Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Блокчейн технологія, як децентралізована розподілена технологія бухгалтерського обліку, забезпечує цілісність та узгодженість даних через механізм консенсусу. Механізм консенсусу є ядром системи Блокчейн, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість та безпеку Блокчейн. Асинхронний байєзантинський відмовостійкий (BFT) механізм консенсусу має унікальні переваги в подоланні затримок у мережі та часткових відмов вузлів, тому став об'єктом дослідження.

Цей звіт досліджує сучасний стан розвитку протоколів консенсусу Блокчейн, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях протоколу асинхронного байєзантинського стійкого стану (BFT SMR). Наразі найшвидшим асинхронним протоколом є 2-chain VABA, але через наявність вразливостей його очікувана затримка 9.5δ не була досягнута. Тому sMVBA став найшвидшим асинхронним MVBA протоколом з очікуваною затримкою 10δ. Звіт також пропонує два нових дизайни протоколів, а саме 2PAC (протокол асинхронного консенсусу з двома етапами) та ультрашвидкий конвеєрний блок, що демонструє значні покращення в пропускній здатності та затримці.

Моделі та визначення

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно знищені супротивником. Ці процеси спілкуються один з одним через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару відкритих і закритих ключів для підпису та перевірки, що забезпечує автентичність і цілісність повідомлень.

Блокчейн Консенсус

Протокол консенсусу Блокчейн має на меті забезпечити досягнення угоди між усіма чесними вузлами щодо стану Блокчейн. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у блоки, забезпечуючи через протокол консенсусу досягнення угоди щодо цих блоків на всіх чесних вузлах. Протокол консенсусу Блокчейн повинен відповідати кільком основним вимогам:

• Активність: в безмежному виконанні існує безмежно довгий визначений Блокчейн.
• Узгодженість: якщо існує два визначених Блокчейн, то один з них повинен бути префіксом іншого.
• Pякість: у вже визначеному Блокчейн, частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить не менше p.

= Виклики поточного асинхронного протоколу консенсусу

Наразі найшвидшим асинхронним протоколом консенсусу є 2-chain VABA, очікувана затримка якого становить 9.5δ. Однак цей протокол має кілька вразливостей, які підривають його консистентність і активність. Наприклад, атаки, викликані відсутністю перевірки автентифікації, атаки, що використовують стратегії підвищення для перешкоджання активності, а також атаки на консистентність, викликані послабленням визначення автентифікації лідера. Незважаючи на те, що 2-chain VABA впроваджує деякі нові механізми, такі як паралельне виконання декількох паралельних екземплярів, ці проблеми все ще не були повністю вирішені.

Новий протокол: 2PAC (2-етапний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно покращує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Зокрема, він включає два варіанти:

1. 2PAClean:

   • Реалізовано +90% пропускної спроможності та очікувана затримка 9.5δ, складність повідомлення становить O(n²).
   • Підвищено ефективність протоколу шляхом усунення непотрібних взаємодій та обчислювальних витрат.
2. 2. ПАКБІГ:
   • Це найшвидший протокол консенсусу Блокчейн з поточною складністю повідомлень O(n³).
   • Безвідмовний одноразовий час виконання MVBA становить 4δ, що суттєво знижує затримку.

Супер швидкий конвеєр Блок

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрного блоку, що значно зменшує затримку конвеєрних блоків. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, час прийняття рішень для конвеєрних блоків навіть менший, ніж для не конвеєрних. Цей механізм гарантує затримку швидкого шляху під час всіх виконань і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Результати кількісного аналізу

Через теоретичний аналіз та практичне тестування, очікувана затримка 2PAClean у найгіршому випадку становить 9.5δ, а в хорошому випадку (без збоїв та напівсправедливий планувальник) – 6δ. У порівнянні, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, в хорошому випадку – 6δ. Таким чином, 2PAClean зменшив затримку в найгіршому випадку на 0.5δ, зберігаючи ту ж затримку в хорошому випадку. Крім того, пропускна спроможність 2PAClean у порівнянні з ланцюговим sMVBA зросла на 80% до 100%, що в основному зумовлено уникненням непотрібного скидання Блоків та обчислювальних витрат у новому дизайні.

2PACBIG як протокол з складністю повідомлення O(n³), має час виконання MVBA за один раз 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи. Крім того, надшвидкий конвеєрний дизайн блоків дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягати відповідно 4δ та 3δ часу прийняття рішень щодо конвеєрних блоків, що ще більше підвищує продуктивність протоколу.

Обчислення оцінки

Щоб перевірити продуктивність нового протоколу, дослідники провели широкі обчислювальні оцінки. Результати показують, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність за різних мережевих умов, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. Конкретно, 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень та обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG забезпечує нижчу затримку за рахунок паралелізації та оптимізації процесу голосування.

З розвитком технології Блокчейн асинхронний BFT протокол консенсусу відіграватиме все важливішу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC та надшвидкої конвеєрної Блока демонструє напрямок розвитку протоколів консенсусу Блокчейн у майбутньому, а саме через спрощення структури протоколу та оптимізацію процесу консенсусу для досягнення більшої пропускної здатності та нижчої затримки.

Майбутні напрямки досліджень

Майбутні дослідження можуть далі вивчати такі напрямки:

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення неналежних передач повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: поглиблений аналіз нових протоколів в різних сценаріях атак на безпеку, щоб забезпечити їх надійність у реальному використанні.
3. Фактичне застосування: впровадження нового протоколу в реальні системи Блокчейн, перевірка його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Через постійні дослідження та оптимізацію ми маємо підстави вірити, що технологія Блокчейн відіграватиме ще більш важливу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління Консенсус протоколів надасть міцну основу для розвитку цієї технології.