Rapport de recherche sur les derniers développements du protocole de consensus Blockchain
Ce rapport explore en profondeur l'état actuel du développement des protocoles de consensus blockchain, en analysant particulièrement les dernières avancées du protocole de réplique d'état tolérant aux fautes de type byzantin asynchrone (BFT SMR). Actuellement, le sMVBA est considéré comme le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un délai prévu de 10δ. Le rapport présente également deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir le 2PAC (consensus asynchrone en 2 phases) et le bloc en pipeline ultrarapide, montrant des améliorations significatives en termes de débit et de latence.
La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à un mécanisme de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur du système Blockchain, et ses performances influencent directement l'évolutivité et la sécurité de la Blockchain. Le mécanisme de consensus de tolérance aux pannes byzantines asynchrones (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux retards réseau et aux défaillances de certains nœuds, devenant ainsi un sujet de recherche clé.
Modèles et définitions
Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être malicieusement compromis par un adversaire. Ces processus communiquent entre eux par des canaux asynchrones, le retard de transmission des messages étant contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.
Blockchain Consensus
Le protocole de consensus Blockchain a pour but de permettre à tous les nœuds honnêtes de parvenir à un accord sur l'état de la Blockchain. Plus précisément, chaque nœud reçoit en permanence de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant par le protocole de consensus que ces blocs sont convenus sur tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus Blockchain doit répondre aux exigences fondamentales suivantes :
Activité (Liveness) : Dans une exécution infinie, il existe une blockchain décidée infinie.
Cohérence (Consistency) : Si deux chaînes de blocs décidées existent, alors l'une d'elles doit être le préfixe de l'autre.
P qualité (P-Quality) : Dans une blockchain décidée, la proportion de transactions soumises par des nœuds honnêtes doit être d'au moins p.
Défis actuels du protocole de consensus asynchrone
Le protocole de consensus asynchrone actuel est confronté à divers types d'attaques qui peuvent compromettre la cohérence et l'activité du protocole. Par exemple, les attaques résultant d'un manque de vérification de l'authentification, les attaques qui entravent l'activité en utilisant des stratégies de promotion, ainsi que les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que certains protocoles aient introduit de nouveaux mécanismes, comme l'exécution parallèle de plusieurs instances, ils n'ont pas encore réussi à résoudre complètement ces problèmes.
Nouveau design de protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)
Sur la base de l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de Consensus. Il comprend spécifiquement deux variantes :
2PAClean :
A réalisé un débit supérieur à 90% et un délai d'attente prévu de 9,5δ, avec une complexité de message de O(n²).
En améliorant l'efficacité du protocole en éliminant les interactions et les frais de calcul inutiles.
2PACBIG :
C'est le protocole de consensus Blockchain le plus rapide avec une complexité de message de O(n³).
Le temps d'exécution unique d'un MVBA sans faute est de 4δ, ce qui réduit considérablement la latence.
Super pipeline Bloc
Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline qui réduit considérablement la latence des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline sous un planificateur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus défaillants.
Résultats quantitatifs
Grâce à l'analyse théorique et aux tests pratiques, le retard attendu dans le pire des cas de 2PAClean est de 9.5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-équitable), il est de 6δ. En comparaison, le retard attendu de sMVBA est de 10δ, et dans de bonnes conditions, il est de 6δ. Par conséquent, 2PAClean a réduit le retard dans le pire des cas de 0.5δ tout en maintenant le même retard en bonne condition. De plus, le débit de 2PAClean a augmenté de 80% à 100% par rapport à la sMVBA en chaîne, principalement en raison de la nouvelle conception qui évite les abandons de blocs inutiles et les frais de calcul.
2PACBIG en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. De plus, la conception de blocs en pipeline ultra-rapide permet à s2PAClean et s2PACBIG d'atteindre respectivement des temps de décision de blocs en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant ainsi encore les performances du protocole.
Évaluation des calculs
Pour valider les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont effectué une évaluation computationnelle approfondie. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à taux de panne élevé. Plus précisément, 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence de messagerie et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG atteint une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.
Avec le développement continu de la technologie Blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration des performances. La conception de 2PAC et des blocs de pipeline ultrarapides montre la direction future du développement des protocoles de consensus Blockchain, à savoir réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.
Directions de recherche futures
Optimisation du protocole : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les échanges de messages et les coûts de calcul inutiles.
Analyse de la sécurité : analyser en profondeur la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque pour garantir sa fiabilité dans les applications réelles.
Application réelle : appliquer le nouveau protocole aux systèmes Blockchain réels pour vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.
