Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques
La tecnología de cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido descentralizado, garantiza la integridad y consistencia de los datos a través de mecanismos de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema de cadena de bloques, y su rendimiento influye directamente en la escalabilidad y seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncrono (BFT) tiene ventajas únicas en el manejo de la latencia de la red y la falla parcial de nodos, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Este informe explora el estado actual del desarrollo del protocolo de consenso de la cadena de bloques, centrándose en el análisis de los últimos avances del protocolo de replicación de máquina de estados tolerante a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). El protocolo asíncrono más rápido actualmente es el 2-chain VABA, pero debido a sus vulnerabilidades, no se ha logrado su retraso esperado de 9.5δ. Por lo tanto, el sMVBA se ha convertido en el protocolo MVBA asíncrono más rápido hasta ahora, con un retraso esperado de 10δ. El informe también propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tubería ultra rápida, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y retraso.
Modelos y definiciones
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente dañados por un adversario. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y la latencia en la entrega de mensajes es controlada por el adversario. Cada proceso tiene un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad e integridad de los mensajes.
Cadena de bloques Consenso
El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo permitir que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. Específicamente, cada nodo recibe constantemente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados por todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Actividad: En la ejecución infinita, existe una cadena de bloques decidida de longitud infinita.
Consistencia: si existen dos cadenas de bloques decididas, una de ellas debe ser un prefijo de la otra.
Calidad P: En la cadena de bloques ya decidida, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos debe ser al menos p.
= Desafíos del protocolo de consenso asíncrono actual
El protocolo de consenso asíncrono más rápido actualmente es el 2-chain VABA, cuyo retraso esperado es de 9.5δ. Sin embargo, este protocolo presenta múltiples vectores de ataque que comprometen su consistencia y actividad. Por ejemplo, ataques derivados de la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la actividad mediante estrategias de mejora, y ataques de consistencia debido a la relajación de la definición de autenticación del líder. A pesar de que el 2-chain VABA introduce algunos nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias paralelas, todavía no ha logrado resolver completamente estos problemas.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)
Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Incluye específicamente dos variantes:
2PAClean：
Se logró más del 90% de capacidad de procesamiento y una latencia esperada de 9.5δ, con una complejidad de mensaje de O(n²).
Se mejoró la eficiencia del protocolo al eliminar interacciones y costos de cálculo innecesarios.
2PACBIG：
Es el protocolo de consenso de cadena de bloques más rápido con una complejidad de mensaje de O(n³).
El tiempo de ejecución de una sola MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce drásticamente la latencia.
Super rápida línea de bloques
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en línea que reduce significativamente la latencia de los bloques en línea. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en línea es incluso menor que el de los bloques no en línea bajo un planificador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos defectuosos.
Resultados cuantitativos
A través del análisis teórico y pruebas prácticas, se espera que el retraso en el peor de los casos de 2PAClean sea de 9.5δ, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) sea de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en el mejor de los casos es de 6δ. Por lo tanto, 2PAClean ha reducido el retraso en el peor de los casos en 0.5δ, manteniendo el mismo retraso en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean ha aumentado entre un 80% y un 100% en comparación con la cadena sMVBA, lo que se debe principalmente a la nueva diseño que evita la eliminación innecesaria de bloques y los costos de cálculo.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques de tuberías ultrarrápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques de tuberías de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculo
Para validar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG demostraron un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. En concreto, 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una menor latencia mediante la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Con el continuo desarrollo de la tecnología de la cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante en garantizar la seguridad y mejorar el rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultrarrápida muestran la dirección del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques en el futuro, es decir, lograr un mayor rendimiento y menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Direcciones de investigación futura
Las investigaciones futuras pueden explorar más a fondo las siguientes direcciones:
Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la transmisión de mensajes innecesarios y los costos de cálculo.
Análisis de seguridad: análisis en profundidad de la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.
Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo en sistemas de cadena de bloques reales, verificando su rendimiento en un entorno de red real.
A través de la investigación y optimización continuas, tenemos razones para creer que la tecnología de la cadena de bloques desempeñará un papel aún más importante en la futura economía digital, y que la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.
