BlockChain Nasıl Çalışır?

Bitcoin: Eşten Eşe Elektronik Para Sistemi

Blockchain teknolojisi, kimliği bilinmeyen ve Satoshi Nakamoto adını kullanan bir kişi veya grup tarafından 2008 yılında yayınlanan “Bitcoin: Eşten Eşe Elektronik Para Sistemi” isimli makalede tanıtılan Bitcoin isimli dijital para ile ayrılamaz bir biçimde bağlıdır. Nakamoto, on yıllardır üzerinde çalışılan Merkle Ağaçları, Hash Fonksiyonları, Açık Anahtar Şifrelemesi ve Dijital İmzalar gibi kavramları, herhangi bir aracı kuruma güvenmeyi gerektirmeden dijital varlıkların transfer edilmesine olanak tanıyan ve bugün dijital paralar olarak bilinen eşten eşe ödeme sisteminin taslağını oluşturmak için bir araya getirip harmanlamıştır. Bu kriptografik bileşenlerin oluşturduğu alaşım daha sonraları bilinen şekliyle Blockchain teknolojisidir.

Bitcoin’in ele aldığı en önemli konu, çift harcama yani bir paranın birden fazla defa harcanması probleminin pratik bir çözümü ile birlikte sunduğu mükemmel Bizans Generalleri Problemi çözümüdür. Normal olarak bu problem bankalar veya güvenilen üçüncü parti aracı kurumlar tarafından çözülmüştür fakat Nakamoto, tüm işlemlerin veritabanında kronojik olarak gösterildiğini garanti altına alan zaman damgalı bir sunucu (server) fikrini ortaya atmıştır. Ayrıca yazar herhangi bir zincirin doğru zincir olduğunu belirlemek üzere bir mutabakat mekanizması kurmak için İş Kanıtı (Proof-of-Work) algoritmasını önermiştir. Bu algoritma, kullanıcıların işlemleri onaylama noktasında dürüst olmaları teşvik eden bir sistem meydana getirmiştir. Temel olarak bu sistem, sahte bir işlem yapmanın bedelini potansiyel kazanç için harcanan bedelden daha pahalı hale getirmiştir. Blockchain üzerinde uygun bir mutabakat sistemi olmasaydı blockchain sistemine bir güven olmazdı ve herhangi bir kullanıcı sistemdeki tüm işlem kayıtlarına erişebildiğinden bu kayıt geçmişini istediği gibi değiştirip geçerli zincir olarak yayınlayabilirdi.

İşlemler

İşlemler Blockchain ekosisteminin çekirdeğinde yer alır. İşlemler bir adresten diğerine bir kaç adet bitcoin göndermek kadar basit veya işlin gerektirdiği şartlara bağlı olarak oldukça kompleks bir yapıya sahip olabilirler. Her işlem en az bir adet girdi ve bir adet çıktıdan oluşur. İşlemin girdileri, daha önceki başka işlemleri çıktılarıdır. Başka bir deyişle, bir işlemdeki girdiler, daha önceki işlemlerin henüz harcanmamış olan çıktılarıdır. Eğer bir işlem yeni bir para yaratan işlemse herhangi bir girdi olamaz ve bu yüzden herhangi bir dijital imzaya gerek yoktur. Eğer bir işlem başka bir kullanıcı adresinde bitcoin gönderiyorsa, göndericinin özel anahtarları ile imzalanmasına ve gönderilen dijital paranın kaynağını göstermek için bir önceki işlemin referans olarak gösterilmesi gerekmektedir. Aslında paralar Satoshi olarak temsil edilen, harcanmayan işlem çıktılarıdır (0.00000001 BTC =  Satoshi)

Bir işlemin yaşam döngüsü aşağıdaki adımlardan oluşur:

