Ketidakmungkinan keadilan sempurna dalam pengurutan transaksi

Selama beberapa dekade, penelitian dalam sistem terdistribusi, terutama dalam konsensus Byzantine dan replikasi mesin keadaan (SMR), telah fokus pada dua tujuan utama: konsistensi dan keberlangsungan. Konsistensi berarti semua node sepakat pada urutan transaksi yang sama, sementara keberlangsungan memastikan sistem terus menambahkan transaksi baru. Namun, properti ini tidak menghentikan aktor jahat untuk mengubah urutan transaksi setelah mereka diterima.

Dalam blockchain publik, kesenjangan dalam jaminan konsensus tradisional ini menjadi masalah serius. Validator, pembangun blok atau sequencer dapat memanfaatkan peran istimewa mereka dalam pengurutan blok untuk keuntungan finansial, praktik yang dikenal sebagai nilai ekstraksi maksimal (MEV). Manipulasi ini termasuk frontrunning yang menguntungkan, backrunning, dan sandwiching transaksi. Karena urutan eksekusi transaksi menentukan keabsahan atau profitabilitas dalam aplikasi DeFi, integritas pengurutan transaksi sangat penting untuk menjaga keadilan dan kepercayaan.

Untuk mengatasi kesenjangan keamanan kritis ini, keadilan urutan transaksi telah diusulkan sebagai properti konsensus ketiga yang penting. Protokol pengurutan yang adil memastikan bahwa urutan akhir transaksi bergantung pada faktor eksternal dan objektif, seperti waktu kedatangan (atau urutan penerimaan), dan tahan terhadap pengurutan ulang oleh pihak jahat. Dengan membatasi kekuasaan yang dimiliki oleh proposer blok untuk mengurutkan ulang transaksi, protokol ini mendekatkan blockchain ke arah transparansi, prediktabilitas, dan ketahanan terhadap MEV.

Paradoks Condorcet dan ketidakmungkinan keadilan ideal

Pengertian keadilan yang paling intuitif dan kuat adalah Keadilan Urutan Penerimaan (ROF). Didefinisikan secara informal sebagai “pertama diterima, pertama diproses,” ROF menyatakan bahwa jika sejumlah transaksi (tx) tiba di mayoritas node lebih awal dari transaksi lain (tx′), maka sistem harus mengurutkan tx sebelum tx′ untuk eksekusi.

Namun, mencapai “keadilan urutan” yang diterima secara universal ini secara fundamental tidak mungkin kecuali diasumsikan bahwa semua node dapat berkomunikasi secara instan (misalnya, beroperasi dalam jaringan eksternal sinkron instan). Hasil ketidakmungkinan ini berasal dari hubungan yang mengejutkan dengan teori pilihan sosial, khususnya paradoks Condorcet.

Paradoks Condorcet menggambarkan bagaimana, bahkan ketika setiap node individu mempertahankan urutan internal transaksi yang transitif, preferensi kolektif di seluruh sistem dapat menghasilkan siklus non-transitif. Misalnya, mungkin mayoritas node menerima transaksi A sebelum B, mayoritas menerima B sebelum C, dan mayoritas menerima C sebelum A. Jadi, ketiga preferensi mayoritas membentuk sebuah loop (A→B→C→A). Ini berarti bahwa tidak ada satu urutan tunggal dan konsisten dari transaksi A, B, dan C yang dapat memenuhi semua preferensi mayoritas secara bersamaan.

Paradoks ini menunjukkan mengapa tujuan mencapai Keadilan Urutan Penerimaan secara sempurna tidak mungkin dalam jaringan asinkron, atau bahkan dalam jaringan sinkron yang berbagi jam yang sama jika penundaan jaringan eksternal terlalu lama. Ketidakmungkinan ini memaksa adopsi definisi keadilan yang lebih lemah, seperti keadilan urutan batch.

Hedera Hashgraph dan kekurangan penandaan waktu median

Hedera, yang menggunakan algoritma konsensus Hashgraph, berusaha mendekati pengertian keadilan urutan penerimaan yang kuat (ROF). Ia melakukannya dengan memberikan setiap transaksi timestamp akhir yang dihitung sebagai median dari semua timestamp lokal node untuk transaksi tersebut.

Namun, ini secara inheren rentan terhadap manipulasi. Sebuah node jahat dapat secara sengaja mengubah timestamp lokalnya dan membalik urutan akhir dari dua transaksi, bahkan ketika semua peserta jujur menerimanya dalam urutan yang benar.

