Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de blockchain

La tecnología blockchain, 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 de los sistemas blockchain, y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y seguridad de la blockchain. El mecanismo de consenso de Tolerancia a Fallos Bizantinos Asíncrono (BFT) tiene ventajas únicas para enfrentar la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.

Este estudio explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de blockchain, con un análisis detallado de los últimos avances en el protocolo de replicación de máquinas de estado tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). El protocolo asíncrono más rápido actualmente es sMVBA, con una latencia esperada de 10δ. La investigación también presenta dos nuevos diseños de protocolos, a saber, 2PAC (consenso asíncrono en 2 fases) y bloques de tuberías ultrarrápidas, mostrando 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 dañados por un adversario. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la transmisión de mensajes es controlado por el adversario. Cada proceso posee un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad y la integridad de los mensajes.

Consenso de blockchain

El protocolo de consenso de blockchain tiene como objetivo lograr que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la blockchain. En concreto, cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las agrupa en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados por todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de blockchain debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:

• Liveliness (Vigencia): 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.
• P Calidad (P-Quality): En una blockchain decidida, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos debe ser al menos p.

Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono

Los protocolos de consenso asíncronos actuales enfrentan varios desafíos, incluyendo ataques derivados de la falta de verificación y autenticación, ataques que obstaculizan la vitalidad mediante estrategias de mejora, así como ataques de consistencia derivados de la relajación de la definición de autenticación del líder. A pesar de que algunos protocolos han introducido nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias paralelas, aún no han logrado resolver completamente estos problemas.

Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)

Basado en el análisis de los protocolos existentes, se propone el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. En concreto, incluye dos variantes:

2PAClean:

• Se logró una tasa de rendimiento de más del 90% 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.

2PACBIG：

• Es el protocolo de consenso de blockchain 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 significativamente la latencia.

Línea de producción de bloques ultrarrápida

La investigación propone un nuevo diseño de bloques 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 fallidos.

Resultados de la cuantificación

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 el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) es 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 reduce 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 mejora entre un 80% y un 100% en comparación con el sMVBA en cadena, lo que se debe principalmente a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y los costos computacionales.

2PACBIG, como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, lo que es más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tubería de ultra rápida 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 validar el rendimiento del nuevo protocolo, se llevó a cabo una extensa evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG mostraron 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 latencia más baja mediante la paralelización y la optimización del proceso de votación.

Con el continuo desarrollo de la tecnología blockchain, 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 de bloques de tuberías ultrarrápidas muestra la dirección futura del desarrollo de los protocolos de consenso blockchain, es decir, lograr un mayor rendimiento y una 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 las siguientes direcciones:

1. Optimización de protocolos: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la transmisión de mensajes innecesarios y el costo computacional.
2. Análisis de seguridad: analizar en profundidad la seguridad del nuevo protocolo en varios escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.
3. Aplicaciones prácticas: aplicar el nuevo protocolo en sistemas de blockchain reales para verificar su rendimiento en un entorno de red real.

Este estudio analiza en detalle las ventajas y desventajas de los actuales protocolos de consenso en blockchain asíncronos, y propone dos nuevos diseños de protocolos, a saber, 2PAC y bloques de tubería ultrarrápida. Los nuevos diseños muestran ventajas significativas en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, lo que proporciona una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología blockchain. Estos nuevos protocolos no solo han demostrado teóricamente su superioridad, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr protocolos de consenso en blockchain eficientes y seguros.

A través de la investigación y optimización continuas, la tecnología blockchain desempeñará un papel cada vez más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.