Tiến triển và ứng dụng mới nhất của giao thức đồng thuận blockchain

Công nghệ blockchain, như một loại công nghệ sổ cái phân tán phi tập trung, đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu thông qua cơ chế đồng thuận. Cơ chế đồng thuận là cốt lõi của hệ thống blockchain, hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mở rộng và tính bảo mật của blockchain. Cơ chế đồng thuận BFT (tolerant Byzantine fault) không đồng bộ có những lợi thế độc đáo trong việc đối phó với độ trễ mạng và sự cố của một số nút, do đó trở thành trọng tâm nghiên cứu.

Nghiên cứu này khám phá tình trạng phát triển của các giao thức đồng thuận blockchain, tập trung phân tích những tiến bộ mới nhất của giao thức sao chép trạng thái Byzantine Fault Tolerant (BFT SMR) không đồng bộ. Giao thức không đồng bộ nhanh nhất hiện tại là sMVBA, với độ trễ dự kiến là 10δ. Nghiên cứu cũng đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC (Đồng thuận không đồng bộ 2 giai đoạn) và khối siêu nhanh, cho thấy sự cải tiến đáng kể về thông lượng và độ trễ.

Mô hình và định nghĩa

Trong mô hình BFT bất đồng bộ, hệ thống bao gồm n = 3f + 1 tiến trình, trong đó f tiến trình có thể bị đối thủ phá hoại một cách ác ý. Những tiến trình này giao tiếp với nhau thông qua các kênh bất đồng bộ, độ trễ trong việc truyền tải tin nhắn do đối thủ kiểm soát. Mỗi tiến trình sở hữu một cặp khóa công khai và riêng tư để ký và xác thực, đảm bảo tính xác thực và toàn vẹn của tin nhắn.

Sự đồng thuận trong blockchain

Giao thức đồng thuận blockchain nhằm mục đích đạt được sự đồng nhất về trạng thái của blockchain giữa tất cả các nút trung thực. Cụ thể, mỗi nút liên tục nhận các giao dịch mới và đóng gói chúng thành các khối, đảm bảo rằng các khối này đạt được sự đồng nhất trên tất cả các nút trung thực thông qua giao thức đồng thuận. Giao thức đồng thuận blockchain cần đáp ứng một số yêu cầu cơ bản sau:

• Tính sống động (Liveness): Trong quá trình thực thi vô hạn, tồn tại một chuỗi blockchain đã được quyết định vô hạn.
• Tính nhất quán (Consistency): Nếu có hai chuỗi blockchain đã được quyết định, thì một trong hai chuỗi đó phải là tiền tố của chuỗi kia.
• P chất lượng (P-Quality): Trong blockchain đã được quyết định, tỷ lệ giao dịch do các nút trung thực cung cấp phải ít nhất là p.

Thách thức của giao thức đồng thuận bất đồng bộ hiện tại

Hiện tại, giao thức đồng thuận bất đồng bộ đang phải đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm các cuộc tấn công do thiếu chứng thực xác thực, các cuộc tấn công cản trở tính khả dụng bằng cách sử dụng các chiến lược nâng cao, cũng như các cuộc tấn công nhất quán do việc nới lỏng định nghĩa chứng thực lãnh đạo. Mặc dù một số giao thức đã giới thiệu các cơ chế mới, như việc chạy nhiều phiên bản song song, nhưng vẫn chưa thể giải quyết hoàn toàn những vấn đề này.

Thiết kế giao thức mới: 2PAC (Đồng thuận bất đồng bộ giai đoạn 2)

Dựa trên phân tích các giao thức hiện có, nghiên cứu đã đề xuất giao thức 2PAC. Giao thức này thông qua việc đơn giản hóa và tối ưu hóa quá trình đồng thuận, đã nâng cao hiệu suất một cách đáng kể. Cụ thể bao gồm hai biến thể:

2PAClean：

• Đã đạt được +90% công suất và độ trễ kỳ vọng 9.5δ, độ phức tạp thông điệp là O(n²).
• Nâng cao hiệu quả của giao thức bằng cách loại bỏ các tương tác và chi phí tính toán không cần thiết.

2PACBIG：

• Là giao thức đồng thuận blockchain nhanh nhất hiện nay với độ phức tạp thông báo là O(n³).
• Thời gian chạy MVBA một lần không có lỗi là 4δ, giảm thiểu độ trễ một cách đáng kể.