Pertimbangkan contoh sederhana dengan lima node konsensus (A, B, C, D dan E) di mana Node E bertindak jahat. Dua transaksi, tx₁ dan tx₂, disiarkan ke jaringan. Semua node jujur menerima tx₁ sebelum tx₂, sehingga urutan akhir yang diharapkan adalah tx₁ → tx₂.

In dalam contoh ini, adversary menetapkan tx₁ timestamp lebih akhir (3) dan tx₂ lebih awal (2) untuk memanipulasi median.

Ketika protokol menghitung median:

• Untuk tx₁, timestamp (1, 1, 4, 4, 3) menghasilkan median 3.
• Untuk tx₂, timestamp (2, 2, 5, 5, 2) menghasilkan median 2.

Karena timestamp akhir tx₁ (3) lebih besar dari tx₂ (2), protokol mengeluarkan urutan tx₂ → tx₁, membalik urutan sebenarnya yang diamati oleh semua node jujur.

Contoh ini menunjukkan kekurangan kritis: Fungsi median, meskipun tampak netral, secara paradoks menjadi penyebab ketidakadilan karena dapat dieksploitasi oleh peserta tidak jujur untuk memanipulasi urutan transaksi akhir.

Akibatnya, penandaan waktu “adil” Hashgraph sering kali lemah dan tidak menjamin keadilan urutan penerimaan, melainkan bergantung pada set validator berizin daripada jaminan kriptografi.

Mencapai jaminan praktis

Namun, untuk mengatasi ketidakmungkinan teoretis yang ditunjukkan oleh Condorcet, skema keadilan urutan praktis harus merelakan definisi keadilan dalam beberapa hal.

Protokol Aequitas memperkenalkan kriteria Keadilan Urutan Blok (BOF), atau keadilan urutan batch. BOF menyatakan bahwa jika cukup banyak node menerima transaksi tx sebelum transaksi lain tx′, maka tx harus disampaikan dalam sebuah blok sebelum atau bersamaan dengan tx′, artinya tidak ada node jujur yang dapat menyampaikan tx′ dalam blok setelah tx. Ini merelakan aturan dari “harus disampaikan sebelum” (kebutuhan ROF) menjadi “harus disampaikan paling lambat”.

Pertimbangkan tiga node konsensus (A, B dan C) dan tiga transaksi: tx₁, tx₂, dan tx₃. Sebuah transaksi dianggap “lebih awal diterima” jika setidaknya dua dari tiga node (sebagai mayoritas) mengamatinya terlebih dahulu.

If kita terapkan voting mayoritas untuk menentukan urutan global:

• tx₁ → tx₂ (disepakati oleh A dan C)
• tx₂ → tx₃ (disepakati oleh A dan B)
• tx₃ → tx₁ (disepakati oleh B dan C)

Preferensi ini menciptakan sebuah loop: tx₁ → tx₂ → tx₃ → tx₁. Dalam situasi ini, tidak ada satu urutan tunggal yang dapat memenuhi semua pandangan secara bersamaan, yang berarti keadilan ROF yang ketat tidak dapat dicapai.

BOF menyelesaikan ini dengan mengelompokkan semua transaksi yang bertentangan ke dalam satu batch atau blok daripada memaksa satu transaksi datang sebelum yang lain. Protokol ini hanya mengeluarkan:

Blok B₁ = {tx₁, tx₂, tx₃}

Ini berarti bahwa, dari perspektif protokol, ketiga transaksi diperlakukan seolah-olah terjadi pada waktu yang sama. Di dalam blok, penentuan urutan pasti dilakukan dengan penentu pemenang secara deterministik (seperti nilai hash). Dengan cara ini, BOF memastikan keadilan untuk setiap pasangan transaksi dan menjaga konsistensi log transaksi akhir untuk semua orang. Setiap transaksi diproses tidak lebih lambat dari transaksi yang mendahuluinya.

Penyesuaian kecil namun penting ini memungkinkan protokol menangani situasi di mana pengurutan transaksi bertentangan, dengan mengelompokkan transaksi yang bertentangan ke dalam blok atau batch yang sama. Pentingnya, ini tidak menghasilkan pengurutan parsial, karena setiap node harus tetap menyepakati satu urutan linier transaksi. Transaksi dalam setiap blok tetap diatur dalam urutan tetap untuk eksekusi. Dalam kasus di mana tidak ada konflik seperti ini, protokol tetap mencapai properti ROF yang lebih kuat.

Meskipun Aequitas berhasil mencapai BOF, protokol ini menghadapi batasan signifikan, terutama karena kompleksitas komunikasi yang sangat tinggi dan hanya dapat menjamin keberlangsungan lemah. Keberlangsungan lemah berarti bahwa pengiriman transaksi hanya dijamin setelah siklus Condorcet lengkap yang menjadi bagiannya selesai. Ini bisa memakan waktu yang tidak terbatas jika siklus “berantai”.