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MEVSandwichMaker
· 07-18 09:41
Es extremadamente irracional... no es mejor que PoW
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MrDecoder
· 07-17 18:07
De todos modos, sigue cambiando de un lado a otro~
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CoffeeOnChain
· 07-17 16:31
Un poco profundo... Advertencia de clase de matemáticas
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DarkPoolWatcher
· 07-15 23:37
Los datos aún tienen la fragancia de las vulnerabilidades.
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HallucinationGrower
· 07-15 23:34
¿Quién tiene interés en explicar qué es la latencia 10δ?
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PermabullPete
· 07-15 23:18
Este rendimiento de 10δ también es demasiado bomba.
Nueva ruptura en el consenso BFT asíncrono: el protocolo 2PAC logra un mayor rendimiento y una latencia más baja
Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques
La tecnología de cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido descentralizado, garantiza la integridad y consistencia de los datos a través de mecanismos de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema de cadena de bloques, y su rendimiento influye directamente en la escalabilidad y seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncrono (BFT) tiene ventajas únicas en el manejo de la latencia de la red y la falla parcial de nodos, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Este informe explora el estado actual del desarrollo del protocolo de consenso de la cadena de bloques, centrándose en el análisis de los últimos avances del protocolo de replicación de máquina de estados tolerante a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). El protocolo asíncrono más rápido actualmente es el 2-chain VABA, pero debido a sus vulnerabilidades, no se ha logrado su retraso esperado de 9.5δ. Por lo tanto, el sMVBA se ha convertido en el protocolo MVBA asíncrono más rápido hasta ahora, con un retraso esperado de 10δ. El informe también propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tubería ultra rápida, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y retraso.
Modelos y definiciones
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente dañados por un adversario. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y la latencia en la entrega de mensajes es controlada por el adversario. Cada proceso tiene un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad e integridad de los mensajes.
Cadena de bloques Consenso
El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo permitir que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. Específicamente, cada nodo recibe constantemente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados por todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
= Desafíos del protocolo de consenso asíncrono actual
El protocolo de consenso asíncrono más rápido actualmente es el 2-chain VABA, cuyo retraso esperado es de 9.5δ. Sin embargo, este protocolo presenta múltiples vectores de ataque que comprometen su consistencia y actividad. Por ejemplo, ataques derivados de la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la actividad mediante estrategias de mejora, y ataques de consistencia debido a la relajación de la definición de autenticación del líder. A pesar de que el 2-chain VABA introduce algunos nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias paralelas, todavía no ha logrado resolver completamente estos problemas.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)
Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Incluye específicamente dos variantes:
2PAClean：
2PACBIG：
Super rápida línea de bloques
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en línea que reduce significativamente la latencia de los bloques en línea. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en línea es incluso menor que el de los bloques no en línea bajo un planificador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos defectuosos.
Resultados cuantitativos
A través del análisis teórico y pruebas prácticas, se espera que el retraso en el peor de los casos de 2PAClean sea de 9.5δ, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) sea de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en el mejor de los casos es de 6δ. Por lo tanto, 2PAClean ha reducido el retraso en el peor de los casos en 0.5δ, manteniendo el mismo retraso en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean ha aumentado entre un 80% y un 100% en comparación con la cadena sMVBA, lo que se debe principalmente a la nueva diseño que evita la eliminación innecesaria de bloques y los costos de cálculo.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques de tuberías ultrarrápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques de tuberías de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculo
Para validar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG demostraron un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. En concreto, 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una menor latencia mediante la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Con el continuo desarrollo de la tecnología de la cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante en garantizar la seguridad y mejorar el rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultrarrápida muestran la dirección del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques en el futuro, es decir, lograr un mayor rendimiento y menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Direcciones de investigación futura
Las investigaciones futuras pueden explorar más a fondo las siguientes direcciones:
A través de la investigación y optimización continuas, tenemos razones para creer que la tecnología de la cadena de bloques desempeñará un papel aún más importante en la futura economía digital, y que la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.