ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進展と応用

ブロックチェーン技術は、非中央集権の分散型台帳技術の代表であり、その核心はコンセンサスメカニズムにあります。コンセンサスメカニズムの性能は、ブロックチェーンシステムのスケーラビリティとセキュリティに直接影響を与えます。最近、非同期ビザンチンフォールトトレランス（BFT）コンセンサスメカニズムは、ネットワーク遅延やノードの障害に対処する際の利点から、研究の焦点となっています。

この記事では、ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルの発展状況を深く探ります。特に、非同期ビザンチン耐障害状態機械複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を分析します。現在、sMVBAプロトコルは10δの期待遅延で最も速い非同期MVBAプロトコルとなっています。また、スループットと遅延の面で顕著な改善を示す2つの新しいプロトコル設計、2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックについても紹介します。

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ブロックチェーンコンセンサスの基礎

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1のプロセスで構成されており、f個のプロセスが悪意を持って破壊される可能性があります。プロセス間は非同期チャネルを介して通信し、メッセージの伝達遅延は予測できません。各プロセスは公開鍵と秘密鍵のペアを持ち、署名と検証に使用してメッセージの真実性と完全性を保証します。

ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルの目的は、すべての正直なノードがブロックチェーンの状態に合意することです。主な要件には以下が含まれます：

1. 活性：無限実行の中に、無限に長い決定されたブロックチェーンが存在します。
2. 一貫性：決定された2つのブロックチェーンのうち、1つはもう1つのプレフィックスでなければならない。
3. P品質：ブロックチェーン内で、誠実なノードが入力する取引の割合は少なくともpであることが決定された。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

2-chain VABAプロトコルは、最も速い非同期コンセンサスプロトコルと見なされ、期待遅延は9.5δであるものの、研究によりさまざまなセキュリティの脆弱性が存在することが発見されました。

1. 認証チェックの欠如による攻撃
2. エンゲージメントを妨げる攻撃に対処するための向上戦略の利用
3. 放宽领导者认证定义引发的一致性攻击

これらの問題は、プロトコルの信頼性と効率に深刻な影響を与えています。

新しいプロトコル設計：2PAC

既存のプロトコルの欠陥を解決するために、研究者は2PACプロトコルを提案しました。これには2つのバリエーションが含まれています。

2PACクリーン

• +90%スループットと9.5δの期待遅延を実現する
• メッセージの複雑度はO(n²)
• コンセンサスプロセスの最適化による効率向上

2PACBIG

• メッセージの複雑度はO(n³)の最速ブロックチェーンコンセンサスプロトコルです
• 障害なしの単一MVBA実行時間はわずか4δ

超高速ラインブロック

この革新的な設計は、パイプラインブロックの遅延を大幅に削減します。公平なスケジューラの下では、パイプラインブロックの意思決定時間は、非パイプラインブロックよりも短くなる可能性があります。このメカニズムは、さまざまな実行環境において、障害プロセスの影響を受けずに迅速なパスの遅延を保証します。

パフォーマンス評価

理論分析と実際のテストは次のことを示しています：

• 2PAClean：最悪のシナリオでは9.5δの遅延が予想され、良好なシナリオでは6δです。
• sMVBA:预期延迟10δ,好情况6δ
• 2PACleanのスループットは、チェーン式sMVBAより80%-100%向上しています。
• 2PACBIGの単回MVBA実行時間は4δで、すべての既存のプロトコルをリードしています。
• s2PACleanとs2PACBIGパイプラインのブロック決定時間はそれぞれ4δと3δです

計算評価により、2PACleanと2PACBIGはさまざまなネットワーク条件下で優れたパフォーマンスを示し、特に高遅延および高故障率の環境での優位性が際立っています。

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研究の方向性

1. プロトコルの最適化：構造をさらに簡素化し、メッセージの送信や計算コストを削減する
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルのさまざまな攻撃シナリオにおけるセキュリティを深く研究する
3. 実際の応用：新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、その真のネットワーク環境性能を検証する

结论

本研究では、現在の非同期ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの長所と短所を詳細に分析し、2PACと超高速パイプラインブロックの2つの新しいプロトコル設計を提案しました。これらの新しい設計は、スループットの向上と遅延の削減において顕著な利点を示し、将来のブロックチェーン技術の発展に重要な参考を提供します。研究が進むにつれて、技術が最適化されることで、新世代のコンセンサスプロトコルがデジタル経済におけるブロックチェーン技術の応用にしっかりとした基盤を築くことが期待されます。