Последние достижения и применения протокола соглашения Блокчейн

Блокчейн технология как децентрализованная распределенная бухгалтерская технология, через соглашение механизм обеспечивает целостность и согласованность данных. Соглашение механизм является ядром Блокчейн системы, его производительность напрямую влияет на масштабируемость и безопасность Блокчейн. Асинхронный византийский отказоустойчивый (BFT) соглашение механизм имеет уникальные преимущества в борьбе с сетевыми задержками и частичными сбоями узлов, поэтому стал предметом активных исследований.

В этом отчете рассматривается текущее состояние развития протоколов согласования Блокчейн, с акцентом на последние достижения в протоколе асинхронного византийского устойчивого машинного репликации (BFT SMR). На сегодняшний день самым быстрым асинхронным протоколом является 2-chain VABA, однако из-за наличия уязвимостей его ожидаемая задержка в 9.5δ не была достигнута. Таким образом, sMVBA стал самым быстрым асинхронным протоколом MVBA с ожидаемой задержкой в 10δ. В отчете также предложены два новых дизайна протоколов: 2PAC (асинхронное соглашение в 2 этапа) и сверхбыстрая конвейерная блокировка, которые демонстрируют значительные улучшения в пропускной способности и задержке.

Модели и определения

В асинхронной модели BFT система состоит из n = 3f + 1 процессов, где f процессов могут быть повреждены противником. Эти процессы общаются друг с другом через асинхронные каналы, задержка передачи сообщений контролируется противником. Каждый процесс имеет пару открытых и закрытых ключей для подписи и проверки, что обеспечивает подлинность и целостность сообщений.

Блокчейн Соглашение

Протокол согласования Блокчейна направлен на то, чтобы все честные узлы пришли к единому мнению о состоянии Блокчейна. Конкретно, каждый узел постоянно получает новые транзакции и упаковывает их в блоки, обеспечивая согласование этих блоков на всех честных узлах с помощью протокола согласования. Протокол согласования Блокчейна должен удовлетворять следующим основным требованиям:

• Активность: в бесконечном исполнении существует бесконечно длинный определённый Блокчейн.
• Согласованность: если существуют две определенные Блокчейн, то одна из них должна быть префиксом другой.
• Pкачество: в уже принятом Блокчейн, доля транзакций, вводимых честными узлами, составляет не менее p.

Текущие проблемы асинхронного соглашения

Текущий самый быстрый асинхронный протокол согласия — это 2-chain VABA, его ожидаемая задержка составляет 9.5δ. Однако у этого протокола есть множество способов атак, которые подрывают его согласованность и активность. Например, атаки, вызванные отсутствием проверки аутентификации, атаки, использующие стратегии повышения для препятствования активности, а также атаки на согласованность, вызванные ослаблением определения аутентификации лидера и т.д. Несмотря на то, что 2-chain VABA вводит некоторые новые механизмы, такие как параллельная работа множества параллельных экземпляров, ему все же не удалось полностью решить эти проблемы.

Новый протокол: 2PAC (2-фазное асинхронное соглашение)

На основе анализа существующих протоколов исследователи предложили протокол 2PAC. Этот протокол значительно повышает производительность за счет упрощения и оптимизации процесса соглашения. В частности, он включает два варианта:

1. 2PAClean:

   • Достигнуто +90% пропускной способности и ожидаемая задержка 9.5δ, сложность сообщения составляет O(n²).
   • Повышена эффективность протокола за счет устранения ненужных взаимодействий и вычислительных затрат.

2. 2PACBIG:

   • Это самый быстрый протокол согласования Блокчейн с текущей сложностью сообщения O(n³).
   • Безотказное время однократного выполнения MVBA составляет 4δ, что значительно снижает задержку.

Супербыстрая конвейерная Блок

Исследователи предложили новый дизайн конвейерного блока, который значительно уменьшает задержку конвейерного блока. Внедрив механизм быстрого пути, время принятия решения для конвейерного блока даже меньше, чем для не конвейерного блока при использовании справедливого планировщика. Этот механизм гарантирует задержку быстрого пути во всех выполнениях и не подвержен влиянию поведения сбойных процессов.

Результаты количественного анализа

С помощью теоретического анализа и практического тестирования, ожидаемая задержка 2PAClean в наихудшем случае составляет 9.5δ, а в хорошем случае (без сбоев и полуправильный планировщик) - 6δ. В сравнении, ожидаемая задержка sMVBA составляет 10δ, а в хорошем случае - 6δ. Таким образом, 2PAClean уменьшает задержку в наихудшем случае на 0.5δ, сохраняя ту же задержку в хорошем случае. Кроме того, пропускная способность 2PAClean по сравнению с цепочечным sMVBA увеличилась на 80% до 100%, что в основном связано с тем, что в новом дизайне были исключены ненужные Блоки сброса и вычислительные накладные расходы.

2PACBIG как протокол с сложностью сообщения O(n³), имеет время выполнения одной MVBA 4δ, что быстрее, чем у всех существующих протоколов. Кроме того, сверхбыстрая конвейерная блокировка позволяет s2PAClean и s2PACBIG достигать соответственно 4δ и 3δ времени принятия решений по конвейерным блокам, что дополнительно увеличивает производительность протокола.

Оценка расчета

Для проверки производительности нового Протокола исследователи провели обширную вычислительную оценку. Результаты показали, что 2PAClean и 2PACBIG демонстрируют отличные результаты в различных сетевых условиях, особенно в средах с высокой задержкой и высокой частотой сбоев. В частности, 2PAClean обеспечивает хорошее соотношение между задержкой передачи сообщений и вычислительной сложностью, в то время как 2PACBIG достигает более низкой задержки за счет параллелизации и оптимизации процесса голосования.

С развитием технологий Блокчейн, асинхронный протокол BFT соглашения будет играть все более важную роль в обеспечении безопасности и повышении производительности. Дизайн 2PAC и сверхбыстрой конвейерной Блоки демонстрирует направление развития будущих протоколов Блокчейн, а именно, через упрощение структуры протокола и оптимизацию процесса соглашения, достижение более высокой пропускной способности и более низкой задержки.

Будущие направления исследований

Будущие исследования могут дополнительно исследовать следующие направления:

1. Оптимизация протокола: дальнейшее упрощение и оптимизация структуры протокола, сокращение ненужной передачи сообщений и вычислительных затрат.
2. Анализ безопасности: глубокий анализ нового протокола в различных сценариях атак, чтобы обеспечить его надежность в реальном применении.
3. Фактическое применение: Применение нового Протокола в фактических Блокчейн-системах для проверки его производительности в реальных сетевых условиях.

Путем постоянных исследований и оптимизации у нас есть основания полагать, что технология Блокчейн будет играть все более важную роль в будущей цифровой экономике, в то время как новое поколение Соглашений Протоколов обеспечит надежную основу для развития этой технологии.