Останні досягнення та застосування консенсусних протоколів блокчейн

Технологія блокчейн, як представник децентралізованих розподілених реєстрів, має в своїй основі механізм консенсусу. Продуктивність механізму консенсусу безпосередньо впливає на масштабованість та безпеку системи блокчейн. Нещодавно асинхронний байєрський механізм толерантності до помилок (BFT) став предметом досліджень через свої переваги в реагуванні на затримки в мережі та відмови вузлів.

Ця стаття глибоко досліджує сучасний стан розвитку консенсусних протоколів блокчейн, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях у протоколі асинхронного байєцентиніського стійкого реплікації стану (BFT SMR). Наразі протокол sMVBA з очікуваною затримкою 10δ є найшвидшим асинхронним MVBA-протоколом. Ми також представимо два нові проекти протоколів: 2PAC (асинхронний консенсус у 2 стадії) та надшвидку конвеєрну блокчейн, які продемонстрували значні покращення в пропускній здатності та затримці.

Основи консенсусу в блокчейні

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно знищені. Процеси спілкуються через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень непередбачувана. Кожен процес має пару публічного та приватного ключів, що використовується для підпису та перевірки, щоб забезпечити автентичність і цілісність повідомлень.

Мета консенсусного протоколу блокчейну полягає в тому, щоб всі чесні вузли досягли згоди щодо стану блокчейну. Основні вимоги включають:

1. Активність: в безкінечному виконанні існує безкінечно довга визначена блокчейн.
2. Узгодженість: будь-які дві вже визначені блокчейн-системи, одна з яких повинна бути префіксом іншої.
3. Якість P: Встановлено, що у блокчейні частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить не менше p.

Виклики поточного асинхронного консенсусного протоколу

Хоча протокол 2-chain VABA раніше вважався найшвидшим асинхронним консенсус-протоколом з очікуваною затримкою 9.5δ, дослідження виявило, що він має кілька вразливостей безпеки, зокрема:

1. Атака, спричинена відсутністю перевірки сертифікації
2. Використання стратегій підвищення для перешкоджання атакам на активність
3. Послаблення визначення сертифікації лідерів викликає атаки на узгодженість

Ці проблеми серйозно вплинули на надійність та ефективність протоколу.

Новий дизайн протоколу: 2PAC

Щоб вирішити недоліки існуючих протоколів, дослідники запропонували протокол 2PAC, який включає два варіанти:

2PAClean

• Досягнення +90% пропускної здатності та 9.5δ очікуваної затримки
• Складність повідомлень становить O(n²)
• Підвищення ефективності шляхом оптимізації процесу консенсусу

2PACBIG

• Складність повідомлень становить O(n³) найшвидшого протоколу консенсусу блокчейну
• Безвідмовний одноразовий час виконання MVBA становить лише 4δ

Супершвидка конвеєрна блокчейн

Цей інноваційний дизайн суттєво зменшує затримки конвеєрних блоків. У справедливому планувальнику час ухвалення рішень для конвеєрних блоків може бути навіть меншим, ніж для не-конвеєрних блоків. Цей механізм забезпечує затримку швидкого шляху в різних середовищах виконання, не підлягаючи впливу несправних процесів.

Оцінка продуктивності

Теоретичний аналіз і практичні випробування показують:

• 2PAClean: найгірший випадок очікує затримку 9.5δ, хороший випадок 6δ
• sMVBA: очікувана затримка 10δ, хороша ситуація 6δ
• 2PAClean пропускна спроможність вища на 80%-100% порівняно з ланцюговим sMVBA
• 2PACBIG одноразовий MVBA час роботи 4δ, випереджає всі існуючі протоколи
• Час прийняття рішень для блоків s2PAClean та s2PACBIG становить відповідно 4δ та 3δ

Розрахункова оцінка показує, що 2PAClean та 2PACBIG демонструють відмінні результати в різних мережевих умовах, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов.

Майбутні напрямки досліджень

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення структури, зменшення витрат на передачу повідомлень і обчислення
2. Аналіз безпеки: детальне вивчення безпеки нових протоколів у різних сценаріях атак.
3. Практичне застосування: застосування нового протоколу у реальних блокчейн-системах для перевірки його продуктивності в умовах реальної мережі.

Висновок

Дане дослідження детально аналізує переваги та недоліки сучасних асинхронних протоколів консенсусу блокчейну, пропонує два нових проекти протоколів: 2PAC та надшвидка конвеєрна блокчейн. Ці нові проекти демонструють значні переваги у підвищенні пропускної здатності та зменшенні затримок, що надає важливі вказівки для майбутнього розвитку технології блокчейн. З поглибленням досліджень і оптимізацією технологій, нове покоління протоколів консенсусу закладе міцний фундамент для застосування технології блокчейн у цифровій економіці.