Derniers développements et applications des protocoles de consensus blockchain

Ce rapport examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus blockchain, en mettant l'accent sur les derniers progrès du protocole de réplication de machine d'état tolérante aux fautes de Byzantine asynchrone (BFT SMR). Actuellement, sMVBA est le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un délai prévu de 10δ. Le rapport propose également deux nouvelles conceptions de protocoles, à savoir 2PAC (Consensus asynchrone en 2 phases) et la blockchain ultra-rapide en pipeline, qui montrent des améliorations significatives en termes de débit et de délai.

La technologie blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, assure l'intégrité et la cohérence des données grâce à des mécanismes de consensus. Les mécanismes de consensus sont au cœur des systèmes blockchain, et leurs performances influencent directement l'évolutivité et la sécurité de la blockchain. Le mécanisme de consensus tolérant aux fautes byzantines asynchrone (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux retards réseau et aux défaillances partielles des nœuds, ce qui en fait un sujet de recherche clé.

Modèles et définitions

Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être malicieusement compromise par un adversaire. Ces processus communiquent entre eux par des canaux asynchrones, le délai de transmission des messages étant contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.

Consensus blockchain

Le protocole de consensus blockchain vise à permettre à tous les nœuds honnêtes de parvenir à un accord sur l'état de la blockchain. Chaque nœud reçoit en permanence de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant à l'aide du protocole de consensus que ces blocs sont convenus par tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus blockchain doit répondre à des exigences fondamentales telles que l'activité, la cohérence et la qualité P.

Défis actuels des protocoles de consensus asynchrone

Les protocoles de consensus asynchrone les plus rapides actuels présentent plusieurs types d'attaques pouvant compromettre leur cohérence et leur vitalité. Ces problèmes incluent les attaques dues à un manque de vérification et d'authentification, les attaques visant à entraver la vitalité en utilisant des stratégies d'amélioration, ainsi que les attaques de cohérence résultant d'une définition assouplie de l'authentification des leaders, entre autres. Bien que certaines nouvelles mécanismes, tels que l'exécution parallèle de plusieurs instances parallèles, aient été introduits, ces problèmes n'ont pas encore été complètement résolus.

Conception du nouveau protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)

Sur la base de l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de consensus. Il comprend spécifiquement deux variantes :

1. 2PAClean : a réalisé une capacité de +90% et un délai d'attente prévu de 9.5δ, avec une complexité de message de O(n²). En éliminant les interactions et les frais de calcul inutiles, l'efficacité du protocole a été améliorée.

2. 2PACBIG : est le protocole de consensus blockchain le plus rapide avec une complexité de message actuelle de O(n³). Le temps d'exécution d'un MVBA sans faute est de 4δ, ce qui réduit considérablement la latence.

Chaîne de blocs ultra-rapide

Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline, réduisant significativement la latence des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline sous un ordonnanceur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus défaillants.

Résultats de la quantification

À travers une analyse théorique et des tests pratiques, le délai d'attente prévu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans défaillance et avec un ordonnanceur semi-équitable), il est de 6δ. En comparaison, le délai d'attente prévu de sMVBA est de 10δ, et dans le meilleur des cas, il est de 6δ. Le débit de 2PAClean est amélioré de 80 % à 100 % par rapport à la sMVBA en chaîne, principalement en raison de l'évitement des abandons de blocs inutiles et des frais de calcul dans la nouvelle conception.

2PACBIG en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. De plus, la conception de blocs en pipeline ultra-rapide permet à s2PAClean et s2PACBIG d'atteindre respectivement des temps de décision de blocs en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant ainsi davantage les performances du protocole.

Évaluation de calcul

Pour évaluer les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont réalisé une vaste évaluation computationnelle. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG présentent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à taux de défaillance élevé. 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence de transmission des messages et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG atteint une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.

Avec le développement constant de la technologie blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration des performances. La conception de 2PAC et des blocs à pipeline ultra-rapide montre la direction de développement des protocoles de consensus blockchain futurs, qui consiste à réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure des protocoles et en optimisant le processus de consensus.

Directions de recherche futures

1. Optimisation du protocole : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les transmissions de messages inutiles et les frais de calcul.

2. Analyse de la sécurité : analyse approfondie de la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin de garantir sa fiabilité dans les applications réelles.

3. Application réelle : Appliquer le nouveau protocole dans des systèmes blockchain réels pour vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.

Ce rapport analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus blockchain asynchrones actuels et propose deux nouvelles conceptions de protocoles, à savoir 2PAC et le bloc en pipeline ultra-rapide. Les nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en matière de débit et de réduction de latence, fournissant une référence importante pour le développement futur de la technologie blockchain. Ces nouveaux protocoles prouvent non seulement leur supériorité sur le plan théorique, mais démontrent également des performances remarquables lors des tests pratiques, offrant de nouvelles idées pour réaliser des protocoles de consensus blockchain efficaces et sûrs.

Grâce à des recherches et à des optimisations constantes, la technologie blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique de demain, tandis qu'une nouvelle génération de protocoles de consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.