ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進展と応用

レポート概要

本報告はブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展状況を深く探討し、非同期バイザンティン障害耐性状態機械複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を重点的に分析しています。現在、sMVBAは最も早い非同期MVBAプロトコルと見なされ、予期待ち時間は10δです。報告書では、2つの革新的なプロトコル設計、2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックも紹介されており、これらの新しい設計はスループットと遅延の両面で顕著な改善を示しています。

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ブロックチェーンコンセンサス機構の概要

ブロックチェーン技術は、非中央集権型の分散型台帳技術として、コンセンサス機構を通じてデータの完全性と一貫性を確保します。コンセンサス機構はブロックチェーンシステムの核心であり、そのスケーラビリティとセキュリティに直接影響を与えます。非同期ビザンチン耐障害（BFT）コンセンサス機構は、ネットワーク遅延や一部のノードの障害に対処する際に独自の利点を持つため、研究の重点となっています。

モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1のプロセスで構成されており、そのうちf個のプロセスが悪意を持って破壊される可能性があります。これらのプロセスは非同期チャネルを介して相互に通信し、メッセージの伝達遅延は敵によって制御されます。各プロセスは、メッセージの真実性と完全性を保証するために、署名および検証用の一対の公開鍵と秘密鍵を持っています。

ブロックチェーンコンセンサス要求

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下の基本的な要件を満たす必要があります：

1. 活性：無限実行の中に、決定された無限長のブロックチェーンが存在する。
2. 一貫性：もし2つの確定したブロックチェーンが存在する場合、そのうちの1つはもう1つの接頭辞でなければなりません。
3. P品質：決定したブロックチェーンにおいて、誠実なノードが入力した取引の割合は少なくともpである。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

いくつかのプロトコルが多平行インスタンスの並行実行のような新しいメカニズムを導入しているにもかかわらず、検証認証の欠如や、利用向上戦略による活性の妨げ、リーダー認証定義の緩和といった問題が依然として存在しており、これらの問題はコンセンサスと活性の破壊を引き起こす可能性があります。

新プロトコル設計：2PAC（2段階非同期コンセンサス）

既存のプロトコルの分析に基づいて、研究者は2PACプロトコルを提案しました。これは2つの変種を含みます：

1. 2PACleanの:

   • +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑度はO(n²)です。
   • 不要なインタラクションと計算コストを排除することによって、プロトコルの効率が向上しました。

2. 2パックビッグ:

   • 現在のメッセージの複雑さはO(n³)である最速のブロックチェーンコンセンサスプロトコルです。
   • 障害のない単一MVBAの稼働時間は4δであり、遅延を大幅に削減しました。

超高速ラインブロック

研究者は、新しいパイプラインブロック設計を提案し、迅速な経路メカニズムを導入することで、パイプラインブロックの遅延を大幅に削減しました。公平なスケジューラの下では、パイプラインブロックの意思決定時間は、非パイプラインブロックよりも短くなる可能性があります。

結果を定量化する

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanの最悪のケースにおける期待遅延は9.5δ、良好なケースでは6δです。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δで、良好なケースでは6δです。2PACleanのスループットは、チェーン型sMVBAに比べて80%から100%向上しました。

2PACBIGの単一MVBA実行時間は4δで、既存のプロトコルよりも速い。超高速パイプラインブロック設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのパイプラインブロック決定時間を実現した。

評価を計算する

広範な計算評価により、2PACleanと2PACBIGはさまざまなネットワーク条件下で優れた性能を示し、特に高遅延および高故障率の環境で顕著です。2PACleanはメッセージング遅延と計算の複雑さの間で良好なバランスを実現し、2PACBIGは並列化と投票プロセスの最適化によって、より低い遅延を実現しています。

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今後の研究の方向性

1. プロトコルの最適化：プロトコル構造をさらに簡素化し、不要なメッセージのやり取りや計算コストを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルがさまざまな攻撃シナリオにおけるセキュリティを深く分析し、実際のアプリケーションにおける信頼性を確保する。
3. 実際の応用：新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、リアルなネットワーク環境での性能を検証します。

まとめ

本報告は現在の非同期ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの利点と欠点を詳細に分析し、2PACと超高速パイプラインブロックという2つの新しいプロトコル設計を提案しています。これらの新設計はスループットの向上と遅延の削減において顕著な利点を示し、将来のブロックチェーン技術の発展に重要な参考を提供します。継続的な研究と最適化を通じて、ブロックチェーン技術は将来のデジタル経済においてより重要な役割を果たすことが期待されており、新世代のコンセンサスプロトコルはこの技術の発展に堅実な基盤を提供します。