1. Bir kullanıcı cüzdan yazılımı veya başka bir arayüz olarak işlem gönderir.
2. Cüzdan yazılımı göndericinin özel anahtarı ile işlemi imzalar.
3. İşlem Bitcoin ağı boyunca yayınlanır.
4. Madenci düğümler bir sonraki eklenecek bloğa bu işlemi ekler.
5. Madencilik işlemi başlar ve bir madenci İş kanıtı (PoW) problemini çözdüğünü ve yeni bir blok eklediğini ağ boyunca duyurana dek devam eder.
6. Diğer düğümler bu bloğu onaylar ve bloğu tüm ağa yayarlar. Ayrıca işlemi sağlamak amacıyla onaylama işlemi başlar.
7. Son olarak onaylama işlemleri alıcının cüzdanında belirir ve daha sonra yaklaşık olarak 6 onaydan sonra işlem bitmiş kabul edilir ve onaylanır. 6 onay sayısı önerilen adet olmasına karşın tek bir onaydan sonra dahi işlem bitmiş kabul edilebilir. Beklemenin arkasındaki kilit fikir çift harcama olasılığını fiilen elemiş olmaktır.

Temel Para İşlemleri (Coinbase Transactions)

Temel para işlemi, her zaman madenciler tarafından yapılan ve bir bloktaki ilk işleme verilen isimdir. Yeni paralar üretmek için kullanılır. Bu işlem türü içinde temel para işleminin girdisi olarak davranan, coinbase olarak adlandırılan özel bir alan mevcuttur. Ayrıca bu işlemler 100-byte büyüklüğe kadar keyfi bir verir tutup saklayabilme özelliğine sahiptir. Örneğin Blockchain üzerindeki başlangıç bloğunda Times gazetesinden alınan çok meşhur bir yorum satırı bulunmaktadır:

“The Times 03/Jan/2009 Chancellor on brink of second bailout for banks”

(“Başbakan, bankalar için ikinci kurtarma paketinin eşiğinde”)

Bu mesaj başlangıç bloğunun 3 Ocak 2009 tarihinden önce eklenmediğini kanıtıdır.

İşlem Komisyonu ve İşlemlerin Onaylanması

İşlem komisyonları madenciler tarafından tahsil edilir. Komisyon miktarı yapılmak istenen işlemin boyutuna bağlı olarak değişkenlik gösterir. İşlem komisyonları girdilerin toplamı ve çıktıların toplamı arasındaki fark ile hesaplanır. Komisyonlar madencileri işlemleri onaylama ve yeni bloklar oluşturmaya teşvik etmek için kullanır. Tüm işlemler hafıza havuzu (memory pool) adı verilen yerde son bulur. Burada madenciler, işlemleri öncelik sırasında göre önerilen yeni bloğa eklerler. Örneğin öncelik konusuna komisyon açısından bakıldığında, yüksek komisyonlu işlemler madenciler için her zaman daha önceliklidir. Komisyonlar işlem tiplerine göre değişkenlik gösterebilir. Bunun için gönderim işlemleri ve bloğa katılma işlemleri gibi farklı işlem tipleri için farklı komisyon miktarları ödenir. Bitcoin protokolünde komisyonlar sabitlenmemiştir ve zorunlu değildir. Komisyonsuz işlemler dahi zamana geldiğinde onay işlemine sokulabilir ancak bu çok fazla zaman alacaktır. Çıktıların değerlerinin toplamı, girdilerin değerlerinin toplamından büyükse işlem reddedilebilir.

Bitcoin ağı uçtan uca bir ağdır. Her Bitcoin ucu işleme başladığında bir kaç başka uçla iletişime başlar. Uçlar arasında bir üstünlük yoktur. Bitcoin işlemleri ve blocklar birbirileri arasında paylaşılır. Yeni bir işlem doğrulandığında her uç bunu bağlı oluğu uçlara gönderir. Bu şekilde onaylanan bir işlem 3-4 saniye içinde tüm uçlara ulaşmış olur. Uçlar bu işlemleri ve blockları alır almaz kendileri de doğrularlar. Bu şekilde ağa yapılan olan potansiyel bir saldırı geçersiz sayılmış olur.

Bir işlemin çıktıları başka bir işlemin girdisi olabildiğinden, işlemler birbirlerine dede-baba-torun ilişkisi içinde bağlıdır. Ancak Bitcoin ağı herhangi bir kısıtlama olmayan bir ağ olduğundan bazı durumlarda en alt işlem (torun) diğerlerinden önce sistem tarafından onaylanabilir. Bu durumda işlemlerin bağlı olduğu ilk işlem (dede) onaylanana kadar diğer işlemler bekletilir. Sistemin şişmesinin önüne geçebilmek için bekletilecek işlem sayısı sınırlıdır.

