Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari 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 mempengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi keterlambatan jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.

Penelitian ini membahas keadaan perkembangan protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol asinkron Byzantine Fault Tolerance State Machine Replication (BFT SMR). Protokol asinkron tercepat saat ini adalah sMVBA, dengan perkiraan latensi 10δ. Penelitian ini juga mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (Konsensus Asinkron 2 Tahap) dan blok pipeline 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 secara jahat dihancurkan oleh lawan. Proses ini berkomunikasi satu sama lain melalui saluran asinkron, dan keterlambatan pengiriman pesan dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Konsensus Blockchain

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

• Liveness: Dalam eksekusi tanpa batas, terdapat sebuah blockchain yang telah diputuskan dan memiliki panjang tak terbatas.
• Konsistensi: Jika ada dua blockchain yang telah ditentukan, salah satunya harus menjadi prefiks dari yang lainnya.
• P-Quality (P质量): Dalam blockchain yang telah ditentukan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur setidaknya adalah p.

Tantangan Protokol Konsensus Asinkron Saat Ini

Protokol konsensus asinkron saat ini menghadapi berbagai tantangan, termasuk serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan dan sertifikasi, serangan yang menghambat aktivitas dengan memanfaatkan strategi peningkatan, serta serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi sertifikasi pemimpin. Meskipun beberapa protokol telah memperkenalkan mekanisme baru, seperti menjalankan beberapa instansi paralel secara bersamaan, masalah ini masih belum sepenuhnya teratasi.

Desain Protokol Baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2)

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

2PAClean：

• Mencapai +90% throughput dan 9.5δ latensi yang diharapkan, kompleksitas pesan adalah O(n²).
• Meningkatkan efisiensi protokol dengan menghilangkan interaksi dan beban komputasi yang tidak perlu.

2PACBIG：

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

Jalur Blok Super Cepat

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

Hasil Kuantitatif

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

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

Evaluasi Perhitungan

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, penelitian telah 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 kegagalan 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 pemungutan suara.

Seiring dengan perkembangan teknologi blockchain yang terus berlanjut, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam menjaga keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan blok aliran cepat super menunjukkan arah perkembangan 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. Optimalisasi Protokol: Lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan dan biaya perhitungan yang tidak perlu.
2. Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan, memastikan keandalannya dalam aplikasi praktis.
3. Aplikasi nyata: Menerapkan protokol baru ke dalam sistem blockchain nyata, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.

Penelitian ini menganalisis secara mendetail kelebihan dan kekurangan protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, serta mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan blok pipeline super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk perkembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teoretis, tetapi juga menunjukkan kinerja luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan pemikiran baru untuk mencapai protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.

Melalui penelitian dan optimasi yang terus menerus, teknologi blockchain akan memainkan peran yang semakin penting dalam ekonomi digital masa depan, sementara protokol konsensus generasi baru akan memberikan dasar yang kuat untuk pengembangan teknologi ini.