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 y 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 afecta directamente la escalabilidad y seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (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 de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, centrándose en analizar los últimos avances del protocolo de replicación de máquina de estado tolerante a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). El protocolo asíncrono más rápido actualmente es el 2-chain VABA, pero debido a sus vulnerabilidades, su retraso esperado de 9.5δ no se ha logrado. Por lo tanto, el sMVBA se ha convertido en el protocolo MVBA asíncrono más rápido, con un retraso esperado de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolos, a saber, 2PAC (consenso asíncrono en 2 etapas) y bloques de tuberías ultrarrápidos, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.

Modelos y definiciones

En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos por adversarios. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la entrega de mensajes es controlado por los adversarios. Cada proceso posee un par de claves pública y privada para la firma y la verificación, asegurando la autenticidad y la integridad de los mensajes.

Cadena de bloques Consenso

El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo hacer 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 una 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 2-chain VABA, cuya latencia esperada es de 9.5δ. Sin embargo, este protocolo presenta diversas formas de ataque que comprometen su consistencia y actividad. Por ejemplo, ataques que aprovechan la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la actividad utilizando estrategias de mejora, así como ataques de consistencia derivados de la relajación de la definición de la autenticación del líder, entre otros. A pesar de que 2-chain VABA introduce algunos nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias paralelas, aún 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:

1. 2PAClean:

   • Se logró más del 90% de rendimiento 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 computacionales innecesarios.

2. 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 un solo MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce enormemente la latencia.

Ultra rápida línea de Bloquear

Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en tubería que reduce significativamente la latencia de los bloques en tubería. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en tubería es incluso menor que el de los bloques no en tubería bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos que fallan.

Resultados cuantitativos

A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, el retraso esperado de 2PAClean en el peor de los casos es de 9.5δ, mientras que en un buen caso (sin fallos y con un programador semifeo) es de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en un buen caso es de 6δ. Por lo tanto, 2PAClean reduce el retraso en el peor de los casos en 0.5δ, manteniendo el mismo retraso en el buen caso. Además, el rendimiento de 2PAClean mejora entre un 80% y un 100% en comparación con el sMVBA en cadena, principalmente debido a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y la sobrecarga de cálculo.

2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tubería ultrarrápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.

Evaluación de cálculo

Para verificar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG exhiben un rendimiento sobresaliente en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. Específicamente, 2PAClean logra un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logra 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 la garantía de la seguridad y la mejora del rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultra rápida 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 futuras

Las investigaciones futuras pueden explorar más a fondo las siguientes direcciones:

1. Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la transmisión de mensajes innecesarios y los costos de cálculo.
2. Análisis de seguridad: análisis profundo de la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.
3. Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo en un sistema de Cadena de bloques real, verificando su rendimiento en un entorno de red real.

A través de la investigación y optimización constantes, tenemos razones para creer que la tecnología de la cadena de bloques desempeñará un papel cada vez más importante en la economía digital del futuro, y que la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.