Останні досягнення та застосування консенсусних протоколів блокчейну

Нещодавно в сфері консенсусних протоколів блокчейну було досягнуто значного прогресу, особливо в контексті асинхронного байєсівського толерантного до помилок реплікації станів (BFT SMR) протоколу. Наразі sMVBA з його очікуваною затримкою 10δ став найшвидшим асинхронним MVBA протоколом. Крім того, два нові проєкти протоколів — 2PAC (двоступеневий асинхронний консенсус) та надшвидкісний конвеєрний блок — продемонстрували помітні покращення в пропускній здатності та затримці.

Технологія блокчейн як децентралізована розподілена технологія облікових записів має в своїй основі механізм консенсусу, який безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку блокчейну. Асинхронний механізм консенсусу з байєцінською помилковістю (BFT) став предметом досліджень завдяки своїм перевагам у подоланні затримок у мережі та часткових збоїв вузлів.

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно зламані. Ці процеси спілкуються один з одним через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару публічного та приватного ключів для підпису та верифікації, щоб забезпечити справжність та цілісність повідомлень.

Ціль блокчейн-консенсусного протоколу полягає в тому, щоб забезпечити узгодженість стану блокчейну серед усіх чесних вузлів. Він повинен відповідати основним вимогам до активності, узгодженості та якості P. Наразі основним викликом для асинхронних консенсусних протоколів є підвищення продуктивності при забезпеченні безпеки.

Щоб впоратися з цими викликами, дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищив продуктивність за рахунок спрощення та оптимізації процесу консенсусу. 2PAC має два варіанти: 2PAClean та 2PACBIG. 2PAClean досягає +90% пропускної здатності та очікуваної затримки 9.5δ, складність повідомлення становить O(n²). 2PACBIG є найшвидшим протоколом консенсусу блокчейну з поточною складністю повідомлення O(n³), безвідмовний час виконання одноразового MVBA становить 4δ.

Іншою інновацією є супершвидкий дизайн конвеєрних блоків. Цей дизайн значно зменшує затримки конвеєрних блоків, а при справедливому планувальнику час прийняття рішень конвеєрного блоку навіть менший, ніж у не конвеєрних блоків. Цей механізм гарантує затримки швидкого шляху у всіх виконаннях, не підлягаючи впливу поведінки несправних процесів.

Завдяки теоретичному аналізу та практичним випробуванням, 2PAClean має очікувану затримку в найгіршому випадку 9.5δ, а в хорошому випадку - 6δ. У порівнянні з цим, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, а в хорошому випадку - 6δ. Продуктивність 2PAClean вища, ніж у ланцюгового sMVBA, на 80% до 100%. Час виконання одного MVBA для 2PACBIG становить 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи. Дизайн надшвидкого конвеєрного блоку дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягти часу прийняття рішень у 4δ і 3δ відповідно.

Результати оцінки показують, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність в різних мережевих умовах, особливо в умовах високої затримки та високої частоти збоїв. 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень та обчислювальною складністю, в той час як 2PACBIG реалізує меншу затримку завдяки паралелізації та оптимізації процесу голосування.

Майбутні напрямки досліджень включають подальшу оптимізацію структури протоколу, глибокий аналіз безпеки нового протоколу в різних сценаріях атак, а також впровадження нового протоколу в реальні системи блокчейн.

Ці нові проєкти консенсусу слугують важливим посиланням для розвитку технології блокчейн. Вони не лише теоретично довели свою перевагу, але й продемонстрували відмінну продуктивність у практичних випробуваннях, що надає нові ідеї для досягнення ефективних і безпечних протоколів консенсусу в блокчейні. З поглибленням досліджень та оптимізацією технологій, блокчейн має потенціал відігравати ще важливішу роль у майбутній цифровій економіці.