Bir Bloğun Yapısı

Blockchain yapısı birbirleri ile ilişkili bloklardan oluşan bir zincir gibi düşünülebilir. Bu zincir kronolojik şekilde dizilmiştir. Her blok içindeki işlemlere ve kayıt bilgilerine ait bazı önemli bilgiler barındırır. Her bloğun yapısı şu şekilde görünür;

Blok Başlığının Yapısı

Blok başlığı her blokta bulunmak zorunda olan ve içinde versiyon numarası, önceki bloğun özet değeri, merkle kök özet değeri, zaman damgası, zorluk hedefi, ve bloğun nonce değerini barındırır.

Blockchain her bloğun kendinden bir sıra önce gelen blok ile bir önceki bloğun başlığının özet değerini referans olarak tutması vasıtasıyla birbirlerine bağlanan bir blok zinciridir. Bu bağlanma kuralı, işlemlerin bulunduğu blok ve o bloktan önce gelen her bloğun değiştirilmeden hiç bir bloğa ait işlemin değiştirilmeyeceğini garanti altına alır. Bir önceki bloğa bağlanmayan yalnızca tek bir blok vardır. Bu bloğa başlangıç bloğu (genesis block) adı verilir.

Blokların Güvenliği ve Çatallanmalar

Bitcoin protokolü işlem onaylama sürecinde katı kurallar uygulayarak ve madencilik ile çifte harcama girişimlerine güvenlik sağlamaktadır. Bloklar, yalnız katı kurallardan onay aldıktan sonra ve başarılır bir İş Kanıtı (PoW) çözümünden sonra blok zincirine eklenir. Belirli bir bloktan önceki blok sayısına “Blok Yüksekliği” adı verilir. Bir blok zincirinin yüksekliği 527354’tür. İş Kanıtı Blockchain’in güvenliği için kullanılmaktadır. Her blok temel para işlemi dışında bir veya birden fazla işlem barındırır. Bitcoin sisteminde İş Kanıtı ispatını yapan ve bulduğu bloğu zincire ekleten madenciye ödül verilmektedir. Temel para işlemi bu kanıtı yapan madenciye ödül verilen paranın işlemidir. Ancak ödülü kazanan madenci en az 100 blok, yaklaşık 17 saat kazandığı bitcoinleri harcayamaz. Çünkü madencinin ürettiği blok, eş zamanlı olarak başka bir madenci tarafından üretilmiş olabilir ve bloğun çalışmasının ilerki kısımlarında açıklanmış olan öksüz bloklardan biri olma ihtimali vardır. Sadece bloğunu zincire ekletebilen madenci ödül alabilir.

Aranan nonce değeri bir madenci tarafından bulunan ve diğer madenciler hale nonce değerini bulmak için üzerinde çalıştıkları bloklara “bayat blok” adı verilir. Bayat denmesinin sebebi artık üzerinde çalışılmasına gerek duyulmaması kaynaklıdır.

Normal olarak blok zincirinde her bloğu takip eden yalnızca bir blok olabilir. Bazı durumlarda, aynı andan birden çok madenci blok üretir. Bu blokların içerikleri farklı olabilir. Ağdaki diğer düğümler ilk aldıkları bloğu onaylarlar. Her düğüm farklı bir bloğu doğrulayacağından çatallaşma meydana gelir. Fakat uzun vadede bitcoin protokolü gereği, otomatik olarak en uzun zincir geçerli sayılacağından çatalın diğer ucundaki bloklar “yetim bloklar” olarak adlandırılır.

