Những tiến triển và ứng dụng mới nhất của giao thức đồng thuận blockchain

Báo cáo này khám phá tình trạng phát triển của các giao thức đồng thuận blockchain, tập trung phân tích những tiến bộ mới nhất của giao thức sao chép trạng thái chịu lỗi Byzantine bất đồng bộ (BFT SMR). Hiện tại, sMVBA là giao thức MVBA bất đồng bộ nhanh nhất với độ trễ kỳ vọng là 10δ. Báo cáo cũng đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC (đồng thuận bất đồng bộ 2 giai đoạn) và khối siêu nhanh, thể hiện sự cải tiến đáng kể về thông lượng và độ trễ.

Công nghệ blockchain, như một loại công nghệ sổ cái phân tán phi tập trung, đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu thông qua cơ chế đồng thuận. Cơ chế đồng thuận là cốt lõi của hệ thống blockchain, hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mở rộng và tính bảo mật của blockchain. Cơ chế đồng thuận Byzantine Fault Tolerance (BFT) có những lợi thế độc đáo trong việc đối phó với độ trễ mạng và sự thất bại của một phần các nút, do đó đã trở thành trọng tâm nghiên cứu.

Mô hình và định nghĩa

Trong mô hình BFT bất đồng bộ, hệ thống bao gồm n = 3f + 1 tiến trình, trong đó f tiến trình có thể bị đối thủ phá hoại một cách ác ý. Các tiến trình này giao tiếp với nhau qua các kênh bất đồng bộ, độ trễ truyền tin được kiểm soát bởi đối thủ. Mỗi tiến trình sở hữu một cặp khóa công khai và riêng tư để ký và xác thực, đảm bảo tính xác thực và toàn vẹn của thông điệp.

Sự đồng thuận blockchain

Giao thức đồng thuận blockchain nhằm mục đích giúp tất cả các nút trung thực đạt được sự đồng nhất về trạng thái của blockchain. Mỗi nút liên tục nhận các giao dịch mới và đóng gói chúng thành các khối, thông qua giao thức đồng thuận để đảm bảo rằng các khối này đạt được sự đồng nhất trên tất cả các nút trung thực. Giao thức đồng thuận blockchain cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản về tính khả thi, tính đồng nhất và chất lượng P.

Những thách thức của giao thức đồng thuận bất đồng bộ hiện tại

Hiện tại, giao thức đồng thuận bất đồng bộ nhanh nhất có nhiều phương thức tấn công có thể phá hoại tính nhất quán và tính khả dụng của nó. Các vấn đề này bao gồm các cuộc tấn công do thiếu kiểm tra xác thực, các cuộc tấn công lợi dụng chiến lược nâng cao để cản trở tính khả dụng, cũng như các cuộc tấn công về tính nhất quán do định nghĩa xác thực người lãnh đạo bị nới lỏng. Mặc dù đã giới thiệu một số cơ chế mới, chẳng hạn như nhiều phiên bản song song hoạt động đồng thời, nhưng vẫn chưa thể hoàn toàn giải quyết những vấn đề này.

Thiết kế giao thức mới: 2PAC (Nhận thức bất đồng bộ 2 giai đoạn)

Dựa trên phân tích các giao thức hiện có, các nhà nghiên cứu đã đề xuất giao thức 2PAC. Giao thức này cải thiện hiệu suất một cách đáng kể bằng cách đơn giản hóa và tối ưu hóa quy trình đồng thuận. Cụ thể bao gồm hai biến thể:

1. 2PAClean: Đạt được +90% thông lượng và độ trễ kỳ vọng 9.5δ, độ phức tạp tin nhắn là O(n²). Bằng cách loại bỏ các tương tác và chi phí tính toán không cần thiết, đã nâng cao hiệu quả của giao thức.

2. 2PACBIG: Là giao thức đồng thuận blockchain nhanh nhất hiện nay với độ phức tạp thông tin là O(n³). Thời gian chạy MVBA một lần không lỗi là 4δ, giảm thiểu độ trễ một cách đáng kể.

