Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Технологія блокчейн як децентралізована розподілена технологія бухгалтерського обліку, забезпечує цілісність і узгодженість даних через механізм консенсусу. Механізм консенсусу є основою системи блокчейн, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку блокчейну. Асинхронний байєрський механізм толерантності до помилок (BFT) має унікальні переваги у боротьбі з затримками в мережі та частковими збоями вузлів, тому став предметом активного дослідження.

Цей звіт досліджує сучасний стан розвитку протоколів консенсусу блокчейну, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях у протоколі асинхронного байєзентинського толерантного стану машина реплікації (BFT SMR). Найшвидшим асинхронним протоколом на сьогодні є 2-chain VABA, але через наявність вразливостей його очікувана затримка 9.5δ не була досягнута. Тому sMVBA став наразі найшвидшим асинхронним MVBA протоколом з очікуваною затримкою 10δ. Звіт також пропонує два нові дизайни протоколів, а саме 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус) та надшвидку конвеєрну блокчейн, демонструючи значні поліпшення в пропускній спроможності та затримці.

Моделі та визначення

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно знищені супротивником. Ці процеси спілкуються між собою через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару відкритого та закритого ключів для підпису та перевірки, що забезпечує автентичність та цілісність повідомлень.

Блокчейн Консенсус

Блокчейн Консенсус протокол має на меті забезпечити узгодженість стану Блокчейну між всіма чесними вузлами. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у Блоки, забезпечуючи узгодженість цих Блоків на всіх чесних вузлах через Консенсус протокол. Блокчейн Консенсус протокол має відповідати кільком основним вимогам:

• Активність: в безкінечному виконанні існує безмежно довгий визначений Блокчейн.
• Консенсус: Якщо існує два визначених Блокчейн, то один з них повинен бути префіксом іншого.
• Pякість: у вже вирішеному Блокчейн, частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить принаймні p.

Виклики поточного асинхронного консенсус-протоколу

Нинішній найшвидший асинхронний протокол консенсусу - це 2-chain VABA, його очікуване затримка становить 9.5δ. Однак цей протокол має кілька способів атак, що порушують його консистентність та активність. Наприклад, атаки, що виникають через відсутність перевірки автентифікації, атаки, що використовують підвищення стратегії для перешкоджання активності, та атаки на консистентність, що виникають через послаблення визначення автентифікації лідера. Хоча 2-chain VABA впроваджує деякі нові механізми, такі як паралельне виконання кількох паралельних екземплярів, він все ще не зміг повністю вирішити ці проблеми.

Новий протокол проектування: 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Конкретно, він включає два варіанти:

1. 2PAClean:

   • Реалізовано +90% пропускної здатності та очікувана затримка 9.5δ, складність повідомлення становить O(n²).
   • Поліпшена ефективність протоколу шляхом усунення непотрібних взаємодій та витрат на обчислення.
2. 2. ПАКБІГ:
   • Це наразі найшвидший протокол консенсусу Блокчейн з складністю повідомлення O(n³).
   • Безвідмовний час роботи одноразового MVBA становить 4δ, що значно знижує затримку.

Супер швидкий конвеєр Блок

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрного Блоку, який суттєво зменшує затримку конвеєрного Блоку. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, час ухвалення рішень для конвеєрного Блоку навіть менший, ніж для не конвеєрного Блоку, за умов справедливого планувальника. Цей механізм гарантує затримку швидкого шляху в усіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Результати квантування

За допомогою теоретичного аналізу та практичного тестування, 2PAClean у найгіршому випадку має очікувану затримку 9.5δ, а в хорошому випадку (без відмов і з напівсправедливим планувальником) - 6δ. У порівнянні з цим, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, а в хорошому випадку - 6δ. Таким чином, 2PAClean зменшив затримку у найгіршому випадку на 0.5δ, зберігаючи ту ж затримку у хорошому випадку. Крім того, пропускна здатність 2PAClean в порівнянні з ланцюговим sMVBA покращилася на 80% до 100%, що головним чином пояснюється уникненням непотрібних Блоків та обчислювальних витрат у новому дизайні.

2PACBIG як протокол з комплексністю повідомлень O(n³) має час виконання одноразового MVBA 4δ, що швидше, ніж у всіх існуючих протоколів. Крім того, надшвидка конвеєрна структура блоків дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягти часу прийняття рішень конвеєрних блоків 4δ і 3δ відповідно, що ще більше підвищує продуктивність протоколу.

Обчислювальна оцінка

Для перевірки продуктивності нового протоколу дослідники провели широкі обчислювальні оцінки. Результати показали, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність в різних мережевих умовах, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. Зокрема, 2PAClean досягає гарного балансу між затримкою передачі повідомлень та обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG забезпечує нижчу затримку завдяки паралелізації та оптимізації процесу голосування.

З розвитком технології Блокчейн асинхронний протокол Консенсусу BFT відіграватиме все більш важливу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC та надшвидких конвеєрних Блоків демонструє напрямок розвитку майбутніх протоколів Консенсусу Блокчейн, а саме: досягнення вищої пропускної здатності та нижчої затримки через спрощення структури протоколу та оптимізацію процесу Консенсусу.

Майбутні напрямки досліджень

Майбутні дослідження можуть додатково вивчити наступні напрямки:

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібної передачі повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: детальний аналіз нового протоколу в різних сценаріях атак, щоб забезпечити його надійність у реальному застосуванні.
3. Реальне застосування: впровадження нового протоколу в реальні системи Блокчейн, перевірка його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Цей звіт детально аналізує переваги та недоліки поточних асинхронних Блокчейн-консенсусних протоколів і пропонує два нові проекти протоколів, а саме 2PAC та надшвидку конвеєрну Блок. Нові проекти демонструють значні переваги у підвищенні пропускної здатності та зменшенні затримок, що забезпечує важливі рекомендації для майбутнього розвитку технологій Блокчейн. Ці нові протоколи не лише теоретично довели свою перевагу, але й продемонстрували видатну продуктивність у практичних тестах, що пропонує нові ідеї для досягнення ефективних та безпечних Блокчейн-консенсусних протоколів.

Через постійні дослідження та оптимізацію, Блокчейн-технології відіграватимуть ще більш важливу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління Консенсус-протоколів стане міцною основою для розвитку цієї технології.