Bitcoin protokolünün dağıtık yapısının doğası gereği, bazı durumlarda ağ normal olarak çatallanabilir. İki düğümün aynı anda geçerli bir bloğu duyurması durumunda, farklı işlemlere sahip iki bloğun bulunduğu bir durum ortaya çıkabilir. Bu arzu edilen bir durum değildir ancak yalnızca en uzun zinciri kabul ederek Bitcoin ağı tarafından üstesinden gelinebilir. Bu durumda küçük zincir, yetim olarak kabul edilir. Eğer kötü niyetli bir kişi ağ içindeki hesaplama gücünün % 51’ini kontrol etmeyi başarabilirse, kendi istediği işlem geçmişine ait olan versiyonu ağa dayatabilir.

Blockchain üzerindeki çatallanmalar Bitcoin protokolü içindeki değişimlere bir giriş olarak meydana gelebilir. Tercihi çatallanma (Soft Fork) durumlarına yalnızca geçmişte onaylanan bloklar artık geçersiz kabul edilir bu şekilde zaman ilerledikçe yeni versiyona ait bloklar % 51 üstünlüğü ele geçireceğinden bütün zincir yeni versiyona geçmiş sayılır. Tercihi çatallanma gündeme geldiğinde yeni protokol özelliklerinden yararlanmak için yalnızca madencilerin güncellenmesi gerekmektedir. Planlanmış güncellemeler muhakkak bir çatal oluşturmaz çünkü tüm kullanıcılar önceden güncellenmiştir. Öte yandan mecburi çatallanma (Hard Fork) durumlarında diğer tüm blokları geçersiz sayar ve tüm kullanıcıların güncellenmesini gerekli kılar. Yeni işlem tipleri gibi güncellemeler tercihi çatallanma ile eklenir ancak blok yapısı değişikliği veya büyük çaplı protokol değişiklikleri mecburi çatallanma ile sonuçlanır.

Blok zinciri yaklaşık olarak 316.1 GB gibi boyuta sahiptir.

Yeni bloklar neredeyse her 10 dakikada bir zincire eklenmeye devam etmekte ve ağ zorluğu zincire eklenen blok sayısının istikrarını sürdürmek için her 2016 blokta bir dinamik olarak güncellemek üzere ayarlanmıştır. Ağ zorluğu şu şekilde hesaplanmaktadır.

Hedef Zorluk = Önceki Zorluk * Geçen Zaman / 2016 * 10 Dakika

Burada önceki zorluk eski zorluk oranını, geçen zaman ise 2016 blok üretmek için geçen zaman temsil eder. Ağ zorluğu temel olarak madenciler tarafından bir blok üretmenin ne kadar zor olduğunu gösterir. Başka bir deyişle özet değeri bulmacasının zorluğunu belirtir.

Madencilik

Madencilik, Blokchain’e yeni bloklar ekleme yoluyla ilerleyen yoğun kaynak (resource-intensive) gerektiren bir süreçtir. Madencilik sürecinde madenci düğümler tarafından onaylanan işlemleri barındıran bloklar blok zincirine eklenir. Bu süreç madenciler tarafından bir bloğun onayı için gereken kaynağın harcandığını garanti altına almak için yoğun kaynak gerektiren şekilde dizayn edilmiştir. Yeni paralar madencilerin gerekli işlem gücü kaynağını harcamasıyla üretilir. Bu süreç bitcoin ekosistemine daha fazla dijital para eklerken ayrıca sistemi dolandırıcılardan ve çifte harcama saldırılarından da korumaktadır.

Yaklaşık olarak yeni bir blok 10 dakikada üretilir. Madenciler yeni bir blok ürettiklerinde ürettikleri bloğa karşılık bir ödül kazanırlar. Bu ödül o bloktaki ilk işlem olarak eklenir ve dağıtılır (Coinbase Transaction). Ayrıca bloklarına ekledikleri işlemler için de işlem komisyon ücreti alabilirler. Yeni bloklar yaklaşık olarak sabit bir oranda üretilir. Ayrıca üretilen bitcoin oranı her 210.000 blokta yani yaklaşık 4 yılda bir yarı yarıya azaltılmaktadır. Bitcoin ilk ortaya çıktığında her blok için ödül olarak 50 bitcoin dağıtılmaktaydı. Daha sonra 2012 yılında bu sayı 25 bitcoin, 2016’da ise 12.5 bitcoin seviyesine düşürülmüştür. Bundan sonraki azalma 2016 yılında olmuş ve verilen ödül 6.25 bitcoin olarak güncellenmiştir.

