ブロックチェーンコンセンサスプロトコル最新進展研究報告

本報告は、ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展状況を深く探討し、非同期バイザンティン耐障害状態機複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を重点的に分析しています。現在、sMVBAは最も速い非同期MVBAプロトコルと見なされており、予想遅延は10δです。報告書では、2つの新しいプロトコル設計、すなわち2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックが提案されており、スループットと遅延の面で顕著な改善を示しています。

! 業界調査レポート:ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進歩と応用

ブロックチェーン技術は、分散型のデジタル台帳技術として、コンセンサス機構を通じてデータの完全性と一貫性を確保します。コンセンサス機構はブロックチェーンシステムの核心であり、その性能はブロックチェーンのスケーラビリティとセキュリティに直接影響を与えます。非同期ビザンチンフォールトトレランス（BFT）コンセンサス機構は、ネットワーク遅延や部分的なノード障害に対処する上で独自の利点を持っており、そのため研究の重点となっています。

モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1のプロセスで構成されており、その中のfのプロセスは敵によって悪意を持って破壊される可能性があります。これらのプロセスは非同期チャネルを通じて相互に通信し、メッセージの伝達遅延は敵によって制御されます。各プロセスは、メッセージの真実性と完全性を確保するために署名と検証に使用する一対の公開鍵と秘密鍵を持っています。

ブロックチェーンコンセンサス

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、すべての誠実なノードがブロックチェーンの状態について合意に達することを目的としています。具体的には、各ノードは新しいトランザクションを継続的に受信し、それをブロックにパッケージ化し、コンセンサスプロトコルを通じてこれらのブロックがすべての誠実なノードで合意に達することを保証します。ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下のいくつかの基本要件を満たす必要があります。

• 活性（Liveness）：無限に実行される中で、決定された無限長のブロックチェーンが存在する。
• 一貫性（Consistency）：もし二つの決定されたブロックチェーンが存在する場合、そのうちの一つはもう一つの接頭辞でなければなりません。
• P品質（P-Quality）：決定されたブロックチェーンにおいて、誠実なノードが入力した取引の割合が少なくともpであること。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

現在、非同期コンセンサスプロトコルはさまざまな攻撃手法の脅威に直面しており、これらの攻撃はプロトコルの一貫性と活性を損なう可能性があります。たとえば、認証チェックの欠如による攻撃、活性を妨げるためのエスカレーション戦略を利用した攻撃、リーダーの認証定義の緩和による一貫性攻撃などです。一部のプロトコルは複数の並行インスタンスを同時に実行する新しいメカニズムを導入しましたが、これらの問題を完全に解決するには至っていません。

新プロトコル設計：2PAC（2段階非同期コンセンサス）

既存のプロトコルの分析に基づいて、研究者は2PACプロトコルを提案しました。このプロトコルは、コンセンサスプロセスを簡素化および最適化することで、パフォーマンスを大幅に向上させています。具体的には、2つのバリエーションが含まれています：

1. 2PACleanの:

   • +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑度はO(n²)です。
   • 不要なインタラクションと計算オーバーヘッドを排除することで、プロトコルの効率が向上しました。

2. 2パックビッグ:

   • 現在のメッセージの複雑度がO(n³)である最速のブロックチェーンコンセンサスプロトコルです。
   • 障害のない単回MVBA稼働時間は4δで、遅延を大幅に削減しました。

超高速ラインブロック

研究者たちは、新しいパイプラインブロック設計を提案し、パイプラインブロックの遅延を大幅に削減しました。迅速なパス機構を導入することで、公平スケジューラの下で、パイプラインブロックの意思決定時間は非パイプラインブロックよりも短くなります。この機構は、すべての実行において迅速なパスの遅延を保証し、故障したプロセスの動作に影響されません。

結果を定量化する

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanの最悪のケースでの期待遅延は9.5δであり、良好なケース（障害なしおよびスケジューラが半公平な場合）では6δです。対照的に、sMVBAの期待遅延は10δであり、良好なケースでは6δです。したがって、2PACleanは同じ良好なケースの遅延を維持しつつ、最悪のケースの遅延を0.5δ削減しました。さらに、2PACleanのスループットはチェーン式sMVBAに比べて80%から100%向上しており、これは新しい設計で不必要なブロックの廃棄と計算オーバーヘッドを避けたことによるものです。

2PACBIGは、メッセージの複雑性がO(n³)のプロトコルとして、その単回MVBA実行時間は4δであり、既存のすべてのプロトコルよりも速いです。さらに、超高速パイプラインブロック設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのパイプラインブロック決定時間を実現し、プロトコルの性能をさらに向上させました。

評価を計算する

新しいプロトコルの性能を検証するために、研究者たちは広範な計算評価を行いました。結果は、2PACleanと2PACBIGがさまざまなネットワーク条件下で優れた性能を示し、特に高遅延および高故障率の環境で際立っていることを示しました。具体的には、2PACleanはメッセージ伝達遅延と計算の複雑さの間で良いバランスを実現し、2PACBIGは並列化と投票プロセスの最適化を通じて、より低い遅延を達成しました。

ブロックチェーン技術の不断の進展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは安全性を保障し、性能を向上させる上でますます重要な役割を果たすでしょう。2PACと超高速パイプラインブロックの設計は、将来のブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展方向を示しており、プロトコル構造を簡素化し、コンセンサスプロセスを最適化することで、より高いスループットとより低いレイテンシを実現します。

今後の研究の方向性

1. プロトコルの最適化：プロトコルの構造をさらに簡素化し、不要なメッセージの送受信や計算のオーバーヘッドを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルがさまざまな攻撃シナリオにおけるセキュリティを深く分析し、実際のアプリケーションにおける信頼性を確保します。
3. 実際の応用：新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、真のネットワーク環境におけるその性能を検証する。

本報告は、現在の非同期ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの利点と欠点を詳細に分析し、2PACと超高速パイプラインブロックという2つの新しいプロトコル設計を提案しています。新設計は、スループットを向上させ、遅延を減少させる面で顕著な利点を示しており、将来のブロックチェーン技術の発展に重要な参考を提供しています。これらの新しいプロトコルは、理論的にその優位性を証明するだけでなく、実際のテストでも卓越した性能を示しており、高効率で安全なブロックチェーンコンセンサスプロトコルを実現するための新しい視点を提供しています。

! 業界調査レポート:ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進歩と応用

継続的な研究と最適化を通じて、ブロックチェーン技術は今後のデジタル経済においてますます重要な役割を果たすことが期待されており、新世代のコンセンサスプロトコルがこの技術の発展に堅固な基盤を提供します。