Последние достижения и применение протоколов консенсуса блокчейна

Технология блокчейн, как децентрализованная распределенная бухгалтерская система, обеспечивает целостность и согласованность данных через механизмы согласия. Механизм согласия является ядром системы блокчейн, и его производительность непосредственно влияет на масштабируемость и безопасность блокчейна. Асинхронный механизм согласия с учетом византийских отказов (BFT) обладает уникальными преимуществами в условиях сетевых задержек и частичного выхода узлов из строя, поэтому стал предметом активных исследований.

В данной статье рассматривается текущее состояние развития блокчейн-протоколов согласования, с акцентом на последние достижения протокола асинхронного византийского устойчивого состояния машины репликации (BFT SMR). На данный момент самым быстрым асинхронным протоколом является 2-chain VABA, но из-за наличия уязвимостей его ожидаемая задержка в 9,5δ не была достигнута. Таким образом, sMVBA стал самым быстрым асинхронным протоколом MVBA с ожидаемой задержкой в 10δ. В статье также предлагаются два новых проектирования протоколов, а именно 2PAC (асинхронное согласование на 2 этапах) и супербыстрая конвейерная блокчейн-технология, демонстрирующие значительные улучшения в отношении пропускной способности и задержки.

Модели и определения

В модели асинхронного BFT система состоит из n = 3f + 1 процессов, где f процессов могут быть разрушены злонамеренно. Эти процессы общаются друг с другом через асинхронные каналы, задержка передачи сообщений неконтролируема. Каждый процесс имеет пару открытых и закрытых ключей для подписи и проверки, чтобы гарантировать подлинность и целостность сообщений.

Консенсус блокчейна

Протоколы консенсуса блокчейна предназначены для достижения согласия всех честных узлов о состоянии блокчейна. Каждый узел постоянно получает новые транзакции и упаковывает их в блоки, используя протокол консенсуса для обеспечения согласия этих блоков на всех честных узлах. Протоколы консенсуса блокчейна должны соответствовать следующим основным требованиям:

• Активность: в бесконечном исполнении существует бесконечно длинная определенная блокчейн.
• Консистентность: если существует две окончательно установленные блокчейна, то одна из них должна быть префиксом другой.
• Pкачествo: в уже определённой блокчейн-сети доля транзакций, введённых честными узлами, должна составлять как минимум p.

Проблемы текущего асинхронного согласительного протокола

Хотя ожидаемая задержка 2-chain VABA составляет 9.5δ, существует множество способов атак, которые подрывают его согласованность и активность. Например, атаки, вызванные отсутствием проверки аутентификации, атаки, использующие стратегии повышения для препятствования активности, а также атаки на согласованность, вызванные ослаблением определения аутентификации лидера. Несмотря на введение некоторых новых механизмов, таких как параллельная работа нескольких экземпляров, эти проблемы все еще не были полностью решены.

Новый дизайн протокола: 2PAC (Асинхронный консенсус с двумя этапами)

На основе анализа существующих протоколов исследователи предложили протокол 2PAC. Этот протокол значительно улучшает производительность за счет упрощения и оптимизации процесса консенсуса. В частности, он включает два варианта:

1. 2PAClean:

   • Достигнуто +90% пропускной способности и ожидаемая задержка 9.5δ, сложность сообщений составляет O(n²).
   • Повышена эффективность протокола за счет устранения ненужных взаимодействий и вычислительных затрат.

2. 2PACBIG:

   • Это самый быстрый протокол консенсуса блокчейна с текущей сложностью сообщения O(n³).
   • Безотказное время работы одного MVBA составляет 4δ, что значительно снижает задержку.

Супербыстрая конвейерная блокчейн

Исследователи предложили новый дизайн конвейерных блоков, который значительно уменьшает задержку конвейерных блоков. Внедрив механизм быстрого пути, время принятия решений по конвейерным блокам даже меньше, чем у не конвейерных блоков, при использовании справедливого планировщика. Этот механизм обеспечивает задержку быстрого пути на всех этапах выполнения и не подвержен влиянию поведения сбойных процессов.

Результаты квантования

Согласно теоретическому анализу и практическим испытаниям, ожидаемая задержка 2PAClean в наихудшем случае составляет 9.5δ, а в благоприятном случае (без сбоев и полуправильным планировщиком) — 6δ. В то же время, ожидаемая задержка sMVBA составляет 10δ, в благоприятном случае — 6δ. Таким образом, 2PAClean уменьшает задержку в наихудшем случае на 0.5δ при сохранении одинаковой задержки в благоприятном случае. Кроме того, пропускная способность 2PAClean по сравнению с цепочкой sMVBA увеличилась на 80% до 100%, что в основном связано с тем, что в новом дизайне удалось избежать ненужных отбраковок блоков и вычислительных затрат.

2PACBIG, как протокол с комплексностью сообщений O(n³), имеет время выполнения MVBA за одно обращение 4δ, что быстрее всех существующих протоколов. Кроме того, дизайн супербыстрого конвейерного блока позволяет s2PAClean и s2PACBIG достигать времени принятия решений в конвейерном блоке 4δ и 3δ соответственно, что дополнительно улучшает производительность протокола.

Оценка расчета

Для проверки производительности нового протокола исследователи провели обширную вычислительную оценку. Результаты показали, что 2PAClean и 2PACBIG демонстрируют отличные показатели в различных сетевых условиях, особенно в средах с высокой задержкой и высокой вероятностью сбоев. В частности, 2PAClean достиг хорошего баланса между задержкой передачи сообщений и вычислительной сложностью, в то время как 2PACBIG обеспечил более низкую задержку за счет параллелизации и оптимизации процесса голосования.

С развитием технологий блокчейн асинхронный BFT консенсусный протокол будет играть все более важную роль в обеспечении безопасности и повышении производительности. Дизайн 2PAC и сверхбыстрой конвейерной блокчейн-системы демонстрирует направление развития будущих консенсусных протоколов блокчейна, а именно, упрощая структуру протокола и оптимизируя процесс консенсуса для достижения более высокой пропускной способности и более низкой задержки.

Будущие направления исследований

Будущие исследования могут дополнительно исследовать следующие направления:

1. Оптимизация протокола: дальнейшее упрощение и оптимизация структуры протокола, снижение ненужной передачи сообщений и вычислительных затрат.
2. Анализ безопасности: глубокий анализ безопасности нового протокола в различных сценариях атак, чтобы гарантировать его надежность в практическом применении.
3. Практическое применение: применение нового протокола в реальных системах блокчейна для проверки его производительности в условиях реальной сетевой среды.

В заключение, в данной статье подробно анализируются преимущества и недостатки текущих асинхронных протоколов согласования блокчейна, а также предложены два новых проектирования протоколов, а именно 2PAC и сверхбыстрая конвейерная блокировка. Новые разработки демонстрируют значительные преимущества в повышении пропускной способности и снижении задержек, предоставляя важные ссылки для будущего развития технологий блокчейна. Эти новые протоколы не только теоретически доказали свои преимущества, но и продемонстрировали выдающуюся производительность в практических тестах, предлагая новые идеи для реализации эффективных и безопасных протоколов согласования блокчейна.

Благодаря постоянным исследованиям и оптимизации, у нас есть основания полагать, что технологии блокчейн сыграют все более важную роль в будущем цифровой экономики, а новое поколение согласовательных протоколов обеспечит надежную основу для развития этой технологии.