Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Звіт про резюме

Цей звіт глибоко досліджує сучасний стан розвитку протоколів консенсусу Блокчейн, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях протоколу асинхронного візантійського толерантного стану машини реплікації (BFT SMR). Наразі sMVBA вважається найшвидшим асинхронним MVBA протоколом з очікуваною затримкою 10δ. У звіті також представлені два інноваційні проєктні рішення: 2PAC (протокол асинхронного консенсусу з двома етапами) та надшвидкий конвеєрний Блок, які демонструють значні покращення в пропускній спроможності та затримці.

Огляд механізмів консенсусу Блокчейн

Блокчейн технологія як децентралізована розподілена технологія реєстрації, забезпечує цілісність та узгодженість даних через механізм консенсусу. Механізм консенсусу є основою Блокчейн системи, який безпосередньо впливає на її масштабованість та безпеку. Асинхронний байєрський толерантний (BFT) механізм консенсусу має унікальні переваги у боротьбі з затримками у мережі та частковими збоїв вузлів, тому став об'єктом дослідження.

Моделі та визначення

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

Блокчейн Консенсус вимоги

Блокчейн Консенсус протокол потрібно задовольнити наступні базові вимоги:

1. Активність: в безкінечному виконанні існує безкінечно довгий вже ухвалений Блокчейн.
2. Узгодженість: якщо існує два визначених Блокчейн, то один з них повинен бути префіксом іншого.
3. P-якість: у вже визначеному Блокчейн, частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить принаймні p.

Виклики поточного асинхронного протоколу консенсусу

Хоча деякі протоколи впровадили нові механізми, такі як паралельне виконання кількох екземплярів, все ще існують такі проблеми, як відсутність перевірки автентифікації, використання стратегій підвищення, які перешкоджають активності, а також послаблення визначення автентифікації лідера, що може призвести до порушення консенсусу та активності.

Новий протокол дизайну: 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів дослідники запропонували протокол 2PAC, що включає два варіанти:

1. 2PAClean:

   • Реалізовано +90% пропускної здатності та очікувана затримка 9.5δ, складність повідомлень O(n²).
   • Підвищено ефективність протоколу шляхом усунення непотрібних взаємодій та обчислювальних витрат.
2. 2. ПАКБІГ:
   • Це найшвидший протокол консенсусу Блокчейн з поточною складністю повідомлень O(n³).
   • Безвідмовний час виконання однократного MVBA становить 4δ, що суттєво знижує затримку.

Надшвидкий конвеєр Блок

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрного Блоку, який за рахунок впровадження механізму швидкого шляху суттєво зменшує затримку конвеєрного Блоку. У випадку справедливого планувальника, час прийняття рішень для конвеєрного Блоку може навіть бути меншим, ніж для неконвеєрного Блоку.

Результати кількісного аналізу

Через теоретичний аналіз та практичне тестування, 2PAClean має очікуване затримання в найгіршому випадку 9.5δ, а в хорошому випадку 6δ. У порівнянні, очікуване затримання sMVBA становить 10δ, а в хорошому випадку 6δ. Продуктивність 2PAClean в порівнянні з ланцюговим sMVBA підвищилася на 80% до 100%.

Час виконання одноразового MVBA для 2PACBIG становить 4δ, що швидше, ніж існуючий протокол. Дизайн надшвидкої конвеєрної блок-системи дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягти відповідно 4δ і 3δ часу прийняття рішень для конвеєрних блоків.

Обчислювальна оцінка

Широкі обчислювальні оцінки показують, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність за різних мережевих умов, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень і обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG реалізує нижчу затримку через паралелізацію і оптимізацію процесу голосування.

Майбутні напрямки досліджень

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібної передачі повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: глибокий аналіз нових протоколів у різних сценаріях атак для забезпечення їхньої надійності в реальних застосуваннях.
3. Фактичне застосування: застосування нового протоколу у фактичних Блокчейн системах, перевірка його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Висновок

Цей звіт детально аналізує переваги та недоліки поточних асинхронних Блокчейн Консенсус протоколів і пропонує два нові проєктні рішення: 2PAC та надшвидка конвеєрна Блок. Ці нові розробки показують суттєві переваги в підвищенні пропускної спроможності та зменшенні затримок, надаючи важливі посилання для майбутнього розвитку Блокчейн технологій. Завдяки постійним дослідженням і оптимізації, Блокчейн технології мають потенціал відігравати ще більш важливу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління Консенсус протоколів забезпечить надійну основу для розвитку цієї технології.