Derniers progrès et applications des protocoles de consensus blockchain

La technologie blockchain, en tant que représentant de la technologie de registre distribué décentralisé, se concentre sur le mécanisme de consensus. La performance du mécanisme de consensus influence directement l'évolutivité et la sécurité des systèmes blockchain. Récemment, le mécanisme de consensus de tolérance aux pannes byzantine asynchrone (BFT) est devenu un sujet de recherche populaire en raison de ses avantages dans la gestion des retards réseau et des défaillances des nœuds.

Cet article explorera en profondeur l'état actuel du développement des protocoles de consensus blockchain, en se concentrant sur les progrès récents du protocole de réplication d'état tolérant aux pannes byzantines asynchrones (BFT SMR). Actuellement, le protocole sMVBA est devenu le protocole MVBA asynchrone le plus rapide avec un retard prévu de 10δ. Nous introduirons également deux nouveaux designs de protocoles : 2PAC (consensus asynchrone en 2 étapes) et le bloc de pipeline ultra-rapide, qui ont tous deux montré des améliorations significatives en termes de débit et de latence.

Fondamentaux du consensus blockchain

Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être compromis de manière malveillante. Les processus communiquent via des canaux asynchrones, avec des délais de transmission de messages imprévisibles. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées, utilisées pour signer et vérifier, garantissant ainsi l'authenticité et l'intégrité des messages.

L'objectif du protocole de consensus blockchain est de permettre à tous les nœuds honnêtes de parvenir à un accord sur l'état de la blockchain. Les exigences principales comprennent :

1. Activité : Il existe une blockchain décidée de longueur infinie dans une exécution infinie.
2. Cohérence : toute paire de chaînes de blocs décidées, l'une doit être le préfixe de l'autre.
3. Qualité P : Il a été décidé que dans la blockchain, la proportion des transactions entrées par des nœuds honnêtes doit être d'au moins p.

Défis actuels des protocoles de consensus asynchrone

Bien que le protocole VABA à 2 chaînes ait été considéré comme le protocole de consensus asynchrone le plus rapide, avec un délai prévu de 9,5δ, des recherches ont révélé qu'il présente plusieurs vulnérabilités de sécurité, notamment :

1. Attaques dues à un manque de vérification des certifications
2. Utiliser une stratégie d'élévation pour entraver les attaques de vitalité
3. L'assouplissement de la définition de la certification des leaders entraîne des attaques de cohérence

Ces problèmes ont gravement affecté la fiabilité et l'efficacité du protocole.

Conception du nouveau protocole : 2PAC

Pour résoudre les défauts des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC, qui comprend deux variantes :

2PAClean

• Réaliser +90% de débit et un délai d'attente prévu de 9.5δ
• La complexité des messages est de O(n²)
• Améliorer l'efficacité en optimisant le processus de consensus

2PACBIG

• La complexité des messages est O(n³) pour le protocole de consensus blockchain le plus rapide
• Le temps de fonctionnement unique du MVBA sans défaut n'est que de 4δ

Chaîne de blocs à très haute vitesse

Cette conception innovante réduit considérablement le délai des blocs en pipeline. Sous un ordonnanceur équitable, le temps de décision des blocs en pipeline peut même être inférieur à celui des blocs non en pipeline. Ce mécanisme garantit un délai de chemin rapide dans divers environnements d'exécution, sans être affecté par les processus défaillants.

Évaluation des performances

L'analyse théorique et les tests pratiques montrent que :

• 2PAClean : prévision de retard de 9,5δ dans le pire des cas, 6δ dans le meilleur des cas.
• sMVBA : délai prévu de 10δ, bonne situation 6δ
• 2PAClean a une capacité de traitement supérieure de 80%-100% par rapport à la sMVBA en chaîne.
• Durée d'exécution unique de 2PACBIG MVBA 4δ, en avance sur tous les protocoles existants.
• s2PAClean et s2PACBIG ont des temps de décision de bloc respectifs de 4δ et 3δ

Les évaluations montrent que 2PAClean et 2PACBIG excellent dans diverses conditions de réseau, notamment dans des environnements à forte latence et à taux de défaillance élevé.

Directions de recherche futures

1. Optimisation du protocole : simplification de la structure, réduction des coûts de transmission de messages et de calcul.
2. Analyse de la sécurité : étude approfondie de la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque.
3. Application pratique : Appliquer le nouveau protocole dans des systèmes blockchain réels pour vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.

Conclusion

Cette étude analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus blockchain asynchrones actuels, et propose deux nouvelles conceptions de protocoles : 2PAC et le bloc de pipeline ultra rapide. Ces nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en matière d'augmentation du débit et de réduction de la latence, fournissant une référence importante pour le développement futur de la technologie blockchain. Avec l'approfondissement de la recherche et l'optimisation des technologies, la nouvelle génération de protocoles de consensus établira une base solide pour l'application de la technologie blockchain dans l'économie numérique.