Останні досягнення та застосування консенсусних протоколів блокчейн

Цей звіт досліджує сучасний стан розвитку блокчейн-протоколів консенсусу, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях протоколу асинхронного байєзантинського терпимості до помилок (BFT SMR). На сьогоднішній день sMVBA є найшвидшим асинхронним MVBA-протоколом із очікуваною затримкою 10δ. У звіті також запропоновано два нові проєкти протоколів, а саме 2PAC (асинхронний консенсус у 2 стадії) та надшвидка конвеєрна блокчейн, які продемонстрували значні поліпшення в продуктивності та затримці.

Технологія блокчейн, як децентралізована розподілена технологія реєстрації, забезпечує цілісність та узгодженість даних через механізм консенсусу. Механізм консенсусу є основою системи блокчейн, і його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість та безпеку блокчейну. Асинхронний байєзантинський механізм толерантності до помилок (BFT) має унікальні переваги в боротьбі з затримками в мережі та частковими відмовами вузлів, тому став об'єктом активних досліджень.

Моделі та визначення

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно знищені супротивником. Ці процеси спілкуються один з одним через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару публічного та приватного ключів для підпису та верифікації, що забезпечує автентичність і цілісність повідомлень.

Консенсус блокчейну

Протокол консенсусу блокчейну має на меті забезпечити досягнення згоди між усіма чесними вузлами щодо стану блокчейну. Кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх в блоки, забезпечуючи досягнення згоди щодо цих блоків на всіх чесних вузлах за допомогою протоколу консенсусу. Протокол консенсусу блокчейну повинен відповідати основним вимогам, таким як активність, узгодженість та якість P.

Виклики сучасного асинхронного консенсусного протоколу

Найшвидший асинхронний консенсусний протокол на сьогодні підлягає різним видам атак, які можуть порушити його узгодженість та активність. Ці проблеми включають атаки, викликані відсутністю перевірки автентичності, атаки, що використовують стратегії підвищення для перешкоди активності, а також атаки на узгодженість, викликані послабленням визначення сертифікації лідера. Незважаючи на впровадження деяких нових механізмів, таких як паралельне виконання декількох паралельних екземплярів, ці проблеми все ще не були повністю вирішені.

Новий дизайн протоколу: 2PAC (двофазний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Зокрема, він включає два варіанти:

1. 2PAClean: досягнуто +90% пропускної здатності та очікуваної затримки 9.5δ, складність повідомлення становить O(n²). Ефективність протоколу підвищена шляхом усунення непотрібних взаємодій та обчислювальних витрат.

2. 2PACBIG: це найшвидший протокол консенсусу блокчейну з поточною складністю повідомлень O(n³). Час виконання одноразового MVBA без збоїв становить 4δ, що суттєво знижує затримки.

Супер швидка лінія блоків

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрного блоку, який значно зменшує затримку конвеєрного блоку. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, час ухвалення рішень конвеєрного блоку є навіть меншим, ніж у не конвеєрного блоку, за умов справедливого планувальника. Цей механізм забезпечує затримку швидкого шляху в усіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Кількісні результати

Через теоретичний аналіз та практичні випробування, очікувана затримка 2PAClean у найгіршому випадку становить 9.5δ, а у хорошому випадку (без збоїв та з напівсправедливим планувальником) — 6δ. На відміну від цього, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, у хорошому випадку — 6δ. Пропускна спроможність 2PAClean порівняно з ланцюговим sMVBA зросла на 80% до 100%, що в основному пов'язано з новим дизайном, який уникає непотрібних відкидань блоків та обчислювальних витрат.

2PACBIG як протокол з складністю повідомлення O(n³) має час виконання MVBA в 4δ, що швидше за всі наявні протоколи. Крім того, надшвидкий конвеєрний дизайн блоків дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягати відповідно 4δ і 3δ часу прийняття рішень для конвеєрних блоків, що ще більше підвищує ефективність протоколу.

Оцінка обчислень

Для перевірки продуктивності нового протоколу дослідники провели широкі обчислювальні оцінки. Результати показали, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність за різних мережевих умов, зокрема в умовах високої затримки та високої частоти відмов. 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень і обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG забезпечує меншу затримку завдяки паралелізації та оптимізації процесу голосування.

З розвитком технології блокчейн асинхронний BFT консенсусний протокол відіграватиме дедалі важливішу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC та супершвидкого конвеєрного блоку демонструє напрямок розвитку майбутніх консенсусних протоколів блокчейн, а саме через спрощення структури протоколу та оптимізацію процесу консенсусу для досягнення вищої пропускної здатності та нижчої затримки.

Майбутні напрямки досліджень

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібних повідомлень та обчислювальних витрат.

2. Аналіз безпеки: детальний аналіз безпеки нового протоколу в різних сценаріях атаки, щоб забезпечити його надійність в реальних застосуваннях.

3. Реальне застосування: впровадження нового протоколу в реальні блокчейн-системи для перевірки його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Цей звіт детально аналізує поточні переваги та недоліки асинхронних блокчейн-протоколів консенсусу та пропонує два нові проекти протоколів, а саме 2PAC та надшвидку конвеєрну блокчейн-технологію. Нові проекти демонструють значні переваги у підвищенні пропускної спроможності та зменшенні затримок, що надає важливі вказівки для майбутнього розвитку блокчейн-технологій. Ці нові протоколи не лише теоретично довели свою перевагу, але й продемонстрували відмінну продуктивність у практичних випробуваннях, надаючи нові ідеї для реалізації ефективних і безпечних блокчейн-протоколів консенсусу.

Шляхом постійних досліджень і оптимізації технологія блокчейн відіграватиме дедалі важливішу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління консенсусних протоколів забезпечить надійну основу для розвитку цієї технології.