Последние достижения и применение протоколов консенсуса блокчейна

Технология блокчейн как децентрализованная распределенная бухгалтерская система обеспечивает целостность и согласованность данных с помощью механизма согласия. Механизм согласия является ядром системы блокчейн, и его производительность непосредственно влияет на масштабируемость и безопасность блокчейна. Асинхронный механизм согласия БейзантинскойFault-Tolerance (BFT) обладает уникальными преимуществами в управлении сетевыми задержками и частичными сбоями узлов, поэтому стал объектом активных исследований.

Данное исследование рассматривает текущее состояние развития блокчейн-протоколов согласия, с особым акцентом на последние достижения протокола асинхронного византийского устойчивого машинного воспроизведения состояния (BFT SMR). В настоящее время самым быстрым асинхронным протоколом является sMVBA с ожидаемой задержкой в 10δ. В исследовании также предлагаются два новых проектирования протоколов, а именно 2PAC (асинхронное согласие в 2 этапа) и сверхбыстрая конвейерная блокировка, которые демонстрируют значительные улучшения в отношении пропускной способности и задержки.

Модели и определения

В модели асинхронного BFT система состоит из n = 3f + 1 процессов, где f процессов могут быть злонамеренно нарушены 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, чтобы обеспечить подлинность и целостность сообщений.

Консенсус блокчейна

Протоколы консенсуса блокчейна направлены на то, чтобы все честные узлы согласовывали состояние блокчейна. Конкретно, каждый узел постоянно получает новые транзакции и упаковывает их в блоки, обеспечивая согласование этих блоков на всех честных узлах с помощью протокола консенсуса. Протоколы консенсуса блокчейна должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• Активность (Liveness): в бесконечном выполнении существует бесконечно длинная решенная блокчейн.
• Консистентность (Consistency): Если существует две окончательно определенные блокчейна, то одна из них должна быть префиксом другой.
• P-качество (P-Quality): в уже определенной блокчейн-сети доля транзакций, вводимых честными узлами, составляет не менее p.

Проблемы текущего асинхронного консенсусного протокола

Текущие асинхронные протоколы согласия сталкиваются с различными вызовами, включая атаки, вызванные отсутствием проверки аутентификации, атаки, использующие стратегии повышения для препятствования активности, а также атаки на согласованность, вызванные ослаблением определения аутентификации лидеров. Хотя некоторые протоколы внедрили новые механизмы, такие как параллельная работа нескольких экземпляров, они все еще не смогли полностью решить эти проблемы.

Новый дизайн протокола: 2PAC (двухфазный асинхронный консенсус)

На основе анализа существующих протоколов было предложено соглашение 2PAC. Этот протокол значительно улучшает производительность за счет упрощения и оптимизации процесса консенсуса. В частности, он включает два варианта:

2PAКаlean:

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

2PACBIG:

• Это самый быстрый протокол консенсуса блокчейна с текущей сложностью сообщений O(n³).
• Безотказное время одной MVBA составляет 4δ, что значительно снижает задержку.

Супербыстрая конвейерная блокчейн

Исследование предложило новый дизайн конвейерного блока, который значительно уменьшает задержку конвейерного блока. Внедряя механизм быстрого пути, время принятия решений конвейерного блока даже меньше, чем у неконвейерного блока при справедливом планировщике. Этот механизм гарантирует задержку быстрого пути во всех исполнениях и не подвержен влиянию поведения сбойных процессов.

Результаты квантования

Согласно теоретическому анализу и практическим испытаниям, ожидаемая задержка 2PAClean в наихудшем случае составляет 9.5δ, а в благоприятном случае (без сбоев и полуправильного планировщика) — 6δ. В сравнении, ожидаемая задержка sMVBA составляет 10δ, а в благоприятном случае — 6δ. Таким образом, 2PAClean уменьшает задержку в наихудшем случае на 0.5δ при сохранении такой же задержки в благоприятном случае. Кроме того, throughput 2PAClean увеличился на 80% до 100% по сравнению с цепочечной sMVBA, что в основном связано с тем, что новый дизайн избегает ненужных потерь блоков и вычислительных затрат.

2PACBIG как протокол с сложностью сообщений O(n³), имеет время выполнения одной MVBA 4δ, что быстрее, чем у всех существующих протоколов. Кроме того, супербыстрый конвейерный блок-дизайн позволяет s2PAClean и s2PACBIG достигать времени принятия решений конвейерного блока в 4δ и 3δ соответственно, что еще больше улучшает производительность протокола.

Оценка расчетов

Для проверки производительности нового протокола было проведено обширное вычислительное оценивание. Результаты показали, что 2PAClean и 2PACBIG демонстрируют отличные показатели в различных сетевых условиях, особенно в средах с высокой задержкой и высокой частотой сбоев. В частности, 2PAClean достигает хорошего баланса 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 технологии блокчейн асинхронные BFT-протоколы консенсуса будут играть все более важную роль в обеспечении безопасности и повышении производительности. Дизайн 2PAC и сверхбыстрой конвейерной блока демонстрирует направление развития будущих протоколов консенсуса блокчейн, а именно через упрощение структуры протокола и оптимизацию процесса консенсуса для достижения более высокой пропускной способности и 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 безопасности нового протокола в различных сценариях атак, чтобы гарантировать его надежность в реальных приложениях.
3. Практическое применение: внедрение нового протокола в реальные блокчейн-системы для проверки его производительности в условиях реальной сети.

Данное исследование подробно анализирует преимущества и недостатки текущих асинхронных блокчейн-протоколов согласия и предлагает два новых проектирования протоколов: 2PAC и сверхбыстрая конвейерная блокировка. Новые разработки показывают значительные преимущества в повышении пропускной способности и снижении задержки, что предоставляет важные ссылки для будущего развития блокчейн-технологий. Эти новые протоколы не только теоретически доказали свое превосходство, но и продемонстрировали выдающуюся производительность в практических испытаниях, предоставляя новые идеи для реализации эффективных и безопасных протоколов согласия в блокчейне.

Путем постоянных исследований и оптимизации, технологии блокчейн будут играть все более важную роль в будущем цифровой экономики, а новые поколения консенсусных протоколов обеспечат прочную основу для развития этой технологии.