Последние достижения и применение протоколов консенсуса блокчейна

В этом отчете рассматривается текущее состояние развития блокчейн-протоколов согласия, с акцентом на последние достижения протокола асинхронного байентинского устойчивого к сбоям репликации состояния (BFT SMR). В настоящее время sMVBA является самым быстрым асинхронным MVBA-протоколом с ожидаемой задержкой в 10δ. В отчете также представлены два новых проектирования протоколов, а именно 2PAC (асинхронное согласие в 2 этапа) и супербыстрая конвейерная блокчейн, которые демонстрируют значительные улучшения в пропускной способности и задержке.

Блокчейн-технология, как децентрализованная распределенная технология учета, обеспечивает целостность и согласованность данных через механизмы согласия. Механизм согласия является основным элементом блокчейн-системы, его производительность непосредственно влияет на масштабируемость и безопасность блокчейна. Асинхронный механизм согласия Биткойн-Форка (BFT) имеет уникальные преимущества в условиях сетевых задержек и частичной неработоспособности узлов, поэтому стал объектом активных исследований.

Модели и определения

В модели асинхронного BFT система состоит из n = 3f + 1 процессов, где f процессов могут быть злонамеренно нарушены противником. Эти процессы общаются друг с другом через асинхронные каналы, задержка передачи сообщений контролируется противником. Каждый процесс имеет пару открытого и закрытого ключей для подписи и проверки, что обеспечивает подлинность и целостность сообщений.

Консенсус блокчейна

Блокчейн-протокол консенсуса предназначен для обеспечения согласия всех честных узлов относительно состояния блокчейна. Каждый узел постоянно получает новые транзакции и упаковывает их в блоки, обеспечивая согласие этих блоков между всеми честными узлами через протокол консенсуса. Протокол консенсуса блокчейна должен удовлетворять основным требованиям, таким как активность, согласованность и качество P.

Текущие проблемы асинхронного соглашения

Существуют различные способы атак на текущий самый быстрый асинхронный протокол согласования, которые могут подорвать его согласованность и активность. Эти проблемы включают атаки, вызванные отсутствием проверки и сертификации, атаки, использующие стратегии повышения для препятствования активности, а также атаки на согласованность, вызванные ослаблением определения сертификации лидеров. Несмотря на внедрение некоторых новых механизмов, таких как параллельная работа нескольких параллельных экземпляров, эти проблемы все еще не были полностью решены.

Новый дизайн протокола: 2PAC (двухфазный асинхронный консенсус)

На основе анализа существующих протоколов исследователи предложили протокол 2PAC. Этот протокол значительно улучшает производительность за счет упрощения и оптимизации процесса консенсуса. В частности, он включает два варианта:

1. 2PAClean: достигнуто более 90% пропускной способности и ожидаемая задержка 9.5δ, сложность сообщений составляет O(n²). Эффективность протокола повышена за счет устранения ненужных взаимодействий и вычислительных затрат.

2. 2PACBIG: это самый быстрый протокол консенсуса блокчейна с текущей сложностью сообщений O(n³). Время выполнения одного MVBA без сбоев составляет 4δ, что значительно уменьшает задержку.

Супербыстрая конвейерная цепочка блоков

Исследователи предложили новый дизайн конвейерного блока, который значительно уменьшает задержку конвейерного блока. Внедряя механизм быстрого пути, время принятия решений конвейерного блока под справедливым планировщиком даже меньше, чем у неконвейерного блока. Этот механизм обеспечивает задержку быстрого пути во всех выполнениях и не зависит от поведения сбойных процессов.

Количественные результаты

С помощью теоретического анализа и практических испытаний ожидаемая задержка 2PAClean в наихудшем случае составляет 9.5δ, а в хорошем случае (без сбоев и полуправильный планировщик) — 6δ. В сравнении, ожидаемая задержка sMVBA составляет 10δ, а в хорошем случае — 6δ. Пропускная способность 2PAClean увеличилась на 80% до 100% по сравнению с цепочным sMVBA, что в основном связано с тем, что в новом дизайне были устранены ненужные отказы блоков и вычислительные накладные расходы.

2PACBIG, как протокол с сложностью сообщений O(n³), имеет время выполнения одной MVBA 4δ, что быстрее, чем у всех существующих протоколов. Кроме того, сверхбыстрый конвейерный дизайн блоков позволяет s2PAClean и s2PACBIG достигать соответственно 4δ и 3δ времени принятия решений по конвейерным блокам, что дополнительно улучшает производительность протокола.

Оценка вычислений

Для проверки производительности нового протокола исследователи провели обширную вычислительную оценку. Результаты показали, что 2PAClean и 2PACBIG демонстрируют отличную производительность в различных сетевых условиях, особенно в средах с высокой задержкой и высокой частотой сбоев. 2PAClean достигает хорошего баланса между задержкой сообщения и вычислительной сложностью, в то время как 2PACBIG достигает более низкой задержки за счет параллелизации и оптимизации процесса голосования.

С развитием технологий блокчейна асинхронный BFT консенсусный протокол будет играть все более важную роль в обеспечении безопасности и повышении производительности. Дизайн 2PAC и сверхбыстрой конвейерной блокчейн-системы демонстрирует направление будущего развития консенсусных протоколов блокчейна, а именно, упрощая структуру протокола и оптимизируя процесс консенсуса, достигая более высокой пропускной способности и более низкой задержки.

Будущие направления исследований

1. Оптимизация протокола: дальнейшее упрощение и оптимизация структуры протокола, снижение ненужной передачи сообщений и вычислительных затрат.

2. Анализ безопасности: углубленный анализ безопасности нового протокола в различных сценариях атак, чтобы гарантировать его надежность в реальных приложениях.

3. Практическое применение: применение нового протокола в реальных блокчейн-системах для проверки его производительности в реальной сетевой среде.

В этом отчете подробно анализируются преимущества и недостатки текущих асинхронных блокчейн-протоколов консенсуса и предлагаются два новых проектирования протоколов: 2PAC и сверхбыстрая конвейерная блокчейн. Новые разработки демонстрируют значительные преимущества в повышении пропускной способности и снижении задержек, предоставляя важные рекомендации для будущего развития блокчейн-технологий. Эти новые протоколы не только теоретически доказали свои преимущества, но и продемонстрировали выдающиеся характеристики в практических испытаниях, предложив новые идеи для достижения эффективных и безопасных протоколов консенсуса блокчейн.

Благодаря постоянным исследованиям и оптимизации, блокчейн-технология будет играть все более важную роль в будущей цифровой экономике, а новое поколение согласительных протоколов обеспечит надежную основу для развития этой технологии.