Derniers progrès et applications du protocole de consensus Blockchain

La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à un mécanisme de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur du système Blockchain, et sa performance influence directement l'évolutivité et la sécurité de la Blockchain. Le mécanisme de consensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux délais réseau et aux pannes de certains nœuds, ce qui en fait un sujet de recherche clé.

Ce rapport examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus Blockchain, en mettant l'accent sur les avancées récentes des protocoles de réplication d'état à tolérance de pannes byzantines asynchrones (BFT SMR). Le protocole asynchrone le plus rapide actuellement est le 2-chain VABA, mais en raison de ses vulnérabilités, son délai d'attente prévu de 9,5δ n'a pas été réalisé. Par conséquent, le sMVBA est devenu le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un délai d'attente prévu de 10δ. Le rapport propose également deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir le 2PAC (consensus asynchrone en 2 phases) et le Bloc ultra-rapide en pipeline, qui montrent des améliorations significatives en termes de débit et de délai.

Modèles et définitions

Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être malicieusement compromis par un adversaire. Ces processus communiquent entre eux par des canaux asynchrones, le délai de transmission des messages étant contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publique et privée pour signer et vérifier, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.

Blockchain Consensus

Le protocole de consensus Blockchain vise à faire en sorte que tous les nœuds honnêtes parviennent à un accord sur l'état de la Blockchain. Concrètement, chaque nœud reçoit constamment de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant grâce au protocole de consensus que ces blocs soient acceptés par tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus Blockchain doit répondre aux exigences fondamentales suivantes :

• Activité : Dans une exécution infinie, il existe une blockchain décidée de longueur infinie.
• Cohérence : S'il existe deux blockchains décidées, l'une d'elles doit être le préfixe de l'autre.
• P qualité : Dans une Blockchain décidée, la proportion de transactions saisies par des nœuds honnêtes doit être d'au moins p.

Défis actuels du protocole de consensus asynchrone

Le protocole de consensus asynchrone le plus rapide actuellement est le 2-chain VABA, dont la latence prévue est de 9.5δ. Cependant, ce protocole présente plusieurs vecteurs d'attaque qui compromettent sa cohérence et sa vitalité. Par exemple, les attaques résultant d'un manque de vérification de l'authentification, les attaques qui entravent la vitalité en utilisant des stratégies d'amélioration, et les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que le 2-chain VABA introduise certains nouveaux mécanismes, tels que l'exécution parallèle de plusieurs instances, il n'a toujours pas réussi à résoudre complètement ces problèmes.

Nouveau design de protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)

Sur la base de l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de Consensus. Cela comprend deux variantes :

1. 2PAClean :

   • Réalise un débit supérieur à 90 % et un délai d'attente prévu de 9,5 δ, avec une complexité de message de O(n²).
   • En améliorant l'efficacité du protocole en éliminant les interactions et les charges de calcul inutiles.

2. 2PACBIG：

   • C'est le protocole de consensus Blockchain le plus rapide avec une complexité de message de O(n³).
   • Le temps d'exécution unique de MVBA sans erreur est de 4δ, ce qui réduit considérablement la latence.

Super pipeline de Bloc rapide

Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline, réduisant considérablement la latence des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, sous un ordonnanceur équitable, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus défaillants.

Résultats quantitatifs

Grâce à une analyse théorique et à des tests pratiques, le délai prévu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-équitable), il est de 6δ. En comparaison, le délai prévu de sMVBA est de 10δ, et dans le meilleur des cas, de 6δ. Ainsi, 2PAClean réduit le délai du pire des cas de 0,5δ tout en maintenant le même délai dans le meilleur des cas. De plus, le débit de 2PAClean a augmenté de 80 % à 100 % par rapport à la chaîne sMVBA, principalement en raison de l'évitement des abandons de blocs et des frais de calcul inutiles dans la nouvelle conception.

2PACBIG en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. De plus, la conception de blocs en pipeline ultra-rapide permet à s2PAClean et s2PACBIG d'atteindre respectivement un temps de décision de bloc en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant ainsi encore les performances du protocole.

Évaluation des calculs

Pour évaluer les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont mené une vaste évaluation computationnelle. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, en particulier dans des environnements à haute latence et à taux de défaillance élevé. Plus précisément, 2PAClean parvient à établir un bon équilibre entre la latence de transmission des messages et la complexité de calcul, tandis que 2PACBIG réalise une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.

Avec le développement constant de la technologie Blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration des performances. La conception de 2PAC et des blocs à pipeline ultra-rapide montre la direction future du développement des protocoles de consensus Blockchain, à savoir réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.

Directions de recherche futures

Les recherches futures peuvent explorer plusieurs directions suivantes :

1. protocole optimisé : simplification et optimisation de la structure du protocole, réduction des échanges de messages et des coûts de calcul inutiles.
2. Analyse de la sécurité : analyser en profondeur la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin de garantir sa fiabilité dans les applications réelles.
3. Application pratique : appliquer le nouveau protocole dans un système Blockchain réel, afin de vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.

Grâce à des recherches et des optimisations continuelles, nous avons des raisons de croire que la technologie Blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique de demain, et que la nouvelle génération de protocole de Consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.