Protokol Themis diperkenalkan untuk menegakkan properti BOF yang sama kuat, tetapi dengan kompleksitas komunikasi yang lebih baik. Themis mencapai ini dengan menggunakan tiga teknik: Batch Unspooling, Deferred Ordering, dan Jaminan Intra-Batch yang Lebih Kuat.

Dalam bentuk standarnya, Themis mengharuskan setiap peserta bertukar pesan dengan sebagian besar node lain di jaringan. Jumlah komunikasi yang diperlukan meningkat dengan kuadrat jumlah peserta jaringan. Namun, dalam versi yang dioptimalkan, SNARK-Themis, node menggunakan bukti kriptografi ringkas untuk memverifikasi keadilan tanpa perlu berkomunikasi langsung dengan setiap peserta lain. Ini mengurangi beban komunikasi sehingga hanya tumbuh secara linier, memungkinkan Themis untuk skala secara efisien bahkan di jaringan besar.

Misalnya, lima node (A–E) yang berpartisipasi dalam konsensus menerima tiga transaksi: tx₁, tx₂, dan tx₃. Karena latensi jaringan, urutan lokal mereka berbeda:

As dalam Aequitas, preferensi ini menciptakan siklus Condorcet. Tetapi alih-alih menunggu seluruh siklus terselesaikan, Themis menjaga sistem tetap berjalan dengan menggunakan metode yang disebut batch unspooling. Ia mengidentifikasi semua transaksi yang merupakan bagian dari siklus dan mengelompokkannya ke dalam satu set, yang disebut komponen yang sangat terhubung (SCC). Dalam kasus ini, ketiga transaksi termasuk dalam SCC yang sama, yang kemudian Themis keluarkan sebagai batch dalam proses, diberi label Batch B₁ = {tx₁, tx₂, tx₃}.

Dengan melakukan ini, Themis memungkinkan jaringan untuk terus memproses transaksi baru meskipun urutan internal Batch B₁ masih dalam finalisasi. Ini memastikan sistem tetap hidup dan menghindari stagnasi.

Ikhtisar:

Konsep keadilan sempurna dalam pengurutan transaksi mungkin tampak sederhana. Siapa pun transaksi yang mencapai jaringan terlebih dahulu harus diproses terlebih dahulu. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh paradoks Condorcet, ideal ini tidak dapat dipertahankan dalam sistem terdistribusi nyata. Node yang berbeda melihat transaksi dalam urutan yang berbeda, dan ketika pandangan tersebut bertentangan, tidak ada protokol yang dapat membangun satu urutan “benar” secara universal tanpa kompromi.

Hashgraph Hedera mencoba mendekati ideal ini dengan median timestamp, tetapi pendekatan ini lebih bergantung pada kepercayaan daripada bukti. Seorang peserta tidak jujur dapat mengubah median dan membalik urutan transaksi, menunjukkan bahwa “penandaan waktu adil” sebenarnya tidak benar-benar adil.

Protokol seperti Aequitas dan Themis melangkah maju dengan mengakui apa yang dapat dan tidak dapat dicapai. Alih-alih mengejar yang tidak mungkin, mereka mendefinisikan ulang keadilan dengan cara yang tetap menjaga integritas urutan dalam kondisi jaringan nyata. Yang muncul bukanlah penolakan terhadap keadilan, tetapi evolusinya. Evolusi ini membedakan secara jelas antara keadilan yang dipersepsikan dan keadilan yang terbukti. Ini menunjukkan bahwa integritas urutan transaksi yang sesungguhnya dalam sistem desentralisasi tidak dapat bergantung pada reputasi, kepercayaan validator, atau kontrol berizin. Ia harus berasal dari verifikasi kriptografi yang tertanam dalam protokol itu sendiri.

Artikel ini tidak berisi saran investasi atau rekomendasi. Setiap langkah investasi dan perdagangan melibatkan risiko, dan pembaca harus melakukan riset sendiri saat membuat keputusan.

Artikel ini untuk tujuan informasi umum dan tidak dimaksudkan sebagai nasihat hukum atau investasi. Pandangan, pemikiran, dan opini yang diungkapkan di sini adalah milik penulis sendiri dan tidak harus mencerminkan pandangan dan opini Cointelegraph.

Cointelegraph tidak mendukung konten artikel ini maupun produk apa pun yang disebutkan di dalamnya. Pembaca harus melakukan riset sendiri sebelum mengambil tindakan terkait produk atau perusahaan yang disebutkan dan bertanggung jawab penuh atas keputusan mereka.