Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain

Laporan ini membahas perkembangan terkini dari protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status Byzantine fault-tolerant asinkron (BFT SMR). Saat ini, sMVBA adalah protokol MVBA asinkron tercepat, dengan latensi yang diharapkan sebesar 10δ. Laporan ini juga mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron dua tahap) dan blok pipeline super cepat, yang menunjukkan peningkatan signifikan dalam throughput dan latensi.

Teknologi blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, dan kinerjanya secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi keterlambatan jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.

Model dan Definisi

Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses dapat dirusak oleh lawan dengan niat jahat. Proses-proses ini saling berkomunikasi melalui saluran asinkron, dan penundaan pengiriman pesan dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Konsensus Blockchain

Protokol konsensus blockchain bertujuan untuk membuat semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi blok, memastikan bahwa blok-blok ini mencapai kesepakatan di semua node yang jujur melalui protokol konsensus. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi persyaratan dasar seperti keaktifan, konsistensi, dan kualitas P.

Tantangan Protokol Konsensus Asinkron Saat Ini

Protokol konsensus asinkron tercepat saat ini memiliki berbagai cara serangan yang dapat merusak konsistensi dan aktivitasnya. Masalah ini termasuk serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan otentikasi, serangan yang memanfaatkan strategi peningkatan untuk menghalangi aktivitas, serta serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi otentikasi pemimpin. Meskipun beberapa mekanisme baru telah diperkenalkan, seperti operasi paralel beberapa instance, masalah ini belum sepenuhnya teratasi.

Desain Protokol Baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2)

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, peneliti mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Secara spesifik, terdapat dua varian:

1. 2PAClean: Mencapai +90% throughput dan 9.5δ latensi yang diharapkan, kompleksitas pesan adalah O(n²). Dengan menghilangkan interaksi dan biaya komputasi yang tidak perlu, efisiensi protokol ditingkatkan.

2. 2PACBIG: adalah protokol konsensus blockchain tercepat dengan kompleksitas pesan O(n³) saat ini. Waktu eksekusi MVBA tunggal tanpa kesalahan adalah 4δ, yang secara signifikan mengurangi latensi.

Jalur Aliran Super Cepat

Peneliti telah mengusulkan desain blok pipa baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok pipa. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, waktu keputusan blok pipa bahkan lebih kecil dibandingkan dengan blok non-pipa di bawah penjadwalan yang adil. Mekanisme ini menjamin latensi jalur cepat dalam semua eksekusi dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.

Hasil Kuantitatif

Melalui analisis teoretis dan pengujian praktis, ekspektasi keterlambatan terburuk 2PAClean adalah 9.5δ, sedangkan dalam kondisi baik (tanpa kesalahan dan penjadwal setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, ekspektasi keterlambatan sMVBA adalah 10δ, dalam kondisi baik adalah 6δ. Melalui desain baru, throughput 2PAClean meningkat 80% hingga 100% dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai, yang terutama disebabkan oleh penghindaran pembuangan blok yang tidak perlu dan pengurangan beban komputasi.

2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), waktu operasi MVBA sekali adalah 4δ, lebih cepat daripada semua protokol yang ada saat ini. Selain itu, desain blok pipa super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG mencapai waktu keputusan blok pipa 4δ dan 3δ masing-masing, lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.

Evaluasi Perhitungan

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, para peneliti melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasilnya menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang sangat baik di berbagai kondisi jaringan, terutama dalam lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kegagalan tinggi. 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan pengoptimalan proses pemungutan suara.

Seiring dengan perkembangan teknologi blockchain yang terus berlanjut, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam menjamin keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan blok pipa super cepat menunjukkan arah perkembangan protokol konsensus blockchain di masa depan, yaitu dengan menyederhanakan struktur protokol dan mengoptimalkan proses konsensus, untuk mencapai throughput yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah.

Arah Penelitian Masa Depan

1. Optimasi Protokol: Lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan dan biaya komputasi yang tidak perlu.

2. Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan, memastikan keandalannya dalam aplikasi praktis.

3. Aplikasi Nyata: Menerapkan protokol baru dalam sistem blockchain yang nyata, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.

Laporan ini menganalisis secara mendetail kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, serta mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan blok pipeline super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk perkembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teoritis, tetapi juga menunjukkan kinerja luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan pemikiran baru untuk mencapai protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.

Melalui penelitian dan optimisasi yang terus-menerus, teknologi blockchain akan memainkan peran yang semakin penting dalam ekonomi digital di masa depan, sementara generasi baru protokol konsensus akan memberikan dasar yang kuat untuk pengembangan teknologi ini.