Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso de Blockchain

A tecnologia Blockchain, como representante da tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, tem como núcleo o mecanismo de Consenso. O desempenho do mecanismo de Consenso afeta diretamente a escalabilidade e segurança do sistema Blockchain. Este relatório foca nas últimas desenvolvimentos do protocolo de replicação de máquina de estado de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT SMR) e propõe dois designs de protocolo inovadores.

Visão Geral do Modelo BFT Assíncrono

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por 3f+1 processos, dos quais f podem ser comprometidos de forma maliciosa. Os processos comunicam-se através de canais assíncronos, com atrasos de entrega de mensagens imprevisíveis. Cada processo possui um par de chaves pública e privada, utilizado para garantir a autenticidade e integridade das mensagens.

Requisitos básicos do protocolo de consenso da Blockchain

O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender aos seguintes requisitos-chave:

1. Atividade: existe uma blockchain decidida de comprimento infinito em execução infinita.
2. Consistência: Se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser o 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 dos protocolos de consenso assíncronos existentes

Atualmente, o sMVBA é o protocolo MVBA assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O protocolo 2-chain VABA, que antes era considerado o mais rápido (com uma latência afirmada de 9.5δ), apresenta várias vulnerabilidades de segurança, incluindo:

• Ataque causado pela falta de verificação de certificação
• Utilizar estratégias de melhoria para obstruir ataques de atividade
• A questão da consistência provocada pelo alívio das definições de certificação de líderes

Novo design de protocolo: 2PAC (Consenso assíncrono em 2 fases)

Baseando-se na análise dos protocolos existentes, propomos duas variantes do protocolo 2PAC:

2PAClean

• Atingiu uma taxa de throughput de +90% e uma latência esperada de 9.5δ
• A complexidade da mensagem é O(n²)
• Através da otimização do processo de consenso, a eficiência foi significativamente melhorada.

2PACBIG

• A complexidade da mensagem atual é O(n³) do protocolo de consenso de blockchain mais rápido.
• Em condições sem falhas, o tempo de execução único do MVBA é apenas 4δ

Super rápida linha de Blocos

Nós também propusemos um design inovador de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência de decisão:

• Introduzir um mecanismo de caminho rápido, onde o tempo de decisão de bloco em pipeline é até inferior ao de bloco não em pipeline sob um programador equitativo.
• Todos os executores podem garantir a latência do caminho rápido durante a execução, sem serem afetados por processos com falhas.

Avaliação de desempenho

Através de análises teóricas e testes práticos, o novo protocolo demonstra vantagens significativas:

• 2PAClean: expectativa de atraso em pior cenário de 9.5δ, em bom cenário de 6δ
• 2PACBIG: Tempo de execução do MVBA de uma única vez 4δ, à frente de todos os protocolos existentes.
• Design de linha de montagem ultra-rápido: s2PAClean e s2PACBIG realizam respectivamente 4δ e 3δ do tempo de decisão do bloco.

Cálculo dos Resultados da Avaliação

Avaliações computacionais extensivas mostram que 2PAClean e 2PACBIG se destacam sob várias condições de rede:

• 2PAClean alcança um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional
• 2PACBIG alcança menor latência através da paralelização e otimização do processo de votação

Direções de pesquisa futuras

1. Simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo
2. Análise aprofundada da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque
3. Aplicar o novo protocolo a sistemas de Blockchain reais, verificando o desempenho em ambientes de rede reais.

Conclusão

2PAC e o design de bloco de linha de montagem ultra-rápida demonstram a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso da Blockchain. Ao simplificar a estrutura do protocolo e otimizar o processo de consenso, esses novos protocolos mostram vantagens significativas em aumentar a capacidade e reduzir a latência. Com o aprofundamento da pesquisa e a contínua otimização da tecnologia, a nova geração de protocolos de consenso estabelecerá uma base sólida para a ampla aplicação da tecnologia Blockchain na economia digital.