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、分散型の非中央集権的な帳簿技術として、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します。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ノードの障害に対処する上で独自の利点を持つため、研究の焦点となっています。

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、非同期ビザンチンフォールト耐性状態機械複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展に重点を置いて分析しています。現在、sMVBAは最も速い非同期MVBAプロトコルと見なされており、予想遅延は10δです。さらに、この記事では、スループットと遅延の面での顕著な改善を示す2つの新しいプロトコル設計、すなわち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を提案しています。

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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個のプロセスが敵によって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介して相互に通信し、メッセージの伝達遅延は敵によって制御されます。各プロセスは、メッセージの真実性と完全性を確保するために、署名と検証に使用される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

ブロックチェーン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ついて合意に達することを目的としています。具体的には、各ノードは新しい取引を継続的に受信し、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。ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下のいくつかの基本的な要件を満たす必要があります：

• 活性：無限に実行される中で、決定された無限の長さのブロックチェーンが存在する。
• 一貫性：もし二つの決定されたブロックチェーンが存在する場合、そのうちの一つはもう一つのプレフィックス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において、誠実なノードが入力した取引の割合は少なくともpである。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

現在、一部の非同期コンセンサスプロトコルには、整合性と活性を損なう可能性のあるさまざまな潜在的な攻撃手法が存在します。たとえば、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、およびリーダーの認証定義の緩和による整合性攻撃などです。いくつかのプロトコルは、複数の並行インスタンスを並行して実行するなどの新しいメカニズムを導入していますが、これらの問題を完全に解決するには至っていません。

新プロトコル設計：2PAC（2段階非同期コンセンサス）

既存のプロトコルの分析に基づき、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ています：

1. 2PACleanの:

   • +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑度はO(n²)です。
   • 不必要なインタラクションと計算コストを排除することで、プロトコルの効率が向上しました。

2. 2パックビッグ:

   • 現在のメッセージの複雑度が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の実行時間は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減少させました。迅速なパス機構を導入することで、公平スケジューラの下で、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小さくなります。この機構は、すべての実行において迅速なパスの遅延を保証し、故障プロセスの動作の影響を受けません。

結果を定量化する

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（故障なし、スケジューラが半公平）では6δです。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δで、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ながら、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、チェーン式sMVBAと比較して80%から100%向上しており、これは新しい設計で不必要なブロックの廃棄と計算コストを回避したことに主に起因しています。

2PACBIGは、メッセージの複雑度がO(n³)のプロトコルであり、その1回のMVBA実行時間は4δで、既存のすべてのプロトコルよりも速いです。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と3δのパイプラインブロック決定時間を達成し、プロトコルの性能をさらに向上させました。

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評価を計算する

新しいプロトコルの性能を検証するために、研究者たち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において顕著でした。具体的には、2PACleanはメッセージ遅延と計算複雑度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、より低い遅延を実現しました。

今後の研究の方向性

ブロックチェーン技術の不断の発展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは安全性の確保と性能の向上において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コンセンサスプロトコルの発展方向を示しており、すなわちプロトコル構造の簡素化とコンセンサス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遅延を実現します。

未来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のオーバーヘッドを減らします。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルが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での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、リアルネットワーク環境での性能を検証する。

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。そして、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対して堅固な基盤を提供するでしょう。