Ce rapport analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus de blockchain asynchrone actuels et propose deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir 2PAC et le bloc de pipeline ultra-rapide. Les nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en termes d'augmentation du débit et de réduction de la latence, fournissant des références importantes pour le développement futur des technologies de blockchain. Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité sur le plan théorique, mais ont également démontré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles idées pour réaliser des protocoles de consensus de blockchain efficaces et sécurisés.
Grâce à des recherches et à des optimisations constantes, la technologie Blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique de demain, tandis que la nouvelle génération de protocoles de Consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.
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Nouvelle percée dans le consensus BFT asynchrone : le protocole 2PAC améliore considérablement les performances de la Blockchain.
Rapport de recherche sur les derniers développements du protocole de consensus Blockchain
Ce rapport explore en profondeur l'état actuel du développement des protocoles de consensus blockchain, en analysant particulièrement les dernières avancées du protocole de réplique d'état tolérant aux fautes de type byzantin asynchrone (BFT SMR). Actuellement, le sMVBA est considéré comme le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un délai prévu de 10δ. Le rapport présente également deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir le 2PAC (consensus asynchrone en 2 phases) et le bloc en pipeline ultrarapide, montrant des améliorations significatives en termes de débit et de latence.
La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à un mécanisme de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur du système Blockchain, et ses performances influencent directement l'évolutivité et la sécurité de la Blockchain. Le mécanisme de consensus de tolérance aux pannes byzantines asynchrones (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux retards réseau et aux défaillances de certains nœuds, devenant ainsi un sujet de recherche clé.
Modèles et définitions
Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être malicieusement compromis par un adversaire. Ces processus communiquent entre eux par des canaux asynchrones, le retard de transmission des messages étant contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.
Blockchain Consensus
Le protocole de consensus Blockchain a pour but de permettre à tous les nœuds honnêtes de parvenir à un accord sur l'état de la Blockchain. Plus précisément, chaque nœud reçoit en permanence de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant par le protocole de consensus que ces blocs sont convenus sur tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus Blockchain doit répondre aux exigences fondamentales suivantes :
Défis actuels du protocole de consensus asynchrone
Le protocole de consensus asynchrone actuel est confronté à divers types d'attaques qui peuvent compromettre la cohérence et l'activité du protocole. Par exemple, les attaques résultant d'un manque de vérification de l'authentification, les attaques qui entravent l'activité en utilisant des stratégies de promotion, ainsi que les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que certains protocoles aient introduit de nouveaux mécanismes, comme l'exécution parallèle de plusieurs instances, ils n'ont pas encore réussi à résoudre complètement ces problèmes.
Nouveau design de protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)
Sur la base de l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de Consensus. Il comprend spécifiquement deux variantes :
2PAClean :
2PACBIG :
Super pipeline Bloc
Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline qui réduit considérablement la latence des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline sous un planificateur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus défaillants.
Résultats quantitatifs
Grâce à l'analyse théorique et aux tests pratiques, le retard attendu dans le pire des cas de 2PAClean est de 9.5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-équitable), il est de 6δ. En comparaison, le retard attendu de sMVBA est de 10δ, et dans de bonnes conditions, il est de 6δ. Par conséquent, 2PAClean a réduit le retard dans le pire des cas de 0.5δ tout en maintenant le même retard en bonne condition. De plus, le débit de 2PAClean a augmenté de 80% à 100% par rapport à la sMVBA en chaîne, principalement en raison de la nouvelle conception qui évite les abandons de blocs inutiles et les frais de calcul.
2PACBIG en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. De plus, la conception de blocs en pipeline ultra-rapide permet à s2PAClean et s2PACBIG d'atteindre respectivement des temps de décision de blocs en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant ainsi encore les performances du protocole.
Évaluation des calculs
Pour valider les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont effectué une évaluation computationnelle approfondie. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à taux de panne élevé. Plus précisément, 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence de messagerie et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG atteint une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.
Avec le développement continu de la technologie Blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration des performances. La conception de 2PAC et des blocs de pipeline ultrarapides montre la direction future du développement des protocoles de consensus Blockchain, à savoir réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.
Directions de recherche futures
Ce rapport analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus de blockchain asynchrone actuels et propose deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir 2PAC et le bloc de pipeline ultra-rapide. Les nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en termes d'augmentation du débit et de réduction de la latence, fournissant des références importantes pour le développement futur des technologies de blockchain. Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité sur le plan théorique, mais ont également démontré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles idées pour réaliser des protocoles de consensus de blockchain efficaces et sécurisés.
Grâce à des recherches et à des optimisations constantes, la technologie Blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique de demain, tandis que la nouvelle génération de protocoles de Consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.