Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques

La tecnología de la cadena de bloques, como representante de la tecnología de contabilidad distribuida descentralizada, se centra en el mecanismo de consenso. El rendimiento del mecanismo de consenso afecta directamente la escalabilidad y la seguridad del sistema de cadena de bloques. Este informe se centra en los últimos desarrollos del protocolo de replicación de máquinas de estado tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR) y propone dos diseños innovadores de protocolo.

Resumen del modelo BFT asíncrono

En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por 3f+1 procesos, de los cuales f pueden ser maliciosamente comprometidos. Los procesos se comunican a través de canales asíncronos, donde el retraso en la transmisión de mensajes es impredecible. Cada proceso posee un par de claves públicas y privadas, que se utilizan para garantizar la autenticidad y la integridad de los mensajes.

Requisitos básicos del protocolo de consenso de la cadena de bloques

El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos clave:

1. Actividad: En la ejecución infinita, existe una cadena de bloques decidida de longitud infinita.
2. Consistencia: Si existen dos cadenas de bloques decididas, una de ellas debe ser un prefijo de la otra.
3. Calidad P: Se ha decidido que en la cadena de bloques, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos sea al menos p.

Desafíos de los protocolos de consenso asíncronos existentes

Actualmente, sMVBA es el protocolo MVBA asíncrono más rápido, con una latencia esperada de 10δ. El protocolo 2-chain VABA, que se consideraba el más rápido (con una latencia de 9.5δ), presenta múltiples vulnerabilidades de seguridad, incluyendo:

• Ataques causados por falta de verificación de autenticación
• Utilizar estrategias de mejora para obstaculizar ataques de actividad
• El problema de consistencia provocado por la flexibilización de la definición de certificación de líderes

Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)

Basado en el análisis de los protocolos existentes, proponemos dos variantes del protocolo 2PAC:

2PAClean

• Se logró un rendimiento de +90% y una latencia esperada de 9.5δ
• La complejidad del mensaje es O(n²)
• A través de la optimización del proceso de consenso, se ha mejorado significativamente la eficiencia.

2PACBIG

• La complejidad de los mensajes actualmente es O(n³) del protocolo de consenso de cadena de bloques más rápido.
• En condiciones sin fallos, el tiempo de ejecución único de MVBA es de solo 4δ

Ultra rápida línea de bloques

Hemos propuesto un diseño de bloque en línea innovador que reduce drásticamente la latencia de decisión:

• Introducir un mecanismo de ruta rápida, bajo un programador justo, el tiempo de decisión del bloque en línea de producción es incluso menor que el de un bloque no en línea de producción.
• Se garantiza la latencia del camino rápido durante todas las ejecuciones, sin verse afectada por procesos fallidos.

Evaluación del rendimiento

A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, el nuevo protocolo muestra ventajas significativas:

• 2PAClean: el peor caso se espera un retraso de 9.5δ, el buen caso 6δ
• 2PACBIG: Tiempo de ejecución de MVBA por única vez 4δ, líder entre todos los protocolos existentes
• Diseño de línea de producción ultra rápida: s2PAClean y s2PACBIG logran tiempos de decisión de bloque de 4δ y 3δ respectivamente.

Calificación de resultados de evaluación

Evaluaciones computacionales extensas indican que 2PAClean y 2PACBIG se desempeñan de manera excelente en diversas condiciones de red:

• 2PAClean logra un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional
• 2PACBIG logra una menor latencia a través de la paralelización y optimización del proceso de votación.

Direcciones de investigación futura

1. Simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo
2. Análisis profundo de la seguridad del nuevo protocolo en varios escenarios de ataque
3. Aplicar el nuevo protocolo en sistemas de cadena de bloques reales, verificando el rendimiento en entornos de red reales.

Conclusión

2PAC y el diseño de bloques de línea de producción ultra rápida muestran la dirección futura del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques. Al simplificar la estructura del protocolo y optimizar el proceso de consenso, estos nuevos protocolos demuestran ventajas significativas en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia. A medida que la investigación avanza y la tecnología se optimiza constantemente, la nueva generación de protocolos de consenso sentará una base sólida para la amplia aplicación de la tecnología de cadena de bloques en la economía digital.