Her gün yaklaşık olarak 144 blok üretilmektedir ve bu günde 1.728 bitcoin üretildiği anlamına gelmektedir. Günlük üretilen 144 adet blok sayısının sabit olmasına karşın bir gün içinde üretilen bitcoin sayısı günden güne değişebilir. Bitcoin arzı sınırlıdır ve 2140 yılında toplam 21 milyon adet üretilmesiyle sona erecektir ve o tarihten sonra herhangi bir bitcoin üretmek mümkün olmayacaktır. Buna karşın bitcoin madencileri işlem komisyonlarından gelir elde etmeye devam edebilecektir.

Madencilerin Görevleri

Yeni bir düğüm ağa katıldığında diğer düğümlerden geçmiş blokların dökümünü talep etmek suretiyle kendi kullandığı cihaza indirir. Ancak bu sadece madencilerin görevi değildir. Yalnızca madenci düğümlere ait olan görevler şunlardır;

• İşlem Onayı : Ağ üstünde yayınlanmış işlemlerin dijital imzaları ve çıktıları tam düğümler tarafından soruşturulur ve doğrulanır.
• Blok Onayı : Madenciler ve tam düğümler tarafından alınan bloklar belirli kurallara göre değerlendirilerek onaylama işlemine başlanır. Bu kurallar blok içindeki her işlemin onaylanmasını ve bunun yanında bloğa ait nonce değerinin doğrulanmasını gerektirir.
• Yeni Blok Üretmek : Madenciler ağ içinde yayılmış olan işlemleri onları onayladıktan sonra bir araya getirerek yeni bir blok önerisi sunar.
• İş Kanıtını Gerçekleştirmek : Bu görev madencilik sürecinin kalbidir ve madencilerin hesaba dayalı bir bulmacayı çözmesi yoluyla geçerli bir blok buldukları kısımdır. Blok başlığı 32-bit büyüklüğünde bir nonce alanı içerir ve madenciler daha önceden hesaplanan zorluk değerinden küçük olan bir özet değeri bulana dek nonce değeri tekrar tekrar değişmesi gerekir.
• Getirme Ödülü : Bir düğüm, bilmeceyi çözdüğünde derhal sonuçları bütün ağ boyunca yarar ve diğer düğümler bunu onaylayıp geçerli bir blok olarak kabul edeler. Burada küçük bir olasılıkla yeni üretilen blok, neredeyse aynı anda bulunan başka bir blokla çakıştığı için diğer düğümler tarafından onay almayabilir. Ancak onaylandığında madenci bir miktar bitcoin ve ilgili işlem komisyonları ile ödüllendirilir.

İş Kanıtı Algoritması (Proof-of-Work)

İşlemlerin doğru ve kesin bir şekilde onayının gerektiği, güvene dayalı bir ekosisteme sahip olmayan bir ortamda Bitcoin transferi yapılması amaçlandığından beri mutabakat algoritmaları, Blockchain teknolojisiyle oldukça ilgili bir hale gelmiştir. Mutabakat algoritmalarının amacı içinde herhangi bir şekilde geçersiz ve çelişkili işlem içermeyen tek bir adet işlem geçmişinin varlığını garanti altına almaktadır.

Blockchain ağı üzerindeki düğümler yeni eklenen blok içindeki işlemlerden ve emirlerden emin olmak durumundadırlar. Aksi halde, bireysel olarak ortaya çıkmış blok zincir kopyaları türer ve bu durum yeni çatallanmalar ile son bulur. Düğümler farklı dünyaların bakış açısına sahip olacak ve bu çatallanma çözülmedikçe, ağ tek ve benzersiz bir yetkili kronolojiyi sürdüremeyecektir. Bu yüzden tüm Blockchain ağlarında tek bir yetkili uzun zincir yaratmak için dağıtık mutabakat mekanizması gerekmektedir. Bu mekanizma Blockchain ağının tipine göre değişkenlik gösterebilir. İdeal senaryoda, tüm onaylama yetkisine sahip düğümler, bir sonraki blok için işlemleri oylar ve çoğunluğun verdiği karara göre devem edilir. Buna karşı açık bir ağda herhangi bir kişi ağa katılabilir ve bu durum Sybil saldırılarına açık kapı bıraktığından felaket şeklinde sonuçlara yol açabilir. Sybil saldırısı, tek bir rakibin ağdaki birden çok düğümü kontrol ettiği bir saldırı türüdür.

