A self establishing clustered network architecture for blockchain

Abstract

Blockchain technology has branched out into many industries, such as healthcare, manufacturing, agriculture and entertainment, in the shape of both of its public and non-public variants. In principle, blockchain provides these industries with an immutable ledger, allowing the processes in its application environment to be taken care of in a decentralized manner. However, some challenges blockchain has faced to this day remain, such as the degree of its scalability, the level of security it provides and the transparency of the network transactions. In this thesis, a novel approach to a distributed, permission-less blockchain network is explored with the use of hierarchical clustering to gather the nodes based on the latency of their connection to one another. These clusters of nodes are allowed to work on their respective local chains and to add the verified local chains to the actual global chain that is used by the entire system. Network's throughput performance and overall latency are evaluated and compared with other blockchain applications, namely a simulation of the Bitcoin network itself and another approach that makes use of a method called Community Clustering. We collected the data for the correlation in the same environment for our work, Bitcoin and Community Clustering\cite{communityclustering} networks. The comparison of the collected data aligns with our work's clusters to improve the transaction throughput of the network, where an increase in average throughput and a drastic decrease in latency are observed.Blok zinciri teknolojisi gelişerek ve genişleyerek sağlık, imalat, tarım ve eğlence gibi birçok endüstriye, herkese açık ve özel varyantları olacak şekilde ulaşabilmiştir. Temelinde blok zinciri teknolojisi bu endüstrilere uygulama ortamında bulunan işlemlerin merkezsizleştirilmiş bir biçimde oluşmalarını sağlayan değişmez bir kayıt defteri sunar. Ancak blok zinciri teknolojisinin geçmişten günümüze karşılaştığı bazı zorluklar halen varlığını sürdürmektedir. Bu zorluklardan bazıları blok zincirinin ölçeklenebilirlik derecesi, sunuyor olduğu güvenlik seviyesi ve ağda meydana gelen işlem ve hareketlerin saydamlığı olarak sayılabilir. Bu tezde dağıtık, izin gereksinimi olmayan blok zinciri temeline sahip bir ağ yapısına düğümlerin (ağ katılımcılarının) aralarındaki bağlantı gecikmesini esas alan hiyerarşik kümelenme kullanılarak en düşük olanlar birlikte tutulacak şekilde yeni bir yaklaşım araştırılmıştır. Bu düğüm kümelerinin kendi yerel zincirleri üzerinde çalışmaları sağlanıp, ağın kalanı tarafından da onaylanan yerel zincirlerin sistemin geneli tarafından kullanılan global zincire eklenmeleri sağlanmıştır. Ağın verimliliği, ağda işlenebilen iş hacmi ve ağın genel gecikme süreleri değerlendirilmiş ve diğer blok zinciri uygulamaları, Bitcoin\cite{bitcoinwhitepaper} ve Komünite Kümelemesi (Community Clustering)\cite{communityclustering} isimli bir metod kullanan başka bir yaklaşım ile kıyaslanmıştır. Öne sürdüğümüz yöntem, Bitcoin ve Komünite Kümelemesi ağlarının kıyaslanması için gerekli verileri aynı ortamda toplanmıştır. Toplanan verinin kıyaslanmasından elde edilen sonuçlar öne sürdüğümüz yöntemin işlem hacmini iyileştirmeyi hedefleyen kümeleri ile hizalanmakta olup, ağdan elde edilen ortalama işlem hacminde bir artış ve gecikmede de şiddetli bir düşüş olduğu gözlemlenmiştir.