Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso blockchain

A tecnologia Blockchain, como representante da tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, tem seu núcleo na mecânica de Consenso. O desempenho da mecânica de Consenso impacta diretamente a escalabilidade e a segurança do sistema Blockchain. Este relatório foca nos desenvolvimentos mais recentes do protocolo de replicação de máquina de estado de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT SMR), explorando em profundidade os protocolos assíncronos mais rápidos atualmente e os problemas existentes, além de propor dois designs de protocolo inovadores.

Visão Geral do Modelo BFT Assíncrono

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por 3f + 1 processos, dos quais f podem ser potencialmente maliciosos. Os processos comunicam-se através de canais assíncronos, com atrasos de transmissão de mensagens imprevisíveis. Cada processo possui um par de chaves pública e privada, que garantem a autenticidade e integridade das mensagens.

Requisitos centrais do protocolo de consenso Blockchain

1. Atividade: garantir que exista uma Blockchain decidida de comprimento infinito durante a execução infinita.
2. Consistência: Qualquer duas cadeias de blocos decididas em um Blockchain, uma delas deve ser um prefixo da outra.
3. Qualidade: Foi decidido que a proporção de transações inseridas por nós honestos no Blockchain atinge o limite predefinido.

Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono

Atualmente, o protocolo sMVBA tornou-se o protocolo MVBA assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O anteriormente considerado o protocolo VABA 2-chain mais rápido (latência esperada de 9.5δ) foi encontrado apresentando várias vulnerabilidades de segurança, incluindo a falta de verificações de autenticação, estratégias de exploração que prejudicam a atividade, e problemas de consistência resultantes da flexibilização da definição de autenticação do líder.

Design de protocolo inovador

1. 2PAC (Consenso assíncrono em 2 fases)

O protocolo 2PAC melhora significativamente o desempenho através da simplificação e otimização do processo de consenso. Inclui duas variantes:

• 2PAClean: alcançou um aumento de throughput superior a 90%, com uma latência esperada de 9.5δ e uma complexidade de mensagem de O(n²).
• 2PACBIG：atualmente a complexidade de mensagem é O(n³) do protocolo de consenso de blockchain mais rápido, com um tempo de execução de MVBA de apenas 4δ em condições sem falhas.

2. Super rápida linha de produção Bloco

Este novo design reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um agendador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline pode até ser inferior ao dos blocos não em pipeline. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções, não sendo afetado por processos com falhas.

Avaliação de Desempenho

Análise teórica e testes práticos mostram:

• 2PAClean tem um atraso esperado de 9.5δ no pior cenário e de 6δ no melhor cenário.
• A taxa de transferência do 2PAClean é 80%-100% superior à do sMVBA em cadeia.
• O tempo de execução de uma única MVBA do 2PACBIG é de 4δ, superior a todos os protocolos existentes.
• O design de linha de montagem super rápido permite que o s2PAClean e o s2PACBIG alcancem um tempo de decisão de bloco de linha de montagem de 4δ e 3δ, respetivamente.

Direções de pesquisa futuras

1. Simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a troca de mensagens e os custos computacionais desnecessários.
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 seu 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 no aumento do desempenho. O design do 2PAC e do bloco de pipeline ultrarrápido aponta a direção para o desenvolvimento futuro dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançando maior capacidade de processamento e menor latência. Essas inovações não apenas demonstraram sua superioridade em teoria, mas também mostraram um desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso Blockchain eficientes e seguros.