Últimos avances y aplicaciones de los protocolos de consenso en blockchain

La tecnología blockchain, como representante de la tecnología de libro mayor distribuido y descentralizado, tiene su núcleo en el mecanismo de consenso. El rendimiento del mecanismo de consenso afecta directamente a la escalabilidad y seguridad del sistema blockchain. Recientemente, el mecanismo de consenso de Tolerancia a Fallos Bizantinos Asincrónico (BFT) se ha convertido en un foco de investigación debido a sus ventajas en la gestión de la latencia de la red y la falla de nodos.

Este artículo explorará en profundidad el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de blockchain, centrándose en analizar los últimos avances del protocolo de replicación de máquinas de estado tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). Actualmente, el protocolo sMVBA se ha convertido en el protocolo asíncrono MVBA más rápido con un retraso esperado de 10δ. También presentaremos dos nuevos diseños de protocolo: 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tubería ultrarrápidos, los cuales han demostrado mejoras significativas en términos de rendimiento y retraso.

Fundamentos del consenso en blockchain

En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos. Los procesos se comunican a través de canales asíncronos, y la latencia en la entrega de mensajes es impredecible. Cada proceso tiene un par de claves públicas y privadas para firmar y verificar, asegurando la autenticidad e integridad de los mensajes.

El objetivo del protocolo de consenso de blockchain es lograr que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la blockchain. Los requisitos principales incluyen:

1. Actividad: En la ejecución infinita, hay una cadena de bloques decidida de longitud infinita.
2. Consistencia: Cualquier dos cadenas de bloques decididas, una de ellas debe ser un prefijo de la otra.
3. Calidad P: Se ha decidido que en la blockchain, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos sea al menos p.

Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono

Aunque el protocolo VABA de 2-chain alguna vez se consideró el protocolo de consenso asincrónico más rápido, con una latencia esperada de 9.5δ, la investigación ha encontrado que presenta múltiples vulnerabilidades de seguridad, que incluyen:

1. Ataques causados por la falta de verificación de certificaciones
2. Utilizar estrategias de mejora para obstaculizar los ataques de actividad.
3. Ataques de consistencia provocados por la ampliación de la definición de certificación de líderes

Estos problemas afectan gravemente la fiabilidad y la eficiencia del protocolo.

Nuevo diseño de protocolo: 2PAC

Para resolver las deficiencias del protocolo existente, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC, que incluye dos variantes:

2PAClean

• Lograr +90% de rendimiento y una latencia esperada de 9.5δ
• La complejidad del mensaje es O(n²)
• Mejorar la eficiencia optimizando el proceso de consenso

2PACBIG

• La complejidad del mensaje es O(n³) del protocolo de consenso blockchain más rápido.
• El tiempo de ejecución de una sola MVBA sin fallos es de solo 4δ

Línea de bloques ultrarrápida

Este diseño innovador reduce significativamente la latencia de los bloques de canalización. Bajo un planificador justo, el tiempo de decisión de los bloques de canalización puede ser incluso menor que el de los bloques no canalizados. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en diversos entornos de ejecución, sin verse afectado por procesos fallidos.

Evaluación del rendimiento

El análisis teórico y las pruebas prácticas muestran que:

• 2PAClean: Se espera un retraso de 9.5δ en el peor de los casos y de 6δ en el mejor de los casos.
• sMVBA: retraso esperado de 10δ, buena situación de 6δ
• 2PAClean tiene un rendimiento de 80%-100% superior al sMVBA en cadena.
• 2PACBIG duración de ejecución de MVBA por única vez 4δ, superando todos los protocolos existentes
• El tiempo de decisión de bloque de la línea de flujo s2PAClean y s2PACBIG es de 4δ y 3δ respectivamente.

La evaluación de cálculo muestra que 2PAClean y 2PACBIG tienen un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos.

Direcciones futuras de investigación

1. Optimización del protocolo: simplificación adicional de la estructura, reducción de la transmisión de mensajes y los costos de cálculo.
2. Análisis de seguridad: estudio profundo de la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque.
3. Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo a sistemas de blockchain reales para verificar su rendimiento en un entorno de red real.

Conclusión

Este estudio analiza en detalle las ventajas y desventajas de los protocolos de consenso de blockchain asíncronos actuales, proponiendo dos nuevos diseños de protocolos: 2PAC y bloques de tuberías ultrarrápidas. Estos nuevos diseños muestran ventajas significativas en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología blockchain. A medida que la investigación avanza y la tecnología se optimiza, la nueva generación de protocolos de consenso establecerá una base sólida para la aplicación de la tecnología blockchain en la economía digital.