Kemajuan dan Aplikasi Terbaru Protokol Konsensus Blockchain

Teknologi Blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, kinerjanya secara langsung memengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi latensi jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.

Laporan ini membahas perkembangan terkini dari protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status toleran kesalahan Bizantium asinkron (BFT SMR). Protokol asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, tetapi karena adanya celah, pergeseran ekspektasi 9.5δ tidak dapat tercapai. Oleh karena itu, sMVBA menjadi protokol MVBA asinkron tercepat saat ini, dengan pergeseran ekspektasi sebesar 10δ. Laporan ini juga mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron 2 tahap) dan blok pipelining super cepat, yang menunjukkan perbaikan signifikan dalam hal throughput dan latensi.

Model dan Definisi

Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses dapat dirusak secara jahat oleh lawan. Proses-proses ini berkomunikasi satu sama lain melalui saluran asinkron, dengan penundaan pengiriman pesan yang dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Blockchain Konsensus

Protokol konsensus blockchain bertujuan untuk membuat semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Secara spesifik, setiap node terus menerus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi blok, melalui protokol konsensus untuk memastikan bahwa blok-blok ini disepakati di semua node yang jujur. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi beberapa persyaratan dasar berikut:

• Aktivitas: Dalam eksekusi yang tidak terbatas, terdapat satu Blockchain yang telah ditentukan dan tidak terbatas panjangnya.
• Konsistensi: Jika ada dua Blockchain yang telah diputuskan, salah satu dari mereka harus menjadi awalan dari yang lainnya.
• P kualitas: Dalam blockchain yang telah ditentukan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur harus setidaknya p.

Tantangan Protokol Konsensus Asinkron Saat Ini

Protokol konsensus asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, dengan latensi yang diharapkan sebesar 9.5δ. Namun, protokol ini memiliki berbagai cara serangan yang merusak konsistensi dan aktivasi. Contohnya, serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan sertifikasi, serangan yang menghalangi aktivasi dengan memanfaatkan strategi peningkatan, serta serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi sertifikasi pemimpin. Meskipun 2-chain VABA memperkenalkan beberapa mekanisme baru, seperti beberapa instansi paralel yang berjalan secara paralel, masalah ini masih belum sepenuhnya terpecahkan.

Desain protokol baru: 2PAC (Konsensus Asinkron 2 Tahap)

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, peneliti mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Secara khusus mencakup dua varian:

1. 2PAClean:

   • Mencapai lebih dari +90% throughput dan 9.5δ latensi yang diharapkan, kompleksitas pesan adalah O(n²).
   • Dengan menghilangkan interaksi dan biaya perhitungan yang tidak perlu, efisiensi protokol meningkat.

2. 2PACBIG：

   • adalah protokol konsensus blockchain tercepat saat ini dengan kompleksitas pesan O(n³).
   • Waktu operasi MVBA tunggal tanpa kesalahan adalah 4δ, yang secara signifikan mengurangi latensi.

Jalur Blok Super Cepat

Peneliti telah mengusulkan desain blok aliran baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok aliran. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, waktu keputusan blok aliran bahkan lebih kecil dibandingkan blok non-aliran di bawah penjadwal yang adil. Mekanisme ini dapat menjamin latensi jalur cepat dalam semua eksekusi dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.

Hasil Kuantitatif

Melalui analisis teoretis dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki ekspektasi keterlambatan terburuk sebesar 9.5δ, sementara dalam kondisi baik (tanpa kesalahan dan penjadwal setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, ekspektasi keterlambatan sMVBA adalah 10δ, dan dalam kondisi baik adalah 6δ. Oleh karena itu, 2PAClean telah mengurangi keterlambatan terburuk sebesar 0.5δ sambil mempertahankan keterlambatan dalam kondisi baik yang sama. Selain itu, throughput 2PAClean meningkat 80% hingga 100% dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai, yang sebagian besar disebabkan oleh desain baru yang menghindari pembuangan blok dan beban komputasi yang tidak perlu.

2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), waktu operasi MVBA tunggalnya adalah 4δ, lebih cepat daripada semua protokol yang ada. Selain itu, desain blok pipeline super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG masing-masing mencapai waktu keputusan blok pipeline 4δ dan 3δ, lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.

Evaluasi Perhitungan

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, peneliti melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasilnya menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang sangat baik di berbagai kondisi jaringan, terutama dalam lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kesalahan tinggi. Secara spesifik, 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan optimasi proses voting.

Seiring dengan perkembangan teknologi Blockchain yang terus menerus, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam memastikan keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan blok aliran cepat super menunjukkan arah pengembangan protokol konsensus Blockchain di masa depan, yaitu dengan menyederhanakan struktur protokol dan mengoptimalkan proses konsensus untuk mencapai throughput yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah.

Arah Penelitian Masa Depan

Penelitian di masa depan dapat mengeksplorasi beberapa arah berikut:

1. Protokol dioptimalkan: lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan dan beban perhitungan yang tidak perlu.
2. Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan, memastikan keandalannya dalam aplikasi nyata.
3. Aplikasi nyata: Menerapkan protokol baru dalam sistem Blockchain yang sebenarnya, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang nyata.

Melalui penelitian dan optimasi yang terus menerus, kami memiliki alasan untuk percaya bahwa teknologi Blockchain akan memainkan peran yang semakin penting dalam ekonomi digital di masa depan, dan generasi baru protokol konsensus akan memberikan dasar yang kokoh untuk pengembangan teknologi ini.