Останні досягнення та застосування консенсусних протоколів блокчейн

Технологія блокчейн, як децентралізована розподілена технологія бухгалтерського обліку, забезпечує цілісність і узгодженість даних через механізм досягнення консенсусу. Механізм консенсусу є основою системи блокчейн, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку блокчейну. Асинхронний алгоритм досягнення консенсусу на основі байєзянської помилки (BFT) має унікальні переваги в умовах затримки мережі та часткової відмови вузлів, тому став предметом особливої уваги в дослідженнях.

Дане дослідження вивчає сучасний стан розвитку протоколів консенсусу в блокчейні, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях у протоколі асинхронного візантійського відмовостійкого реплікування станів (BFT SMR). Наразі найшвидший асинхронний протокол - це sMVBA, з очікуваною затримкою 10δ. Дослідження також пропонує два нові дизайни протоколів, а саме 2PAC (двоетапний асинхронний консенсус) та надшвидкісні конвеєрні блоки, які демонструють значні поліпшення в пропускній здатності та затримці.

Моделі та визначення

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно знищені супротивником. Ці процеси взаємодіють один з одним через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару публічного та приватного ключів для підписування та перевірки, що забезпечує автентичність та цілісність повідомлень.

Консенсус блокчейну

Протокол консенсусу блокчейну має на меті забезпечити узгодженість стану блокчейну серед усіх чесних вузлів. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у блоки, забезпечуючи узгодженість цих блоків серед усіх чесних вузлів за допомогою протоколу консенсусу. Протокол консенсусу блокчейну повинен відповідати кільком основним вимогам:

• Активність (Liveness): в умовах безкінечного виконання існує безкінечно довгий визначений блокчейн.
• Узгодженість (Consistency): якщо існує дві визначені блокчейни, то одна з них повинна бути префіксом іншої.
• P-якість (P-Quality): у вже визначеному блокчейні частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить принаймні p.

Виклики поточного асинхронного консенсусного протоколу

Актуальні асинхронні протоколи консенсусу стикаються з різними викликами, зокрема атаками, викликаними відсутністю перевірки автентичності, атаками, що перешкоджають активності за допомогою стратегій підвищення, а також атаками на узгодженість, викликаними послабленням визначення автентичності лідера. Хоча деякі протоколи впровадили нові механізми, такі як паралельне виконання кількох паралельних інстанцій, ці проблеми все ще не вирішені повністю.

Новий дизайн протоколу: 2PAC (двофазний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів було запропоновано протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Зокрема, він включає два варіанти:

2PAClean:

• Досягнуто +90% пропускної спроможності та очікуваної затримки 9.5δ, складність повідомлення O(n²).
• Підвищено ефективність протоколу шляхом усунення непотрібних взаємодій і витрат на обчислення.

2PACBIG:

• Це найшвидший протокол консенсусу блокчейну з поточною складністю повідомлень O(n³).
• Безвідмовний час одноразового виконання MVBA становить 4δ, що суттєво зменшує затримку.

Надшвидка конвеєрна блокчейн-система

Дослідження пропонує новий дизайн конвеєрних блоків, який значно зменшує затримку конвеєрних блоків. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, час прийняття рішень для конвеєрних блоків навіть менший, ніж для не конвеєрних блоків, за умови справедливого планувальника. Цей механізм гарантує затримку швидкого шляху в усіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Кількісні результати

Через теоретичний аналіз і практичні випробування, очікуване затримання 2PAClean в найгіршому випадку становить 9.5δ, а в хорошому випадку (без збоїв і напівсправедливий планувальник) – 6δ. У порівнянні з цим, очікуване затримання sMVBA становить 10δ, в хорошому випадку – 6δ. Отже, 2PAClean зменшив затримання в найгіршому випадку на 0.5δ, зберігаючи таку ж затримку в хорошому випадку. Крім того, пропускна здатність 2PAClean зросла на 80% до 100% в порівнянні з ланцюговим sMVBA, що в основному зумовлено уникненням непотрібного скидання блоків і обчислювальних витрат у новому дизайні.

2PACBIG як протокол з складністю повідомлень O(n³) має час виконання MVBA за одну ітерацію 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи. Крім того, надшвидкий конвеєрний дизайн блоків дозволяє s2PAClean та s2PACBIG досягти часу прийняття рішень конвеєрних блоків 4δ та 3δ відповідно, що ще більше покращує продуктивність протоколу.

Оцінка обчислень

Для перевірки продуктивності нового протоколу було проведено широке обчислювальне оцінювання. Результати показали, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність за різних мережевих умов, особливо в середовищах з високою затримкою та високим рівнем відмов. Конкретно, 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень і обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG за рахунок паралелізації та оптимізації процесу голосування забезпечує нижчу затримку.

З розвитком технології блокчейн асинхронний BFT консенсусний протокол відіграватиме все більш важливу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC та надшвидких конвеєрних блоків демонструє напрямок розвитку майбутніх консенсусних протоколів блокчейн, а саме, спростивши структуру протоколу та оптимізуючи процес консенсусу, досягти вищої пропускної здатності та нижчої затримки.

Майбутні напрямки досліджень

Наступні дослідження можуть далі вивчити такі напрямки:

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібної передачі повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: глибокий аналіз безпеки нового протоколу в різних сценаріях атак, щоб забезпечити його надійність у практичному застосуванні.
3. Фактичне застосування: застосування нових протоколів у реальних блокчейн-системах для перевірки їх продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Дане дослідження детально аналізує переваги та недоліки сучасних асинхронних протоколів консенсусу у блокчейні та пропонує два нові проекти протоколів, а саме 2PAC та надшвидку конвеєрну блокчейн-систему. Нові проекти демонструють значні переваги у підвищенні пропускної здатності та зменшенні затримок, що надає важливі вказівки для розвитку технологій блокчейну у майбутньому. Ці нові протоколи не лише теоретично довели свою перевагу, але й продемонстрували видатні результати у практичних випробуваннях, пропонуючи нові підходи для досягнення ефективних та безпечних протоколів консенсусу у блокчейні.

Шляхом постійних досліджень та оптимізації технологія блокчейн відіграватиме ще більш важливу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління консенсусних протоколів надасть цій технології міцну основу для розвитку.