Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Блокчейн технологія, як децентралізована розподілена технологія бухгалтерського обліку, забезпечує цілісність і узгодженість даних через механізм консенсусу. Механізм консенсусу є ядром системи блокчейн, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку блокчейну. Асинхронний візантійський відмовостійкий (BFT) механізм консенсусу має унікальні переваги у вирішенні проблем затримки в мережі та часткових відмов вузлів, тому став предметом дослідження.

Цей звіт досліджує сучасний стан розвитку протоколів консенсусу Блокчейн, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях протоколу асинхронного байєсівського толерантного до помилок станового машинного реплікації (BFT SMR). Наразі найшвидшим асинхронним протоколом є 2-chain VABA, але через наявність вразливостей його очікувана затримка 9.5δ не була реалізована. Тому sMVBA став найшвидшим асинхронним MVBA протоколом з очікуваною затримкою 10δ. У звіті також представлені два нові проєктування протоколів, а саме 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус) та надшвидка конвеєрна блокчейн, які демонструють значні покращення в продуктивності та затримці.

Моделі та визначення

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути навмисно зламані супротивником. Ці процеси спілкуються між собою через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару відкритих і закритих ключів для підписування та перевірки, що забезпечує достовірність і цілісність повідомлень.

Блокчейн Консенсус

Блокчейн Консенсус протокол має на меті забезпечити досягнення згоди між усіма чесними вузлами щодо стану Блокчейн. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у Блоки, забезпечуючи досягнення згоди щодо цих Блоків серед усіх чесних вузлів через Консенсус протокол. Блокчейн Консенсус протокол повинен відповідати кільком основним вимогам:

• Активність: у безкінечному виконанні існує безкінечно довгий вже визначений Блокчейн.
• Узгодженість: якщо існує дві визначені Блокчейн, одна з них повинна бути префіксом іншої.
• Pякість: в уже визначеному Блокчейн, частка транзакцій, введених чесними вузлами, має становити не менше p.

Виклики поточного асинхронного консенсусу протоколу

Наразі найшвидшим асинхронним протоколом консенсусу є 2-chain VABA, його очікувана затримка становить 9.5δ. Проте, цей протокол має кілька способів атак, які порушують його узгодженість і активність. Наприклад, атаки, що виникають через відсутність перевірки автентифікації, атаки, що використовують стратегії підвищення для перешкоджання активності, а також атаки узгодженості, пов'язані з пом'якшенням визначення автентифікації лідера. Хоча 2-chain VABA впроваджує деякі нові механізми, такі як паралельне виконання декількох паралельних екземплярів, він все ще не зміг повністю вирішити ці проблеми.

Новий дизайн протоколу: 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу Консенсусу. Конкретно це включає два варіанти:

1. 2PAClean:

   • Реалізовано +90% пропускної здатності та очікувана затримка 9.5δ, складність повідомлення O(n²).
   • Підвищено ефективність протоколу шляхом усунення непотрібних взаємодій та обчислювальних витрат.
2. 2. ПАКБІГ:
   • Це наразі найшвидший протокол консенсусу Блокчейн з складністю повідомлень O(n³).
   • Безвідмовний час одноразового виконання MVBA становить 4δ, що суттєво знижує затримку.

Супершвидка конвеєрна Блок

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрного Блока, який значно зменшує затримку конвеєрних Блоків. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, в умовах справедливого планувальника, час прийняття рішень конвеєрного Блока навіть менший, ніж у не конвеєрного Блока. Цей механізм гарантує затримку швидкого шляху в усіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Результати квантування

За допомогою теоретичного аналізу та практичного тестування, у 2PAClean очікувана затримка в найгіршому випадку становить 9.5δ, а в хорошому випадку (без збоїв і напівсправедливий планувальник) - 6δ. У порівнянні, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, в хорошому випадку - 6δ. Таким чином, 2PAClean зменшила затримку в найгіршому випадку на 0.5δ, зберігаючи при цьому таку ж затримку в хорошому випадку. Крім того, пропускна спроможність 2PAClean у порівнянні з ланцюговим sMVBA зросла на 80% до 100%, що в основному пояснюється уникненням непотрібного скидання блоків і обчислювальних витрат у новому дизайні.

2PACBIG як протокол з комплексністю повідомлень O(n³), його одноразовий час виконання MVBA становить 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи. Крім того, надшвидкий конвеєрний дизайн блоків дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягати відповідно 4δ і 3δ часу прийняття рішень конвеєрних блоків, що ще більше підвищує продуктивність протоколу.

Обчислення оцінки

Щоб перевірити продуктивність нового протоколу, дослідники провели широкі обчислювальні оцінки. Результати показали, що 2PAClean та 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність за різних мережевих умов, особливо в середовищах з високою затримкою та високою частотою відмов. Зокрема, 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень та обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG забезпечує нижчу затримку завдяки паралелізації та оптимізації процесу голосування.

З розвитком технології Блокчейн, асинхронний протокол Консенсусу BFT відіграватиме все більш важливу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC і надшвидких конвеєрних Блоків демонструє напрямок розвитку майбутніх протоколів Консенсусу Блокчейн, а саме через спрощення структури протоколу та оптимізацію процесу Консенсусу для досягнення більшої пропускної здатності та меншої затримки.

Майбутні напрямки досліджень

Майбутні дослідження можуть далі досліджувати такі напрямки:

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібної передачі повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: глибокий аналіз нової протокольної безпеки в різних сценаріях атаки, щоб забезпечити її надійність у реальному застосуванні.
3. Фактичне застосування: застосування нового протоколу в реальних системах Блокчейн для перевірки його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Через постійні дослідження та оптимізацію, ми маємо підстави вірити, що технологія Блокчейн відіграватиме дедалі важливішу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління Консенсус протоколів забезпечить міцну основу для розвитку цієї технології.