Kemajuan dan Aplikasi Terbaru Protokol Konsensus Blockchain

Ringkasan Laporan

Laporan ini mengeksplorasi secara mendalam status perkembangan protokol konsensus Blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status Byzantine Fault Tolerant (BFT SMR) yang asinkron. Saat ini, sMVBA dianggap sebagai protokol MVBA asinkron tercepat, dengan latensi yang diharapkan sebesar 10δ. Laporan ini juga memperkenalkan dua desain protokol inovatif: 2PAC (konsensus asinkron dua fase) dan blok pipeline super cepat, yang menunjukkan perbaikan signifikan dalam hal throughput dan latensi.

Blockchain Konsensus Mekanisme Overview

Teknologi Blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, yang secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan. 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 mungkin dirusak secara jahat. Proses-proses ini berkomunikasi satu sama lain melalui saluran asinkron, dengan penundaan pengiriman pesan yang dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Blockchain Konsensus Memerlukan

Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi persyaratan dasar berikut:

1. Aktivitas: Dalam eksekusi tak terbatas, terdapat satu Blockchain yang sudah ditentukan sepanjang tak terbatas.
2. Konsistensi: Jika ada dua blockchain yang telah ditentukan, maka salah satu dari mereka harus menjadi awalan dari yang lain.
3. Kualitas P: Dalam Blockchain yang telah ditentukan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur harus setidaknya p.

Tantangan Protokol Konsensus Asinkron Saat Ini

Meskipun beberapa protokol memperkenalkan mekanisme baru, seperti menjalankan beberapa instansi paralel secara bersamaan, masih ada masalah seperti kurangnya pemeriksaan otentikasi, penggunaan strategi peningkatan yang menghambat aktivasi, serta pelonggaran definisi otentikasi pemimpin, yang dapat menyebabkan kerusakan konsensus dan aktivasi.

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

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, peneliti mengusulkan protokol 2PAC, yang mencakup dua varian:

1. 2PAClean：

   • Mencapai lebih dari 90% throughput dan 9,5δ latensi yang diharapkan, kompleksitas pesan adalah O(n²).
   • Meningkatkan efisiensi protokol dengan menghilangkan interaksi dan biaya perhitungan yang tidak perlu.

2. 2PACBIG：

   • Merupakan protokol konsensus blockchain tercepat saat ini dengan kompleksitas pesan O(n³).
   • Waktu operasi MVBA tunggal tanpa kesalahan adalah 4δ, secara signifikan mengurangi latensi.

Jalur Blok Ultra Cepat

Peneliti telah mengusulkan desain blok aliran baru, yang secara signifikan mengurangi latensi blok aliran dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat. Di bawah penjadwalan yang adil, waktu pengambilan keputusan blok aliran bahkan mungkin lebih kecil daripada blok non-aliran.

Hasil Kuantitatif

Melalui analisis teoritis dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki latensi yang diharapkan dalam kasus terburuk sebesar 9.5δ dan dalam kasus baik sebesar 6δ. Sebagai perbandingan, latensi yang diharapkan dari sMVBA adalah 10δ dan dalam kasus baik sebesar 6δ. Melalui 2PAClean, throughput meningkat sebesar 80% hingga 100% dibandingkan sMVBA berbasis rantai.

Waktu eksekusi tunggal MVBA 2PACBIG adalah 4δ, lebih cepat dibandingkan protokol yang ada. Desain blok jalur super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG untuk mencapai waktu keputusan blok jalur masing-masing 4δ dan 3δ.

Evaluasi Perhitungan

Evaluasi komputasi yang luas menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang luar biasa 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 lebih rendah melalui paralelisasi dan optimasi proses pemungutan suara.

Arah Penelitian Masa Depan

1. Protokol optimasi: lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan dan beban perhitungan 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 pada sistem Blockchain yang sebenarnya, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang nyata.

Kesimpulan

Laporan ini menganalisis secara mendetail kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, dan mengusulkan dua desain protokol baru: 2PAC dan Blok Pipa Super Cepat. Desain baru ini menunjukkan keuntungan signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk pengembangan teknologi blockchain di masa depan. Melalui penelitian dan optimisasi yang terus menerus, teknologi blockchain diharapkan dapat memainkan peran yang lebih penting dalam ekonomi digital di masa depan, sementara protokol konsensus generasi baru akan memberikan dasar yang kokoh untuk pengembangan teknologi ini.