Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso de 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 Blockchain. Recentemente, o mecanismo de Consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) tornou-se um ponto focal de pesquisa devido às suas vantagens na resposta a atrasos de rede e falhas de alguns nós.

Contexto da pesquisa

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, com latências de mensagens imprevisíveis. Cada processo possui um par de chaves pública e privada, utilizado para garantir 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. O protocolo deve atender aos seguintes requisitos:

1. Atividade: existe uma blockchain de bloco decidido de duração infinita.
2. Consistência: O blockchain decidido deve ser um prefixo um do outro.
3. Qualidade: Foi decidido que a proporção de transações de nós honestos inseridas na Blockchain não deve ser inferior a um determinado limiar.

Desafios Atuais

Atualmente, o protocolo de consenso assíncrono mais rápido, 2-chain VABA, afirma ter um atraso esperado de 9,5δ, mas estudos descobriram que ele possui várias vulnerabilidades de segurança, que podem comprometer a consistência e a atividade. Embora o protocolo introduza alguns mecanismos inovadores, como a execução paralela de múltiplas instâncias, ainda não conseguiu resolver completamente esses problemas.

Novo protocolo de design

2PAC (Consenso Assíncrono de 2 Fases)

Com base na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC, que inclui duas variantes:

1. 2PAClean：

   • Aumentou a capacidade em 90%, espera-se um atraso de 9.5δ, complexidade da mensagem O(n²).
   • Aumentar a eficiência através da otimização do processo de consenso.

2. 2PACBIG：

   • O protocolo de consenso de Blockchain mais rápido sob a complexidade O(n³).
   • O tempo de execução único do MVBA é apenas 4δ.

Super Rápido Pipeline Bloco

Este novo design reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Após a introdução do mecanismo de caminho rápido, sob o planejador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline pode até ser menor do que o dos blocos não em pipeline. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções, não sendo afetado por processos com falhas.

Avaliação de desempenho

Análise teórica e testes práticos mostram:

• 2PAClean a pior expectativa de atraso é de 9.5δ, a boa expectativa é de 6δ.
• A taxa de transferência do 2PAClean é 80%-100% superior à do sMVBA em cadeia.
• O tempo de execução do MVBA 2PACBIG é de 4δ, superior a todos os protocolos existentes.
• O design de linha de montagem super-rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG atinjam tempos de decisão de bloco de 4δ e 3δ, respetivamente.

A avaliação de cálculo mostra que a série de protocolos 2PAC tem um desempenho excelente em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. O 2PAClean alcança um equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG consegue uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.

Perspectivas Futuras

Com o desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel importante na melhoria da segurança e da performance. Pesquisas futuras podem se concentrar em:

1. Protocolo otimizado, reduzindo o custo de comunicação e computação.
2. Análise aprofundada da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque.
3. Aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando o desempenho em ambientes de rede reais.

2PAC e o design de bloco de linha de montagem ultrarrápida abriram um novo caminho para o protocolo de consenso Blockchain. Ao simplificar a estrutura e otimizar o processo, alcançaram maior taxa de transferência e menor latência. Essas inovações não apenas provaram sua superioridade em teoria, mas também demonstraram desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para um protocolo de consenso Blockchain eficiente e seguro.

Com o aprofundamento da pesquisa e a otimização da tecnologia, a Blockchain promete desempenhar um papel mais importante na futura economia digital, enquanto a nova geração de protocolos de Consenso estabelecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.