Este relatório explora em profundidade o estado atual do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain, com uma análise detalhada dos últimos avanços no protocolo de replicação de máquina de estados tolerante a falhas de Bizâncio assíncrona (BFT SMR). Atualmente, o sMVBA é considerado o protocolo assíncrono MVBA mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O relatório também apresenta dois novos designs de protocolo, nomeadamente o 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e o bloco de pipeline super-rápido, demonstrando melhorias significativas em termos de throughput e latência.
A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, assegura a integridade e consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo dos sistemas blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na resposta a atrasos de rede e falhas de nós, tornando-se, portanto, um foco de pesquisa.
Modelos e Definições
No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos por adversários. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, e o atraso na transmissão de mensagens é controlado pelos adversários. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.
Blockchain Consenso
O protocolo de consenso da Blockchain destina-se a garantir que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Especificamente, cada nó recebe constantemente novas transações e agrupa-as em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos cheguem a um acordo em todos os nós honestos. O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender a alguns requisitos básicos a seguir:
Atividade (Liveness): No processo de execução infinita, existe uma blockchain decidida de comprimento infinito.
Consistência (Consistency): Se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
P-Qualidade (P-Quality): No blockchain decidido, a proporção de transações inseridas por nós honestos deve ser de pelo menos p.
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
O atual protocolo de consenso assíncrono enfrenta o desafio de vários tipos de ataques, que podem comprometer a consistência e a vitalidade do protocolo. Por exemplo, ataques resultantes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de elevação para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência resultantes do relaxamento da definição de autenticação do líder. Embora alguns protocolos tenham introduzido novos mecanismos, como a execução paralela de várias instâncias, esses problemas ainda não foram completamente resolvidos.
Novo protocolo de design: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases)
Com base na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Especificamente, inclui duas variantes:
2PAClean：
Alcançou mais de 90% de throughput e uma latência esperada de 9.5δ, com complexidade de mensagem de O(n²).
Melhorou a eficiência do protocolo ao eliminar interações e sobrecargas de cálculo desnecessárias.
2PACBIG：
É o protocolo de consenso de blockchain mais rápido, com complexidade de mensagem de O(n³).
O tempo de execução de um único MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.
Super rápida linha de produção Bloco
Os investigadores propuseram um novo design de bloco em pipeline que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline, sob um escalonador justo. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.
Resultados de quantificação
Através de análises teóricas e testes práticos, a 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior caso, enquanto no melhor caso (sem falhas e com um escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, e no melhor caso é de 6δ. Assim, a 2PAClean reduziu a latência no pior caso em 0.5δ, mantendo a mesma latência no melhor caso. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean melhorou em 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia, principalmente devido à nova concepção que evita o descarte desnecessário de blocos e sobrecargas computacionais.
2PACBIG como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução MVBA de 4δ, sendo mais rápido que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline super rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Avaliação de Cálculo
Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma extensa avaliação computacional. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram um desempenho excepcional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. Especificamente, o 2PAClean conseguiu um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG alcançou uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.
Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e melhoria do desempenho. O design do 2PAC e do bloco de pipeline ultrarrápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, alcançar uma maior taxa de transferência e menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso.
Direções de Pesquisa Futuras
Protocolo otimizado: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a transmissão de mensagens desnecessárias e os custos computacionais.
Análise de segurança: Análise aprofundada da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo a sua confiabilidade em aplicações práticas.
Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando seu desempenho em ambientes de rede reais.
Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain e propõe dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC e Bloco de Pipeline Ultra Rápido. Os novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria do throughput e na redução da latência, proporcionando uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Estes novos protocolos não só provaram a sua superioridade teoricamente, como também demonstraram um desempenho excecional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso de Blockchain eficientes e seguros.
Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia Blockchain desempenhará um papel ainda mais importante na economia digital do futuro, enquanto a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.
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Nova quebra de paradigma no consenso BFT assíncrono: o protocolo 2PAC melhora significativamente o desempenho da Blockchain
Blockchain Consenso protocolo最新进展研究报告
Este relatório explora em profundidade o estado atual do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain, com uma análise detalhada dos últimos avanços no protocolo de replicação de máquina de estados tolerante a falhas de Bizâncio assíncrona (BFT SMR). Atualmente, o sMVBA é considerado o protocolo assíncrono MVBA mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O relatório também apresenta dois novos designs de protocolo, nomeadamente o 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e o bloco de pipeline super-rápido, demonstrando melhorias significativas em termos de throughput e latência.
A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, assegura a integridade e consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo dos sistemas blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na resposta a atrasos de rede e falhas de nós, tornando-se, portanto, um foco de pesquisa.
Modelos e Definições
No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos por adversários. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, e o atraso na transmissão de mensagens é controlado pelos adversários. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.
Blockchain Consenso
O protocolo de consenso da Blockchain destina-se a garantir que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Especificamente, cada nó recebe constantemente novas transações e agrupa-as em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos cheguem a um acordo em todos os nós honestos. O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender a alguns requisitos básicos a seguir:
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
O atual protocolo de consenso assíncrono enfrenta o desafio de vários tipos de ataques, que podem comprometer a consistência e a vitalidade do protocolo. Por exemplo, ataques resultantes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de elevação para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência resultantes do relaxamento da definição de autenticação do líder. Embora alguns protocolos tenham introduzido novos mecanismos, como a execução paralela de várias instâncias, esses problemas ainda não foram completamente resolvidos.
Novo protocolo de design: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases)
Com base na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Especificamente, inclui duas variantes:
2PAClean：
2PACBIG：
Super rápida linha de produção Bloco
Os investigadores propuseram um novo design de bloco em pipeline que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline, sob um escalonador justo. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.
Resultados de quantificação
Através de análises teóricas e testes práticos, a 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior caso, enquanto no melhor caso (sem falhas e com um escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, e no melhor caso é de 6δ. Assim, a 2PAClean reduziu a latência no pior caso em 0.5δ, mantendo a mesma latência no melhor caso. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean melhorou em 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia, principalmente devido à nova concepção que evita o descarte desnecessário de blocos e sobrecargas computacionais.
2PACBIG como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução MVBA de 4δ, sendo mais rápido que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline super rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Avaliação de Cálculo
Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma extensa avaliação computacional. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram um desempenho excepcional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. Especificamente, o 2PAClean conseguiu um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG alcançou uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.
Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e melhoria do desempenho. O design do 2PAC e do bloco de pipeline ultrarrápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, alcançar uma maior taxa de transferência e menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso.
Direções de Pesquisa Futuras
Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain e propõe dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC e Bloco de Pipeline Ultra Rápido. Os novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria do throughput e na redução da latência, proporcionando uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Estes novos protocolos não só provaram a sua superioridade teoricamente, como também demonstraram um desempenho excecional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso de Blockchain eficientes e seguros.
Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia Blockchain desempenhará um papel ainda mais importante na economia digital do futuro, enquanto a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.