Bitcoin, pahalı bir hesaplama işlemi ile madencilik yaparak bu probleme bir çözüm getirmiştir. Bu sayede tek bir düğümün hesaplama gücü sınırlı olduğundan ağ üzerindeki başka kişilerin kimliğine bürünmek herhangi bir işe yaramayacaktır. Hesaplama gücü ile yapılan bu işe İş Kanıt denmektedir.

İş kanıtı algoritmasında her bloğa ait bir zorluk hedefi vardır. Bu bloktan önceki bloğun özet değeri, o andaki bloğun içindeki işlemler ve nonce değeri toplu olarak hash fonksiyonuna sokulur. Fonksiyondan çıkan değeri bloğa ait zorluk hedefine eşit veya küçük olması beklenir. Hash fonksiyonunun çıktısı eşit olarak dağıtıldığından kesin bir sonuca ulaşmanın kolay olacağı bir şekilde blok oluşturmak imkansızdır. Bu yüzden ağ içindeki madenci bilgisayarlar arasında doğru nonce değerini bulmak için bir yarış meydana gelir. Hedefe ulaşıldığında, hedef ulaşana madenci bunu ağ boyunca yarar ve diğer katılımcılar işlemleri onaylar. Eğer yeterli sayıda doğrulayıcı düğüm işlemleri eklenebilir uygunlukta bulursa işlemlerin olduğu blok zincire eklenmeye kabul edilir. Özetle algoritma şu adımlardan oluşmaktadır:

• Bir önceki bloğun özet değeri ağ içinden alınır.
• Potansiyel işlemler bir blok içinde birleştirilerek ağ boyunca yayılır.
• SHA-256 kullanılarak blok başlığının özet değeri, önceki bloğun özet değer ve nonce değerinin özeti alınır.
• Hash fonksiyonunun çıktısı o andaki zorluk hedefinden küçükse süreç durur.
• Hash fonksiyonunun çıktısı o andaki zorluk hedefinden büyük ise, aynı işlem nonce değeri artırılarak devam edilir. Bitcoin ağındaki hash oranı (saniyede çıkarılan özet sayısı) arttıkça toplamda 32-bit büyüklüğünde ona nonce değeri çok hızlı şekilde tüketilir. Bu sorunu gidermek içi ekstra nonce çözümü eklenmiştir. Her blok içinde olan temel param işlemi (coinbase transaction) madencilere daha geniş bir nonce aralığı sağlamak için ekstra bir nonce kaynağı kullanır.
• Madencilik zorluğu zaman geçtikte artmıştır. Bitcoin üretmek için eskiden bir leptop CPU’su yeterli olurken şimdi ise bu matematik problemi çözmek için sadece bu işe özel tesis edilmiş madencilik merkezleri gerekmektedir.

Buradaki amaç herhangi bir kişiye veya kuruma gereğinden fazla güç vermemek olduğundan, bir bloğun geçerliliği için yapılacak oylamada harcanacak olan kaynağın sınırlı olması tercih edilmiştir. Buradaki sınırlı kaynak işlem gücüdür. Yıllar geçtikçe Moore yasasına göre ve bulut işlemcilerden dolayı işlem gücü gittikçe ucuzlayacağından ve daha ulaşılabilir olacağından bu matematiksel problemin zorluğu kendinden bir önce gelen problemin çözüm süresine ve sıklığına göre düzenlenmiştir. İş kanıtı mekanizmasına yöneltilen ortak eleştiri harcanan iş gücünün aynı zamanda yüksek miktarlarda enerji harcamak demek olduğudur. Madencilik faaliyetini sadece kışın yapan ve cihazlardan çıkan ısıyla evini ısıtan madenciler de mevcuttur.

Kaynaklar : Aziz Çoban, “Bitirme Çalışması”