Os últimos avanços e aplicações dos protocolos de consenso em blockchain

Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento dos protocolos de consenso em blockchain, com foco na análise dos mais recentes avanços do protocolo de replicação de máquina de estado tolerante a falhas bizantinas assíncrona (BFT SMR). Atualmente, o sMVBA é o protocolo assíncrono MVBA mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O relatório também apresenta dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC (consenso assíncrono de 2 fases) e blocos super-rápidos em pipeline, que demonstraram melhorias significativas em termos de throughput e latência.

A tecnologia blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído e descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo do sistema blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança da blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na abordagem de latências de rede e falhas de nós, tornando-se, portanto, um foco de pesquisa.

Modelos e Definições

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos pelo adversário. Estes processos comunicam-se entre si através de canais assíncronos, e o atraso na entrega das mensagens é controlado pelo adversário. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

Consenso de Blockchain

O protocolo de consenso da blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da blockchain. Cada nó recebe constantemente novas transações e as agrupa em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados em todos os nós honestos. O protocolo de consenso da blockchain deve atender a requisitos básicos como a atividade, a consistência e a qualidade P.

Desafios atuais dos protocolos de consenso assíncrono

Os protocolos de consenso assíncronos mais rápidos atualmente apresentam várias maneiras de ataque, que podem comprometer sua consistência e atividade. Esses problemas incluem ataques resultantes da falta de verificação e autenticação, ataques que utilizam estratégias de melhoria para obstruir a atividade, e ataques de consistência devido à flexibilização da definição de autenticação dos líderes, entre outros. Embora tenham sido introduzidos alguns novos mecanismos, como a execução paralela de múltiplas instâncias, ainda não conseguiram resolver completamente essas questões.

Novo Design de Protocolo: 2PAC (Consenso Assíncrono em 2 Fases)

Com base na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Inclui especificamente duas variantes:

1. 2PAClean: alcançou mais de 90% de taxa de transferência e uma latência esperada de 9.5δ, com complexidade de mensagem de O(n²). A eficiência do protocolo foi aumentada ao eliminar interações e custos computacionais desnecessários.

2. 2PACBIG: é o protocolo de consenso de blockchain mais rápido atualmente, com complexidade de mensagem O(n³). O tempo de execução do MVBA único sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.

Linha de Produção de Blocos Super Rápida

Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline sob um agendador justo. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.

Resultados Quantitativos

Através de análise teórica e testes práticos, a latência esperada do 2PAClean no pior caso é de 9.5δ, enquanto no bom caso (sem falhas e com um agendador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, sendo 6δ no bom caso. A taxa de transferência do 2PAClean aumentou entre 80% a 100% em relação ao sMVBA em cadeia, principalmente devido ao novo design que evita descartes desnecessários de blocos e sobrecarga computacional.

2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução MVBA de 4δ, sendo mais rápido do que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline super-rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcançem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.

Avaliação de Cálculo

Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma ampla avaliação computacional. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram um desempenho superior em várias condições de rede, especialmente em ambientes com alta latência e alta taxa de falhas. O 2PAClean conseguiu um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG alcançou uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.

Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e na melhoria do desempenho. O design do 2PAC e dos blocos em pipeline ultra-rápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso blockchain, ou seja, alcançar uma maior capacidade de processamento e menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso.

Direções futuras de pesquisa

1. Otimização do protocolo: simplificação e otimização adicional da estrutura do protocolo, reduzindo a comunicação e o custo computacional desnecessários.

2. Análise de segurança: análise aprofundada da segurança do novo protocolo em diversos cenários de ataque, garantindo a sua fiabilidade em aplicações reais.

3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de blockchain reais, validando seu desempenho em ambientes de rede reais.

Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso em blockchain assíncronos e propõe dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC e blocos de pipeline ultra-rápidos. Os novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria da capacidade de processamento e na redução da latência, oferecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia blockchain. Estes novos protocolos não apenas provaram sua superioridade em teoria, mas também mostraram desempenho excepcional em testes práticos, fornecendo novas ideias para alcançar protocolos de consenso em blockchain eficientes e seguros.

Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia blockchain desempenhará um papel cada vez mais importante na futura economia digital, enquanto a nova geração de protocolos de consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.