Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain

Teknologi blockchain sebagai perwakilan dari teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, inti dari teknologi ini terletak pada mekanisme konsensus. Kinerja mekanisme konsensus secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan sistem blockchain. Baru-baru ini, mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) menjadi fokus penelitian karena keunggulannya dalam menghadapi latensi jaringan dan kegagalan node.

Artikel ini akan membahas secara mendalam tentang status perkembangan protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol Replikasi Status Mesin Toleransi Byzantine Asinkron (BFT SMR). Saat ini, protokol sMVBA dengan latensi yang diharapkan 10δ telah menjadi protokol MVBA asinkron tercepat. Kami juga akan memperkenalkan dua desain protokol baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2) dan Blok Pipa Super Cepat, yang menunjukkan perbaikan signifikan dalam hal throughput dan latensi.

Dasar Konsensus Blockchain

Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses mungkin dirusak secara jahat. Proses berkomunikasi melalui saluran asinkron, dengan penundaan pengiriman pesan yang tidak dapat diprediksi. Setiap proses memiliki pasangan kunci publik dan privat yang digunakan untuk tanda tangan dan verifikasi, untuk memastikan keaslian dan integritas pesan.

Tujuan dari protokol konsensus blockchain adalah untuk memastikan bahwa semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Persyaratan utama termasuk:

1. Aktivitas: Dalam eksekusi tak terbatas, terdapat sebuah blockchain yang telah ditentukan dengan panjang tak terbatas.
2. Konsistensi: Setiap dua blockchain yang telah ditentukan, salah satunya harus menjadi prefiks dari yang lain.
3. Kualitas P: Telah ditentukan bahwa dalam blockchain, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur setidaknya adalah p.

Tantangan Protokol Konsensus Asinkron Saat Ini

Meskipun protokol VABA 2-chain pernah dianggap sebagai protokol konsensus asinkron tercepat dengan latensi yang diharapkan sebesar 9.5δ, penelitian menemukan bahwa ia memiliki berbagai celah keamanan, termasuk:

1. Serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan sertifikasi
2. Menggunakan strategi peningkatan untuk menghalangi serangan aktif
3. Serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi sertifikasi pemimpin

Masalah-masalah ini sangat mempengaruhi keandalan dan efisiensi protokol.

Desain Protokol Baru: 2PAC

Untuk mengatasi kekurangan protokol yang ada, peneliti mengusulkan protokol 2PAC, yang mencakup dua varian:

2PAClean

• Mencapai +90% throughput dan 9.5δ latensi yang diharapkan
• Kompleksitas pesan adalah O(n²)
• Meningkatkan efisiensi melalui pengoptimalan proses konsensus

2PACBIG

• Kompleksitas pesan adalah O(n³) protokol konsensus blockchain tercepat
• Waktu operasi MVBA tunggal tanpa gangguan hanya 4δ

Jalur Blok Super Cepat

Desain inovatif ini secara signifikan mengurangi keterlambatan blok pipeline. Di bawah penjadwal yang adil, waktu keputusan blok pipeline bahkan bisa lebih kecil daripada blok non-pipeline. Mekanisme ini menjamin keterlambatan jalur cepat di berbagai lingkungan eksekusi, tidak terpengaruh oleh proses yang gagal.

Penilaian Kinerja

Analisis teori dan pengujian praktis menunjukkan:

• 2PAClean: perkiraan keterlambatan dalam skenario terburuk adalah 9.5δ, dan dalam skenario baik adalah 6δ
• sMVBA: Perkiraan keterlambatan 10δ, situasi baik 6δ
• 2PAClean memiliki throughput 80%-100% lebih tinggi dibandingkan sMVBA berbasis rantai
• Waktu operasi MVBA 2PACBIG sekali 4δ, unggul dari semua protokol yang ada saat ini
• waktu pengambilan keputusan blok s2PAClean dan s2PACBIG masing-masing adalah 4δ dan 3δ

Evaluasi menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG tampil luar biasa di berbagai kondisi jaringan, terutama lebih unggul di lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kegagalan tinggi.

Arah Penelitian Masa Depan

1. Optimasi protokol: menyederhanakan struktur lebih lanjut, mengurangi pengiriman pesan dan beban perhitungan.
2. Analisis Keamanan: Penelitian mendalam tentang keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan
3. Aplikasi Nyata: Menerapkan protokol baru pada sistem blockchain yang nyata, untuk memverifikasi kinerja dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.

Kesimpulan

Penelitian ini menganalisis secara rinci kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, dan mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan pipeline blok super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan yang signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk perkembangan teknologi blockchain di masa depan. Seiring dengan pendalaman penelitian dan optimasi teknologi, protokol konsensus generasi baru akan meletakkan dasar yang kokoh untuk penerapan teknologi blockchain dalam ekonomi digital.