Dòng chảy siêu nhanh

Nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế khối chuỗi mới, giảm đáng kể độ trễ của khối chuỗi. Bằng cách giới thiệu cơ chế đường nhanh, thời gian quyết định của khối chuỗi thậm chí còn nhỏ hơn cả khối không phải chuỗi dưới trình lập lịch công bằng. Cơ chế này đảm bảo độ trễ của đường nhanh trong tất cả các lần thực thi và không bị ảnh hưởng bởi hành vi của các tiến trình bị lỗi.

Kết quả định lượng

Thông qua phân tích lý thuyết và thử nghiệm thực tế, độ trễ dự kiến trong trường hợp xấu nhất của 2PAClean là 9.5δ, trong khi trong trường hợp tốt (không có lỗi và bộ lập lịch bán công bằng) là 6δ. So với đó, độ trễ dự kiến của sMVBA là 10δ, trong trường hợp tốt là 6δ. Do đó, 2PAClean đã giảm độ trễ trong trường hợp xấu nhất xuống 0.5δ trong khi vẫn giữ độ trễ trong trường hợp tốt giống nhau. Hơn nữa, thông lượng của 2PAClean so với sMVBA dạng chuỗi đã tăng từ 80% đến 100%, chủ yếu do thiết kế mới đã tránh được việc loại bỏ khối không cần thiết và chi phí tính toán.

2PACBIG là một giao thức có độ phức tạp thông báo O(n³), với thời gian chạy MVBA một lần là 4δ, nhanh hơn tất cả các giao thức hiện có. Hơn nữa, thiết kế khối dòng siêu nhanh cho phép s2PAClean và s2PACBIG đạt thời gian quyết định khối dòng lần lượt là 4δ và 3δ, nâng cao hiệu suất của giao thức.

Tính toán đánh giá

Để xác minh hiệu suất của giao thức mới, nghiên cứu đã thực hiện đánh giá tính toán rộng rãi. Kết quả cho thấy, 2PAClean và 2PACBIG thể hiện hiệu suất xuất sắc trong nhiều điều kiện mạng khác nhau, đặc biệt là trong môi trường có độ trễ cao và tỷ lệ lỗi cao. Cụ thể, 2PAClean đạt được sự cân bằng tốt giữa độ trễ truyền thông và độ phức tạp tính toán, trong khi 2PACBIG thông qua việc phân tán và tối ưu hóa quy trình bỏ phiếu, đạt được độ trễ thấp hơn.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ blockchain, giao thức đồng thuận BFT không đồng bộ sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đảm bảo an ninh và cải thiện hiệu suất. Thiết kế 2PAC và khối ống siêu nhanh cho thấy hướng phát triển của các giao thức đồng thuận blockchain trong tương lai, đó là thông qua việc đơn giản hóa cấu trúc giao thức và tối ưu hóa quy trình đồng thuận, đạt được thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn.

Hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu tương lai có thể khám phá thêm một số hướng sau:

1. Tối ưu hóa giao thức: Đơn giản hóa và tối ưu hóa cấu trúc giao thức hơn nữa, giảm bớt việc truyền tin nhắn không cần thiết và chi phí tính toán.
2. Phân tích an toàn: Phân tích sâu sắc về tính an toàn của giao thức mới trong các tình huống tấn công khác nhau, đảm bảo tính đáng tin cậy của nó trong ứng dụng thực tế.
3. Ứng dụng thực tế: Áp dụng giao thức mới vào các hệ thống blockchain thực tế, xác minh hiệu suất của nó trong môi trường mạng thực.

Nghiên cứu này phân tích chi tiết những ưu và nhược điểm của các giao thức đồng thuận blockchain bất đồng bộ hiện tại, và đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC và khối siêu nhanh. Thiết kế mới thể hiện lợi thế đáng kể trong việc tăng cường thông lượng và giảm độ trễ, cung cấp tham khảo quan trọng cho sự phát triển công nghệ blockchain trong tương lai. Những giao thức mới này không chỉ chứng minh được ưu thế của chúng trên lý thuyết mà còn thể hiện hiệu suất xuất sắc trong các thử nghiệm thực tế, cung cấp hướng đi mới cho việc đạt được giao thức đồng thuận blockchain hiệu quả và an toàn.

Thông qua việc nghiên cứu và tối ưu hóa liên tục, công nghệ blockchain sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nền kinh tế số trong tương lai, trong khi các giao thức đồng thuận thế hệ mới sẽ cung cấp nền tảng vững chắc cho sự phát triển của công nghệ này.