ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新進展と応用

ブロックチェーン技術は、非中央集権的な分散台帳技術の代表であり、その核心はコンセンサスメカニズムにあります。コンセンサスメカニズムの性能は、ブロックチェーンシステムのスケーラビリティとセキュリティに直接影響します。近年、非同期バイザンティンフォールトトレラント（BFT）コンセンサスメカニズムは、ネットワーク遅延や一部のノード障害への対応における利点から、研究の焦点となっています。

モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムは3f + 1のプロセスで構成されており、その中のf個は悪意を持って破壊される可能性があります。プロセス間は非同期チャネルを介して通信し、メッセージの伝達遅延は予測不可能です。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公開鍵と秘密鍵のペアを持っています。

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、以下の基本要件を満たす必要があります：

1. 活性：無限に実行中の無限に長い決定されたブロックチェーンが存在することを保証します。
2. 一貫性：決定されたブロックチェーンの任意の2つのブロックのうち、1つはもう1つのプレフィックスであることを保証します。
3. 品質：決定されたブロックチェーンにおいて、正直なノードが入力する取引の割合が設定された閾値を下回らないことを保証する。

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現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

現在、2-chain VABAは最も速い非同期コンセンサスプロトコルと見なされており、期待される遅延は9.5δです。しかし、研究によりこのプロトコルには様々なセキュリティの脆弱性が存在し、一貫性と活性が損なわれる可能性があることが分かりました。これらの問題には、認証チェックの不足、利活用向上戦略による活性の阻害、リーダー認証の定義があまりにも緩いことなどが含まれます。

新プロトコル設計：2PAC

既存のプロトコルの問題を解決するために、研究者は2PAC（2段階非同期コンセンサス）プロトコルを提案しました。このプロトコルは、コンセンサスプロセスを簡素化および最適化することで、性能を大幅に向上させました。2PACには2つのバリエーションが含まれています：

1. 2PACleanの:

   • スループットが90%向上し、期待遅延は9.5δ
   • メッセージの複雑度O(n²)
   • 不要なインタラクションと計算を減らすことで効率を向上させる

2. 2パックビッグ:

   • 現在O(n³)の複雑度で最も速いブロックチェーンコンセンサスプロトコル
   • トラブルのないシングルMVBAランタイムはわずか4δ

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、パイプラインブロックの遅延を大幅に低下させました。迅速な経路メカニズムを導入することにより、公平スケジューラーの下で、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。このメカニズムはすべての実行において迅速な経路の遅延を保証し、故障プロセスの影響を受けません。

パフォーマンス評価

理論分析と実際のテストにより、

• 2PACleanは、ワーストケースの遅延を9.5δ、グッドケースの遅延を6δと予想しています。
• 2PACleanのスループットは、チェーン式sMVBAより80%-100%向上しています。
• 2PACBIGのシングルMVBA走行時間は4δで、現時点で最速です
• 超高速のライン設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのラインブロック決定時間を実現しています。

計算評価は、2PACleanと2PACBIGがさまざまなネットワーク条件下で優れたパフォーマンスを発揮し、特に高遅延および高障害率環境でさらに優位性を持つことを示しています。

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今後の研究の方向性

1. プロトコルがさらに最適化され、メッセージの伝達と計算オーバーヘッドが削減されます。
2. 新しいプロトコルがさまざまな攻撃シナリオにおける安全性を深く分析する
3. 新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する

ブロックチェーン技術の発展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは安全性を保障し、性能を向上させる上でますます重要な役割を果たすでしょう。2PACと超高速パイプラインブロックの設計は、未来のブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展方向を示しています：プロトコル構造を簡素化し、コンセンサスプロセスを最適化することで、より高いスループットとより低いレイテンシを実現します。これらの革新は、効率的で安全なブロックチェーンコンセンサスプロトコルの実現に新たな視点を提供し、将来的なデジタル経済におけるブロックチェーン技術のさらなる発展を促進することが期待されています。