Dòng chảy siêu nhanh của khối

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế khối theo dạng ống mới, giảm đáng kể độ trễ của khối theo dạng ống. Bằng cách giới thiệu cơ chế đường nhanh, thời gian quyết định của khối theo dạng ống dưới bộ lập lịch công bằng thậm chí còn nhỏ hơn cả khối không theo dạng ống. Cơ chế này đảm bảo độ trễ của đường nhanh trong tất cả các thực thi và không bị ảnh hưởng bởi hành vi của các quá trình gặp sự cố.

Kết quả định lượng

Thông qua phân tích lý thuyết và thử nghiệm thực tế, độ trễ dự kiến trong trường hợp xấu nhất của 2PAClean là 9.5δ, trong khi trong trường hợp tốt (không có lỗi và bộ lập lịch nửa công bằng) là 6δ. So với đó, độ trễ dự kiến của sMVBA là 10δ, trong trường hợp tốt là 6δ. Độ thông lượng của 2PAClean đã cải thiện từ 80% đến 100% so với sMVBA theo chuỗi, chủ yếu là nhờ vào việc thiết kế mới đã tránh được việc loại bỏ khối không cần thiết và chi phí tính toán.

2PACBIG với độ phức tạp thông điệp là O(n³), thời gian chạy MVBA một lần của nó là 4δ, nhanh hơn tất cả các giao thức hiện có. Ngoài ra, thiết kế khối siêu nhanh giúp s2PAClean và s2PACBIG đạt được thời gian quyết định khối đường ống lần lượt là 4δ và 3δ, nâng cao hơn nữa hiệu suất của giao thức.

Đánh giá tính toán

Để xác thực hiệu suất của giao thức mới, các nhà nghiên cứu đã tiến hành đánh giá tính toán rộng rãi. Kết quả cho thấy, 2PAClean và 2PACBIG đều thể hiện hiệu suất xuất sắc trong nhiều điều kiện mạng khác nhau, đặc biệt là trong môi trường có độ trễ cao và tỷ lệ lỗi cao. 2PAClean đạt được sự cân bằng tốt giữa độ trễ truyền tin và độ phức tạp tính toán, trong khi 2PACBIG đạt được độ trễ thấp hơn thông qua việc song song hóa và tối ưu hóa quy trình bỏ phiếu.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ blockchain, giao thức đồng thuận BFT bất đồng bộ sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đảm bảo tính an toàn và nâng cao hiệu suất. Thiết kế 2PAC và khối chuỗi siêu nhanh đã thể hiện hướng phát triển của giao thức đồng thuận blockchain trong tương lai, đó là thông qua việc đơn giản hóa cấu trúc giao thức và tối ưu hóa quá trình đồng thuận, để đạt được thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn.

Hướng nghiên cứu tương lai

1. Tối ưu hóa giao thức: Đơn giản hóa và tối ưu hóa cấu trúc giao thức hơn nữa, giảm thiểu việc truyền tin và chi phí tính toán không cần thiết.

2. Phân tích an ninh: Phân tích sâu về tính an ninh của giao thức mới trong các tình huống tấn công khác nhau, đảm bảo độ tin cậy của nó trong ứng dụng thực tế.

3. Ứng dụng thực tế: Áp dụng giao thức mới vào các hệ thống blockchain thực tế, xác minh hiệu suất của nó trong môi trường mạng thực.

Báo cáo này phân tích chi tiết những ưu điểm và nhược điểm của các giao thức đồng thuận blockchain bất đồng bộ hiện tại, và đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC và blockchain dòng siêu nhanh. Thiết kế mới thể hiện lợi thế đáng kể trong việc tăng thông lượng và giảm độ trễ, cung cấp tham khảo quan trọng cho sự phát triển công nghệ blockchain trong tương lai. Những giao thức mới này không chỉ chứng minh tính ưu việt của mình trên lý thuyết mà còn thể hiện hiệu suất xuất sắc trong các thử nghiệm thực tế, mở ra hướng đi mới cho việc đạt được các giao thức đồng thuận blockchain hiệu quả và an toàn.

Thông qua việc nghiên cứu và tối ưu hóa liên tục, công nghệ blockchain sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nền kinh tế số tương lai, trong khi các giao thức đồng thuận thế hệ mới sẽ cung cấp một nền tảng vững chắc cho sự phát triển của công nghệ này.