Derniers progrès et applications des protocoles de consensus blockchain

La technologie blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à des mécanismes de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur des systèmes blockchain, et ses performances influencent 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 retards réseau et aux défaillances de certains nœuds, ce qui en fait un sujet de recherche clé.

Cette étude examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus blockchain, en mettant l'accent sur les dernières avancées du protocole de réplication d'état tolérant aux pannes byzantines asynchrones (BFT SMR). Le protocole asynchrone le plus rapide actuellement est le sMVBA, avec un délai prévu de 10δ. L'étude propose également deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir 2PAC (consensus asynchrone en 2 étapes) et des blocs hyper-rapides en pipeline, montrant 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, la latence de transmission des messages étant contrôlée par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publique et privée pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.

Consensus blockchain

Les protocoles de consensus blockchain visent à faire en sorte que tous les nœuds honnêtes parviennent à un accord sur l'état de la blockchain. Plus précisément, chaque nœud reçoit en continu de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant que ces blocs sont convenus par tous les nœuds honnêtes via le protocole de consensus. Les protocoles de consensus blockchain doivent répondre aux exigences fondamentales suivantes :

• Liveness : Dans une exécution infinie, il existe une chaîne de blocs décidée de longueur infinie.
• Cohérence (Consistency) : S'il existe deux chaînes de blocs décidées, l'une d'elles doit être le préfixe de l'autre.
• P qualité (P-Quality) : Dans une blockchain décidée, la proportion de transactions soumises par des nœuds honnêtes doit être d'au moins p.

Défis actuels des protocoles de consensus asynchrone

Les protocoles de consensus asynchrone actuels font face à divers défis, notamment les attaques dues à un manque de vérification et d'authentification, les attaques qui exploitent les stratégies d'amélioration pour entraver l'activité, ainsi que les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders. Bien que certains protocoles aient introduit de nouveaux mécanismes, tels que le fonctionnement parallèle de plusieurs instances, ils n'ont pas encore réussi à résoudre complètement ces problèmes.

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

Basé sur l'analyse des protocoles existants, l'étude a proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de consensus. Il comprend spécifiquement deux variantes :

2PAClean :

• A réalisé plus de 90% de débit et une latence attendue de 9,5δ, avec une complexité de message de O(n²).
• Amélioration de l'efficacité du protocole en éliminant les interactions et les frais de calcul inutiles.

2PACBIG：

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

Chaîne de blocs à flux ultra-rapide

L'étude propose une nouvelle conception de blocs en pipeline, réduisant significativement le délai des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline sous un ordonnanceur équitable. Ce mécanisme garantit un délai de chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus défaillants.

Résultats quantitatifs

Grâce à l'analyse théorique et aux tests pratiques, le délai attendu dans le pire des cas pour 2PAClean est de 9.5δ, tandis que dans de bonnes conditions (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-fair) il est de 6δ. En comparaison, le délai attendu pour sMVBA est de 10δ, et dans de bonnes conditions il est de 6δ. Ainsi, 2PAClean réduit le délai dans le pire des cas de 0.5δ tout en maintenant le même délai dans de bonnes conditions. De plus, le débit de 2PAClean a augmenté de 80 % à 100 % par rapport au sMVBA en chaîne, principalement en raison de l'évitement de l'abandon inutile de blocs et des frais de calcul dans le nouveau design.

2PACBIG, en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, 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 des temps de décision de bloc en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant encore les performances du protocole.

Évaluation des calculs

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

Avec le développement continu 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 de pipeline ultra-rapides montre la direction future du développement des protocoles de consensus blockchain, c'est-à-dire en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus pour réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible.

Directions de recherche futures

Les recherches futures pourraient explorer plusieurs directions suivantes :

1. Optimisation du protocole : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les transmissions de messages et les coûts de calcul inutiles.
2. Analyse de la sécurité : Analyser en profondeur la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin d'assurer sa fiabilité dans les applications réelles.
3. Application réelle : Appliquer le nouveau protocole dans un système blockchain réel pour valider ses performances dans un environnement réseau réel.

Cette étude analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus de blockchain asynchrone actuels et propose deux nouvelles conceptions de protocoles, à savoir 2PAC et le bloc en pipeline ultra-rapide. Les nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en termes d'augmentation du débit et de réduction de la latence, fournissant une référence importante pour le développement futur de la technologie blockchain. Ces nouveaux protocoles prouvent non seulement leur supériorité sur le plan théorique, mais démontrent également des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles perspectives pour la réalisation de protocoles de consensus blockchain efficaces et sécurisés.

Grâce à des recherches et des optimisations constantes, la technologie blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique de demain, et la nouvelle génération de protocoles de consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.