Os últimos avanços e aplicações dos protocolos de consenso em blockchain

A tecnologia blockchain, como representante da tecnologia de livro-razão descentralizado e distribuído, tem seu núcleo na mecânica de consenso. O desempenho da mecânica de consenso afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do sistema blockchain. Recentemente, a mecânica de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) tornou-se um foco de pesquisa devido às suas vantagens na resposta a atrasos de rede e falhas de nós.

Este artigo irá explorar em profundidade o estado atual do desenvolvimento dos protocolos de consenso em blockchain, com foco na análise dos mais recentes avanços do protocolo de cópia de máquina de estados tolerante a falhas de Bizâncio assíncrona (BFT SMR). Atualmente, o protocolo sMVBA tornou-se o protocolo assíncrono MVBA mais rápido, com um atraso esperado de 10δ. Também apresentaremos dois novos designs de protocolo: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos ultra-rápidos em pipeline, que demonstram melhorias significativas em termos de throughput e latência.

Fundamentos do Consenso em Blockchain

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser comprometidos maliciosamente. Os processos comunicam-se através de canais assíncronos, e a latência da transmissão de mensagens é imprevisível. Cada processo possui um par de chaves pública e privada, utilizado para assinar e verificar, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

O objetivo do protocolo de consenso da blockchain é fazer com que todos os nós honestos cheguem a um consenso sobre o estado da blockchain. Os principais requisitos incluem:

1. Atividade: existe uma blockchain de comprimento infinito já decidida em execução infinita.
2. Consistência: Qualquer duas blockchains decididas, uma deve ser um prefixo da outra.
3. Qualidade P: Foi decidido que, na blockchain, a proporção de transações inseridas por nós honestos deve ser pelo menos p.

Desafios atuais dos protocolos de consenso assíncronos

Embora o protocolo VABA de 2-chain tenha sido considerado o protocolo de consenso assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 9,5δ, pesquisas descobriram que ele apresenta várias vulnerabilidades de segurança, incluindo:

1. Ataques resultantes da falta de verificação de certificação
2. Utilizar estratégias de aumento para obstruir ataques de atividade
3. A relaxação da definição de certificação de líderes leva a ataques de consistência

Esses problemas afetaram seriamente a confiabilidade e a eficiência do protocolo.

Novo design de protocolo: 2PAC

Para resolver as deficiências dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC, que inclui duas variantes:

2PAClean

• Alcançar +90% de throughput e 9.5δ de latência esperada
• A complexidade da mensagem é O(n²)
• Aumentar a eficiência através da otimização do processo de consenso

2PACBIG

• A complexidade da mensagem é O(n³) do protocolo de consenso de blockchain mais rápido
• O tempo de execução única do MVBA sem falhas é apenas 4δ

Linha de blocos ultra rápida

Este design inovador reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Sob um escalonador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline pode até ser inferior ao dos blocos não em pipeline. Este mecanismo garante a latência dos caminhos rápidos em diversos ambientes de execução, não sendo afetado por processos com falha.

Avaliação de Desempenho

A análise teórica e os testes práticos mostram que:

• 2PAClean: expectativa de atraso no pior cenário de 9.5δ, no melhor cenário 6δ
• sMVBA: atraso esperado de 10δ, situação boa de 6δ
• O throughput do 2PAClean é 80%-100% superior ao do sMVBA em cadeia.
• O tempo de execução único do MVBA 2PACBIG é de 4δ, à frente de todos os protocolos existentes.
• s2PAClean e s2PACBIG têm tempos de decisão de bloco de 4δ e 3δ, respetivamente.

A avaliação de cálculos mostra que 2PAClean e 2PACBIG se destacam em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas.

Direções de pesquisa futuras

1. Otimização do protocolo: simplificar ainda mais a estrutura, reduzindo a transmissão de mensagens e o custo computacional.
2. Análise de segurança: Estudo aprofundado da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque.
3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de blockchain reais, verificando o seu desempenho em ambientes de rede reais

Conclusão

Este estudo analisou detalhadamente as vantagens e desvantagens dos protocolos de consenso em blockchain assíncronos atuais, propondo dois novos designs de protocolo: 2PAC e blocos de pipeline ultrarrápidos. Esses novos designs demonstram vantagens significativas em aumentar a capacidade de processamento e reduzir a latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia blockchain. Com o aprofundamento da pesquisa e a otimização das tecnologias, a nova geração de protocolos de consenso estabelecerá uma base sólida para a aplicação da tecnologia blockchain na economia digital.