Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso Blockchain

A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído e descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo do sistema Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do Blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) tem vantagens únicas na resposta a atrasos de rede e falhas de nós, tornando-se, assim, o foco da pesquisa.

Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento dos protocolos de consenso em Blockchain, com uma análise focada nos últimos avanços do protocolo de replicação de máquinas de estado tolerantes a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, mas devido a suas vulnerabilidades, o atraso esperado de 9.5δ não foi atingido. Assim, o sMVBA tornou-se o protocolo MVBA assíncrono mais rápido atualmente, com um atraso esperado de 10δ. O relatório também propõe dois novos designs de protocolo, a saber, 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e bloco de pipeline super rápido, mostrando melhorias significativas em termos de throughput e latência.

Modelos e Definições

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos pelo adversário. Esses processos comunicam-se entre si através de canais assíncronos, com o atraso na entrega das mensagens controlado pelo adversário. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

Blockchain Consenso

O protocolo de consenso do Blockchain visa permitir que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado do Blockchain. Especificamente, cada nó continua a receber novas transações e as agrupa em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados em todos os nós honestos. O protocolo de consenso do Blockchain deve atender aos seguintes requisitos básicos:

• Atividade: Existe uma blockchain decidida infinitamente longa em execução infinita.
• Consistência: se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
• Qualidade P: No blockchain já decidido, a proporção de transações inseridas por nós honestos é de pelo menos p.

Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono

O protocolo de consenso assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, cuja latência esperada é de 9.5δ. No entanto, este protocolo apresenta várias formas de ataque que comprometem sua consistência e atividade. Por exemplo, ataques que exploram a falta de verificação de autenticação, ataques que impedem a atividade utilizando estratégias de aumento, e ataques de consistência resultantes da definição relaxada de autenticação de líderes, entre outros. Embora o 2-chain VABA tenha introduzido alguns novos mecanismos, como a execução paralela de várias instâncias paralelas, ainda não conseguiu resolver completamente esses problemas.

Novo protocolo de design: 2PAC (Consenso Assíncrono em 2 Fases)

Com base na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho através da simplificação e otimização do processo de consenso. Especificamente, inclui duas variantes:

1. 2PAClean：

   • Atingiu mais de 90% de capacidade de processamento e uma latência esperada de 9,5δ, com complexidade de mensagem de O(n²).
   • A eficiência do protocolo foi melhorada através da eliminação de interações e custos computacionais desnecessários.

2. 2PACBIG：

   • É o protocolo de consenso em blockchain mais rápido, com complexidade de mensagem atual de O(n³).
   • O tempo de execução único do MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.

Super rápido pipeline de Bloco

Os investigadores propuseram um novo design de bloco em pipeline que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um escalonador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.

Resultados de Quantificação

Através de análise teórica e testes práticos, a 2PAClean tem um atraso esperado de 9.5δ no pior cenário, enquanto no bom cenário (sem falhas e com agendador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, o atraso esperado do sMVBA é de 10δ, e no bom cenário é de 6δ. Assim, a 2PAClean reduziu o atraso no pior cenário em 0.5δ, mantendo o mesmo atraso no bom cenário. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean melhorou entre 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia, principalmente devido ao novo design que evita a eliminação desnecessária de blocos e a sobrecarga computacional.

2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), possui um tempo de execução MVBA único de 4δ, mais rápido do que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline ultra-rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.

Avaliação de Cálculo

Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma extensa avaliação computacional. Os resultados mostraram que 2PAClean e 2PACBIG demonstraram um desempenho excecional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. Especificamente, o 2PAClean alcançou um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG conseguiu uma menor latência através da paralelização e otimização do processo de votação.

Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e na melhoria do desempenho. O design do 2PAC e do bloco de pipeline super rápido demonstra a direção do desenvolvimento futuro dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, alcançar uma maior taxa de transferência e uma menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso.

Direções de Pesquisa Futuras

Pesquisas futuras podem explorar ainda mais as seguintes direções:

1. otimização do protocolo: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a troca de mensagens desnecessárias e os custos de computação.
2. Análise de segurança: Analisar profundamente a segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo sua fiabilidade em aplicações práticas.
3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando o seu desempenho em ambientes de rede reais.

Através de investigação e otimização contínuas, temos razões para acreditar que a tecnologia Blockchain desempenhará um papel ainda mais importante na futura economia digital, e que a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.