Os últimos avanços e aplicações dos protocolos de consenso em blockchain

A tecnologia blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído 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) possui vantagens únicas para lidar com latência de rede e falhas de nós parciais, tornando-se, assim, um foco de pesquisa.

Este estudo explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso em blockchain, com foco na análise dos mais recentes avanços do protocolo de replicação de máquina de estados tolerante a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido atualmente é o sMVBA, com uma latência esperada de 10δ. A pesquisa também propõe dois novos designs de protocolos, a saber, 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos de pipeline super rápidos, demonstrando 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 por adversários. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, e o atraso na entrega das mensagens é controlado pelos adversários. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

Consenso de Blockchain

O protocolo de consenso da blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da blockchain. Especificamente, cada nó recebe continuamente novas transações e as empacota em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam aceites por todos os nós honestos. O protocolo de consenso da blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:

• Atividade (Liveness): Em uma execução infinita, existe uma blockchain decidida de comprimento infinito.
• Consistência (Consistency): Se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
• P qualidade (P-Quality): Na blockchain já decidida, a proporção de transações inseridas por nós honestos é de pelo menos p.

Desafios atuais dos protocolos de consenso assíncrono

Os atuais protocolos de consenso assíncrono enfrentam vários desafios, incluindo ataques resultantes da falta de verificação e autenticação, ataques que utilizam estratégias de melhoria para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência devido à flexibilização da definição de autenticação de líderes, entre outros. Apesar de alguns protocolos terem introduzido novos mecanismos, como a execução paralela de várias instâncias, ainda não conseguiram resolver completamente esses problemas.

Novo Design de Protocolo: 2PAC (Consenso Assíncrono em 2 Fases)

Com base na análise dos protocolos existentes, a pesquisa propôs o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Inclui especificamente duas variantes:

2PAClean：

• Alcançou uma taxa de transferência superior a 90% e uma latência esperada de 9,5δ, com uma complexidade de mensagem de O(n²).
• A eficiência do protocolo foi melhorada ao eliminar interações e custos computacionais desnecessários.

2PACBIG：

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

Linha de Blocos Super Rápida

A pesquisa propôs 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 falha.

Resultados da Quantificação

Através de análise teórica e testes práticos, o 2PAClean apresenta um atraso esperado de 9.5δ no pior cenário, enquanto no cenário ideal (sem falhas e com um escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, o atraso esperado do sMVBA é de 10δ, sendo 6δ no cenário ideal. Assim, o 2PAClean reduziu o atraso no pior cenário em 0.5δ, mantendo o mesmo atraso no cenário ideal. Além disso, a taxa de transferência do 2PAClean aumentou entre 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia, principalmente devido à nova concepção que evita o descarte desnecessário de blocos e sobrecarga de cálculo.

O 2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução MVBA de 4δ, sendo mais rápido do que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline super 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, a pesquisa realizou uma ampla avaliação computacional. Os resultados mostram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentam desempenho superior 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, através da paralelização e otimização do processo de votação, conseguiu uma latência mais baixa.

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 dos blocos de pipeline ultrarrápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso blockchain, ou seja, alcançar uma maior taxa de transferência e menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e otimização do processo de consenso.

Direções futuras de pesquisa

As 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 cálculo.
2. Análise de segurança: Analisar profundamente a segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo sua confiabilidade em aplicações práticas.
3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo a sistemas de blockchain reais, verificando o seu desempenho em ambientes de rede reais.

Este estudo analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso em blockchain assíncrono e propõe dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC e blocos de pipeline ultra-rápidos. Os novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria da capacidade de processamento e na redução da latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia blockchain. Estes novos protocolos não apenas provaram sua superioridade em teoria, mas também demonstraram desempenho extraordinário em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso em blockchain eficientes e seguros.

Através de pesquisa e otimização constantes, a tecnologia blockchain desempenhará um papel cada vez mais importante na economia digital do futuro, enquanto a nova geração de protocolos de consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.