Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso Blockchain

A tecnologia Blockchain, como representante da tecnologia de livro-razão distribuído e descentralizado, tem como núcleo o mecanismo de consenso. O desempenho do mecanismo de consenso afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do sistema Blockchain. Nos últimos anos, o mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) tornou-se um foco de pesquisa devido às suas vantagens na gestão de latência de rede e falhas de alguns nós.

Modelos e Definições

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por 3f + 1 processos, dos quais f podem ser maliciosamente comprometidos. Os processos comunicam-se através de canais assíncronos, com atrasos na entrega de mensagens imprevisíveis. Cada processo possui um par de chaves públicas e privadas para garantir a autenticidade e integridade das mensagens.

Blockchain Consenso requisitos

O protocolo de consenso da Blockchain deve atender aos seguintes requisitos básicos:

1. Atividade: garantir que exista uma blockchain de comprimento infinito decidida durante a execução infinita.
2. Consistência: garantir que, em qualquer duas blocos já decididos na Blockchain, um deve ser um prefixo do outro.
3. Qualidade: garantir que a proporção de transações de nós honestos inseridos na blockchain decidida não seja inferior ao limite predefinido.

Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono

Atualmente, o protocolo de consenso assíncrono 2-chain VABA é considerado o mais rápido, com uma latência prevista de 9.5δ. No entanto, estudos descobriram que este protocolo apresenta várias vulnerabilidades de segurança, que podem comprometer a consistência e a atividade. Esses problemas incluem verificações de autenticação insuficientes, a exploração de estratégias de elevação que obstruem a atividade, e definições de autenticação de líderes excessivamente amplas.

Novo protocolo de design: 2PAC

Para resolver os problemas do protocolo existente, os investigadores propuseram o protocolo 2PAC (protocolo de consenso assíncrono em 2 fases). Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. O 2PAC inclui duas variantes:

1. 2PAClean：

   • Aumento de 90% na capacidade de processamento, latência esperada de 9,5δ
   • Complexidade de mensagem O(n²)
   • Aumentar a eficiência através da redução de interações e cálculos desnecessários

2. 2PACBIG：

   • O protocolo de consenso Blockchain mais rápido atualmente sob a complexidade O(n³)
   • O tempo de execução único do MVBA é de apenas 4δ em condições sem falhas.

Super rápido Bloco de linha de montagem

Os pesquisadores também propuseram um novo design de bloco em pipeline, reduzindo consideravelmente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um escalonador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline pode até ser menor do que o dos blocos não em pipeline. Esse mecanismo garante latência de caminho rápido em todas as execuções, e não é afetado por processos com falhas.

Avaliação de desempenho

A análise teórica e os testes práticos mostram que:

• 2PAClean a pior expectativa de atraso é de 9.5δ, a boa expectativa é de 6δ
• 2PAClean tem uma taxa de transferência 80%-100% superior à sMVBA em cadeia
• O tempo de execução de 2PACBIG para uma única MVBA é de 4δ, sendo o mais rápido até agora.
• O design de linha de montagem ultra-rápido permite que o s2PAClean e o s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco de 4δ e 3δ, respetivamente.

A avaliação calculada mostra que 2PAClean e 2PACBIG têm um desempenho excelente em várias condições de rede, especialmente em ambientes com alta latência e alta taxa de falhas.

Direções de pesquisa futuras

1. O protocolo foi ainda mais otimizado, reduzindo a sobrecarga de transmissão de mensagens e cálculos.
2. Análise aprofundada da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque
3. Aplicar o novo protocolo a sistemas de Blockchain reais, verificando o desempenho em ambientes de rede reais.

Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e na melhoria do desempenho. O design do 2PAC e do bloco de pipeline super-rápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain: através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançando maior taxa de transferência e menor latência. Essas inovações oferecem novas ideias para a realização de protocolos de consenso Blockchain eficientes e seguros, e têm o potencial de impulsionar a tecnologia Blockchain a desempenhar um papel maior na futura economia digital.