Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso Blockchain

A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, assegura a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de Consenso. O mecanismo de Consenso é o núcleo dos sistemas Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do Blockchain. O mecanismo de Consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na gestão de latência de rede e falhas de nós, tornando-se, portanto, um foco de pesquisa.

Este artigo explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso em Blockchain, com foco na análise dos mais recentes avanços do protocolo de replicação de máquinas de estado tolerantes a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). Atualmente, o sMVBA é considerado o protocolo assíncrono MVBA mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. Além disso, este artigo apresenta dois novos designs de protocolo, nomeadamente o 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e Blocos de Pipeline Ultra Rápidos, mostrando melhorias significativas em termos de throughput e latência.

Modelos e Definições

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos por adversários. Esses processos comunicam-se entre si através de canais assíncronos, onde o atraso na entrega de mensagens é controlado pelos adversários. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

Blockchain Consenso

O protocolo de consenso da blockchain visa garantir que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da blockchain. Especificamente, cada nó recebe constantemente novas transações e as empacota em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados entre todos os nós honestos. O protocolo de consenso da blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:

• Atividade: Existe uma blockchain decidida de comprimento infinito em execução ilimitada.
• Consistência: se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser o prefixo da outra.
• Qualidade P: Em um Blockchain já decidido, a proporção de transações inseridas por nós honestos deve ser pelo menos p.

Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono

Atualmente, alguns protocolos de consenso assíncronos apresentam várias formas potenciais de ataque, que podem comprometer sua consistência e vitalidade. Por exemplo, ataques resultantes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de promoção para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência devido à flexibilização da definição de autenticação do líder. Embora alguns protocolos tenham introduzido novos mecanismos, como a execução paralela de múltiplas instâncias, ainda não conseguiram resolver completamente esses problemas.

Novo design de protocolo: 2PAC (Consenso assíncrono em 2 fases)

Com base na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Inclui especificamente duas variantes:

1. 2PAClean：

   • Alcançou mais de 90% de throughput e uma latência esperada de 9.5δ, com complexidade de mensagem de O(n²).
   • A eficiência do protocolo foi melhorada ao eliminar interações e custos computacionais desnecessários.

2. 2PACBIG：

   • É o protocolo de consenso de blockchain mais rápido atualmente, com uma complexidade de mensagem de O(n³).
   • O tempo de execução único do MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.

Super rápido pipeline Bloco

Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência do bloco em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão do bloco em pipeline é até menor do que o do bloco não em pipeline, sob um escalonador justo. Esse mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falha.

Resultados de Quantificação

Através de análise teórica e testes práticos, o 2PAClean tem uma latência esperada de 9,5δ no pior caso, enquanto no bom caso (sem falhas e com agendador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, sendo 6δ no bom caso. Assim, o 2PAClean reduziu a latência no pior caso em 0,5δ, mantendo a mesma latência no bom caso. Além disso, a taxa de transferência do 2PAClean é 80% a 100% superior à do sMVBA em cadeia, principalmente devido ao novo design que evita descartes desnecessários de blocos e sobrecarga computacional.

2PACBIG como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução de MVBA de 4δ, mais rápido do que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline super rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG realizem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.

Avaliação de Cálculo

Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma ampla avaliação computacional. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram um desempenho excelente sob várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. Especificamente, o 2PAClean alcançou um bom equilíbrio entre a latência de envio de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG conseguiu uma latência mais baixa através da paralelização e da otimização do processo de votação.

Direções futuras de pesquisa

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 ultra-rápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, alcançar uma maior taxa de transferência e uma menor latência, simplificando a estrutura do protocolo e otimizando o processo de consenso.

Pesquisas futuras podem explorar ainda mais as seguintes direções:

1. otimização do protocolo: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a troca de mensagens desnecessárias e os custos computacionais.
2. Análise de segurança: analisar profundamente a segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo a sua fiabilidade em aplicações práticas.
3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, validando seu desempenho em ambientes de rede reais.

Através de pesquisa e otimização contínuas, temos razões para acreditar que a tecnologia Blockchain desempenhará um papel ainda mais importante na economia digital do futuro, e a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.