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

ブロックチェーン技術は、非中央集権的な分散台帳技術として、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、その性能はブロックチェーン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、ネットワーク遅延と一部のノードの障害に対処する上で独特の利点を持っているため、研究の重点となっています。

この記事では、ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルの発展状況を探討し、非同期ビザンチン耐障害状態機械複製（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。現在最も速い非同期プロトコルは2-chain VABAですが、脆弱性があるため、その9.5δの期待遅延は実現できませんでした。したがって、sMVBAは現在最も速い非同期MVBAプロトコルとなり、期待遅延は10δです。この記事では、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という2つの新しいプロトコル設計も提案しており、スループットと遅延の面での顕著な改善を示しています。

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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、その中で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通じて相互に通信し、メッセージの伝達遅延は制御できません。各プロセスは、メッセージの真正性と完全性を確保するために署名と検証に使用される一対の公開鍵と秘密鍵を持っています。

ブロックチェーンのコンセンサス

ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルは、すべての誠実なノードがブロックチェーンの状態に合意することを目的としています。各ノードは新しいトランザクションを継続的に受信し、それをブロックにパッケージ化し、コンセンサスプロトコルを通じてこれらのブロックがすべての誠実なノードで合意されることを保証します。ブロックチェーンの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：

• 活性：無限実行の中に、無限に長い決定済みブロックチェーンが存在します。
• 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らない。
• P品質：決定されたブロックチェーン内で、誠実なノードによって入力されたトランザクションの割合は少なくともpである。

現在の非同期合意プロトコルの課題

2-chain VABAは予想遅延が9.5δであるにもかかわらず、一貫性と活性を損なうさまざまな攻撃方法が存在します。例えば、認証チェックの欠如による攻撃、活性を妨げるための昇格戦略を利用した攻撃、リーダーの認証定義を緩和したことによる一貫性攻撃などです。いくつかの新しいメカニズム、例えば複数の並行インスタンスの並行実行が導入されたにもかかわらず、これらの問題を完全には解決できていません。

新しいプロトコル設計：2PAC（2段階非同期合意）

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。このプロトコルは、コンセンサスプロセスを簡素化し最適化することで、性能を大幅に向上させます。具体的には、2つのバリエーションが含まれます：

1. 2PACleanの:

   • +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑さは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、メッセージの複雑さがO(n³)の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実行時間は4δであり、遅延を大幅に削減しました。

超高速パイプラインブロック

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削減しました。迅速なパスメカニズムを導入することにより、公平スケジューラの下で、パイプラインブロックの決定時間は非パイプラインブロックよりも短くなります。このメカニズムは、すべての実行において迅速なパスの遅延を保証し、障害プロセスの動作の影響を受けません。

果物を定量化する

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanの最悪の場合の期待遅延は9.5δであり、良好な場合（障害がなく、スケジューラが半公平な場合）では6δです。対照的に、sMVBAの期待遅延は10δであり、良好な場合では6δです。したがって、2PACleanは同じ良好な場合の遅延を維持しつつ、最悪の場合の遅延を0.5δ削減しました。さらに、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、主に新しい設計で不必要なブロックの廃棄と計算オーバーヘッドを回避したことによるものです。

2PACBIGは、メッセージの複雑度がO(n³)であるプロトコルで、単一のMVBA実行時間は4δであり、既存のすべてのプロトコルよりも速くなっています。さらに、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および3δのパイプラインブロック決定時間を実現し、プロトコルの性能をさらに向上させています。

计算评估

新しいプロトコルの性能を検証するために、研究者は広範な計算評価を行いました。結果は、2PACleanと2PACBIGが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した。具体的には、2PACleanはメッセージ伝達遅延と計算複雑性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を通じて、より低い遅延を達成しました。

ブロックチェーン技術の進展に伴い、非同期BFT合意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、将来のブロックチェーン合意プロトコルの発展方向を示しており、プロトコル構造の簡素化と合意プロセスの最適化を通じて、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。

研究の方向性

今後の研究は、以下のいくつかの方向性をさらに探求することができます：

1. プロトコルの最適化：プロトコルの構造をさらに簡素化し、不要なメッセージの送信や計算コストを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルの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します。
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、実ネットワーク環境での性能を検証します。

要するに、本稿で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長所と短所を詳細に分析し、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ました。新しい設計はスループットを向上させ、遅延を減少させる点で顕著な利点を示し、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。これらの新しいプロトコルは理論的にその優位性を証明するだけでなく、実際のテストでも卓越した性能を示し、高効率で安全なブロックチェーンコンセンサスプロトコルを実現するための新たな考え方を提供します。

継続的な研究と最適化を通じて、ブロックチェーン技術が将来のデジタル経済においてより重要な役割を果たすと確信しています。また、新しい世代のコンセンサスプロトコルがこの技術の発展に堅固な基盤を提供するでしょう。

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