Últimos avances y aplicaciones de los protocolos de consenso en blockchain

Este informe explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de blockchain, centrándose en el análisis de los últimos avances en el protocolo de replicación de máquinas de estado de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). Actualmente, sMVBA es el protocolo MVBA asíncrono más rápido, con una latencia esperada de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tubería ultrarrápidos, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.

La tecnología blockchain, como una tecnología de libro de contabilidad distribuido y descentralizado, garantiza la integridad y consistencia de los datos a través de mecanismos de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema blockchain, y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y seguridad de la blockchain. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT) tiene ventajas únicas para enfrentar la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un foco de investigación.

Modelos y Definiciones

En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos por un adversario. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la entrega de mensajes es controlado por el adversario. Cada proceso posee un par de claves pública y privada para la firma y verificación, asegurando la autenticidad y la integridad de los mensajes.

Consenso de blockchain

El protocolo de consenso de blockchain tiene como objetivo lograr que todos los nodos honestos estén de acuerdo sobre el estado de la blockchain. Cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques se acuerden en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de blockchain debe cumplir con requisitos básicos como la actividad, la consistencia y la calidad P.

Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono

Los protocolos de consenso asíncronos más rápidos actuales presentan múltiples formas de ataque que pueden comprometer su consistencia y vitalidad. Estos problemas incluyen ataques que resultan de la falta de verificación y autenticación, ataques que obstaculizan la vitalidad mediante estrategias de mejora y ataques de consistencia derivados de una definición laxa de la autenticación del líder, entre otros. A pesar de la introducción de algunos nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias, aún no se han resuelto completamente estos problemas.

Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases)

Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Incluye específicamente dos variantes:

1. 2PAClean: logró más del 90% de rendimiento y una latencia esperada de 9.5δ, con una complejidad de mensajes de O(n²). Al eliminar interacciones innecesarias y costos de cálculo, se mejoró la eficiencia del protocolo.

2. 2PACBIG: es el protocolo de consenso blockchain más rápido con una complejidad de mensaje de O(n³). El tiempo de ejecución de una sola MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce drásticamente la latencia.

Línea de bloques de súper rápida

Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloques en pipeline que reduce significativamente la latencia de los bloques en pipeline. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en pipeline es incluso menor que el de los bloques no en pipeline bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos fallidos.

Resultados de cuantificación

A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, el retraso esperado de 2PAClean en el peor de los casos es de 9.5δ, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) es de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en el mejor de los casos es de 6δ. El rendimiento de 2PAClean aumenta entre un 80% y un 100% en comparación con el sMVBA en cadena, lo que se debe principalmente a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y los costos de cálculo.

2PACBIG, como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA por única vez de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tubería ultrarrápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.

Evaluación de Cálculos

Para validar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron amplias evaluaciones computacionales. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG exhibieron un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia en el envío de mensajes y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG alcanzó una menor latencia mediante la paralelización y optimización del proceso de votación.

Con el continuo desarrollo de la tecnología blockchain, el protocolo de consenso BFT asíncrono jugará un papel cada vez más importante en garantizar la seguridad y mejorar el rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultrarrápida muestran la dirección futura del desarrollo de los protocolos de consenso de blockchain, es decir, lograr un mayor rendimiento y una menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.

Direcciones futuras de investigación

1. Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la mensajería innecesaria y los costos de cálculo.

2. Análisis de seguridad: análisis profundo de la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.

3. Aplicación práctica: implementar el nuevo protocolo en sistemas de blockchain reales para verificar su rendimiento en un entorno de red real.

Este informe analiza en detalle las ventajas y desventajas de los actuales protocolos de consenso en blockchain asíncrono y propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y bloques de canalización ultra rápida. Los nuevos diseños muestran ventajas significativas en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología blockchain. Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad teórica, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr protocolos de consenso en blockchain eficientes y seguros.

A través de la investigación y optimización continua, la tecnología blockchain desempeñará un papel cada vez más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.