ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進展と応用

ブロックチェーン技術は、分散型の分散台帳技術として、コンセンサス機構を通じてデータの完全性と一貫性を確保します。コンセンサス機構はブロックチェーンシステムの核心であり、その性能はブロックチェーンのスケーラビリティとセキュリティに直接影響を与えます。非同期ビザンチンフォールトトレランス（BFT）コンセンサス機構は、ネットワーク遅延や一部ノードの障害に対処する際に独自の利点を持つため、研究の重点となっています。

本報告では、ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルの発展状況を探討し、非同期バイザンチン耐障害状態機複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を重点的に分析した。現在最も高速な非同期プロトコルは2-chain VABAであるが、その脆弱性により9.5δの期待遅延が実現されなかった。そのため、sMVBAが現在最も速い非同期MVBAプロトコルとなり、期待遅延は10δである。報告では、2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックという2つの新しいプロトコル設計も提案し、スループットと遅延の面での顕著な改善を示した。

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モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1のプロセスで構成されており、そのうちf個のプロセスは敵によって悪意を持って破壊される可能性があります。これらのプロセスは非同期チャネルを介して相互に通信し、メッセージの伝達遅延は敵によって制御されます。各プロセスは署名と検証のために一対の公開鍵と秘密鍵を持ち、メッセージの真実性と完全性を保証します。

ブロックチェーンコンセンサス

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、すべての誠実なノードがブロックチェーンの状態で合意に達することを目的としています。具体的には、各ノードは新しい取引を継続的に受信し、それをブロックにパッケージ化し、コンセンサスプロトコルを通じてこれらのブロックがすべての誠実なノードで合意に達することを保証します。ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下のいくつかの基本的な要件を満たす必要があります：

• 活性：無限実行の中に、決定された無限長のブロックチェーンが存在します。
• 一貫性：もし決定されたブロックチェーンが2つ存在する場合、そのうちの1つはもう1つのプレフィックスでなければならない。
• P品質：決定されたブロックチェーンにおいて、誠実なノードが入力した取引の割合は少なくともpである。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

現在最も高速な非同期コンセンサスプロトコルは2-chain VABAで、その期待遅延は9.5δです。しかし、このプロトコルには一貫性と活性を損なうさまざまな攻撃方法があります。例えば、チェック認証の欠如による攻撃、活性を妨げるための昇進戦略を利用した攻撃、リーダー認証の定義を緩和することによる一貫性攻撃などです。2-chain VABAは複数の並行インスタンスを同時に実行するなどの新しいメカニズムを導入していますが、これらの問題を完全に解決するには至っていません。

新プロトコル設計：2PAC（2段階非同期コンセンサス）

既存のプロトコルの分析に基づき、研究者は2PACプロトコルを提案しました。このプロトコルは、コンセンサスプロセスを簡素化および最適化することによって、性能を大幅に向上させました。具体的には2つのバリエーションが含まれます：

1. 2PACleanの:

   • +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑度はO(n²)です。
   • 不要なインタラクションと計算オーバーヘッドを排除することで、プロトコルの効率が向上しました。

2. 2パックビッグ:

   • 現在のメッセージの複雑度がO(n³)の最速ブロックチェーンコンセンサスプロトコルです。
   • 障害のない単回MVBA実行時間は4δで、遅延を大幅に削減しました。

超高速パイプラインブロック

研究者は新しいパイプラインブロック設計を提案し、パイプラインブロックの遅延を大幅に削減しました。高速パスメカニズムを導入することにより、公平スケジューラの下で、パイプラインブロックの決定時間は非パイプラインブロックよりも短くなります。このメカニズムは、すべての実行において高速パスの遅延を保証し、障害プロセスの動作に影響されません。

結果を定量化する

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanの最悪ケースの期待遅延は9.5δであり、良好な場合（故障なしでスケジューラが半公平）では6δです。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δで、良好な場合は6δです。したがって、2PACleanは同じ良好な状況の遅延を維持しながら、最悪のケースの遅延を0.5δ削減しました。さらに、2PACleanのスループットはチェーン型sMVBAに対して80%から100%向上しており、これは新しい設計で不必要なブロックの廃棄と計算オーバーヘッドを回避したことによるものです。

2PACBIGはメッセージの複雑度がO(n³)のプロトコルであり、その単回MVBA実行時間は4δで、既存のすべてのプロトコルよりも速いです。さらに、超高速パイプラインブロック設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのパイプラインブロック決定時間を実現し、プロトコルの性能をさらに向上させました。

評価を計算する

新しいプロトコルの性能を検証するために、研究者は広範な計算評価を行いました。結果は、2PACleanと2PACBIGがさまざまなネットワーク条件下で優れた性能を示し、特に高遅延および高障害率の環境での性能が際立っていました。具体的には、2PACleanはメッセージ伝達の遅延と計算の複雑さの間で良好なバランスを実現し、2PACBIGは並行処理と投票プロセスの最適化により、より低い遅延を実現しました。

ブロックチェーン技術の進展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは、安全性を確保し、性能を向上させる上でますます重要な役割を果たすでしょう。2PACと超高速パイプラインブロックの設計は、将来のブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展方向を示しており、プロトコル構造の簡素化とコンセンサスプロセスの最適化を通じて、より高いスループットとより低いレイテンシを実現します。

今後の研究の方向性

今後の研究は以下のいくつかの方向性をさらに探求することができます：

1. プロトコルの最適化：プロトコル構造をさらに簡素化し、不要なメッセージ送信や計算コストを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルのさまざまな攻撃シナリオにおけるセキュリティを深く分析し、実際のアプリケーションにおける信頼性を確保します。
3. 実際の応用：新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、リアルなネットワーク環境での性能を検証する。

不断の研究と最適化を通じて、私たちはブロックチェーン技術が未来のデジタル経済においてより重要な役割を果たすと信じる理由があります。そして、新世代のコンセンサスプロトコルがこの技術の発展に堅固な基盤を提供するでしょう。

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