göndericinin saldırgan olduğunu ve alıcıya bir süre ödeme yaptığına inandırıp sonra parayı kendine geri aktarmak istediğini varsayalım. Bu durumda alıcı uyarı alır, ancak gönderici o ana kadar işlemi tamamlamış olmayı umar.

Alıcı yeni bir Açık Anahtar çifti üretir ve imzalamadan hemen önce göndericiye bildirir. Bu, göndericinin zincirdeki blokları önceden hazırlayıp, yeterince şanslıysa öne geçip sonra Trade’i yapmasını engeller. Para gönderildikten sonra, dürüst olmayan gönderici gizlice paralel bir zincirde çalışmaya başlar, oraya Ters bir Trade eklemeye çalışır.

Alıcı, Trade’in bir bloğa eklenmesini ve ardından bir blok daha eklenmesini bekler. Saldırganın ilerlemesini bilmez, ancak dürüst blokların ortalama üretim süresini varsayabilir; saldırganın potansiyel ilerlemesi Poisson dağılımına uyar, beklenen değeri:

Saldırganın hâlâ yakalama olasılığını hesaplamak için, saldırganın mevcut ilerlemesinin Poisson yoğunluğunu, o noktadan yakalama olasılığıyla çarparız:

Yoğunluk dağılımının sonsuz serisini toplamadan yeniden düzenleriz…

C dili programına dönüştürülür…

Kısmi sonuçlar elde edildiğinde, olasılığın Z arttıkça üstel olarak düştüğü görülür:

P %0.1’den küçükse…

12. Sonuç (Conclusion)

Güvene dayalı olmayan bir elektronik Trade sistemi sunduk; başlangıç noktası, dijital imza kullanan sıradan bir madeni para çerçevesidir, sahipliği sağlam kontrol etse de çift harcamayı önleyemez. Bunu çözmek için, iş ispatı mekanizması kullanan bir eşler arası ağda, açık Trade kayıt geçmişi tutmayı öneriyoruz; dürüst düğümler çoğunluk CPU Hash Gücü’nü kontrol ederse, saldırganlar yalnızca Hash Gücü ile sistemi değiştiremeyecektir. Ağın sağlamlığı, yapısız sadeliğindedir. Düğümler çok az koordinasyonla aynı anda çalışabilir. Tanımlanmalarına gerek yoktur, çünkü mesaj yolu belirli bir hedefe bağlı değildir; mesajlar yalnızca en iyi çaba ile yayılır. Düğümler özgürce girip çıkabilir, yeniden katıldıklarında, çevrimdışı oldukları sürede olan her şeyin kanıtı olarak iş ispatı zincirini kabul ederler. CPU Hash Gücü ile oy kullanırlar, zincire yeni geçerli bloklar ekleyerek ve geçersiz blokları reddederek geçerli Trade’leri kabul edip etmediklerini gösterirler. Gerekli tüm kurallar ve ödüller bu Konsensüs mekanizması ile zorla uygulanabilir.