Последние достижения и применение протокола соглашения Блокчейн

Технология Блокчейн, как децентрализованная распределенная технология учета, обеспечивает целостность и согласованность данных через механизм Соглашения. Механизм Соглашения является ядром системы Блокчейн, его производительность напрямую влияет на масштабируемость и безопасность Блокчейн. Асинхронный алгоритм терпимости к ошибкам Бизантийцев (BFT) имеет уникальные преимущества в отношении сетевых задержек и частичных сбоев узлов, поэтому стал предметом активных исследований.

В статье рассматривается текущее состояние развития протоколов согласия блокчейн, с акцентом на последние достижения протокола асинхронной византийской устойчивости к сбоям с репликацией состояния (BFT SMR). В настоящее время sMVBA считается самым быстрым асинхронным MVBA-протоколом с ожидаемой задержкой 10δ. Кроме того, в статье представлены два новых дизайна протоколов, а именно 2PAC (асинхронное согласие на 2 этапах) и супербыстрая конвейерная блокировка, демонстрирующие значительные улучшения в пропускной способности и задержке.

Модель и определения

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

Блокчейн Соглашение

Протокол согласования Блокчейна предназначен для того, чтобы все честные узлы достигали согласия по состоянию Блокчейна. Конкретно, каждый узел постоянно получает новые транзакции и упаковывает их в Блоки, обеспечивая согласование этих Блоков на всех честных узлах через протокол согласования. Протокол согласования Блокчейна должен удовлетворять следующим основным требованиям:

• Активность: в бесконечном исполнении существует бесконечно длинный определенный Блокчейн.
• Согласованность: если существуют две утвержденные блокчейна, то одна из них должна быть префиксом другой.
• Pкачество: в уже определенном Блокчейне, доля транзакций, введенных честными узлами, составляет не менее p.

Текущие вызовы асинхронного соглашения

В настоящее время некоторые асинхронные протоколы соглашения имеют множество потенциальных уязвимостей, которые могут подорвать их согласованность и активность. Например, атаки, возникающие из-за недостатка проверки подлинности, атаки, использующие стратегии повышения для блокирования активности, а также атаки на согласованность, вызванные ослаблением определения подлинности лидера. Несмотря на то, что некоторые протоколы внедрили новые механизмы, такие как параллельная работа нескольких экземпляров, эти проблемы все еще не решены полностью.

Новый дизайн протокола: 2PAC (2-фазное асинхронное соглашение)

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

1. 2PAClean:

   • Реализована производительность более 90% и ожидаемая задержка 9.5δ, сложность сообщения составляет O(n²).
   • Повышена эффективность протокола за счет устранения ненужных взаимодействий и вычислительных затрат.

2. 2PACBIG:

   • Это самый быстрый протокол соглашения Блокчейн с текущей сложностью сообщений O(n³).
   • Безошибочное время выполнения одного MVBA составляет 4δ, что значительно снижает задержку.

Супербыстрая конвейерная Блок

Исследователи предложили новый дизайн конвейерного блока, который значительно уменьшает задержку конвейерных блоков. Внедрение механизма быстрого пути позволяет уменьшить время принятия решений для конвейерных блоков даже по сравнению с неконвейерными блоками при справедливом планировщике. Этот механизм гарантирует задержку быстрого пути во всех выполнениях и не подвержен влиянию поведения сбойных процессов.

Количественные результаты

По теоретическому анализу и практическому тестированию, ожидаемая задержка 2PAClean в худшем случае составляет 9.5δ, а в хорошем случае (без сбоев и полуправильный планировщик) — 6δ. В сравнении, ожидаемая задержка sMVBA составляет 10δ, а в хорошем случае — 6δ. Таким образом, 2PAClean уменьшает задержку в худшем случае на 0.5δ при сохранении той же задержки в хорошем 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 были устранены ненужные потери блоков и вычислительные затраты.

2PACBIG как протокол с сложностью сообщения O(n³), имеет время выполнения одного MVBA 4δ, что быстрее, чем у всех существующих протоколов. Кроме того, сверхбыстрая конвейерная блокировка позволяет s2PAClean и s2PACBIG достичь времени принятия конвейерных блоков 4δ и 3δ соответственно, что further улучшает производительность протокола.

Оценка вычислений

Чтобы проверить производительность нового протокола, исследователи провели обширную вычислительную оценку. Результаты показали, что 2PAClean и 2PACBIG демонстрируют отличные результаты в различных сетевых условиях, особенно в условиях высокой задержки и высокой частоты сбоев. В частности, 2PAClean достиг хорошего баланса между задержкой передачи сообщений и вычислительной сложностью, в то время как 2PACBIG реализовал более низкую задержку за счет параллелизации и оптимизации процесса голосования.

Будущие направления исследований

С развитием технологий Блокчейн асинхронный BFT Протокол Соглашения будет играть все более важную роль в обеспечении безопасности и повышении производительности. Дизайн 2PAC и супербыстрой конвейерной Блоки демонстрирует направление развития будущих протоколов Блокчейн Соглашения, а именно упрощение структуры протокола и оптимизация процесса Соглашения для достижения более высокой пропускной способности и более низкой задержки.

Будущие исследования могут дополнительно изучить следующие направления:

1. Оптимизация протокола: дальнейшее упрощение и оптимизация структуры протокола, уменьшение ненужной передачи сообщений и вычислительных затрат.
2. Анализ безопасности: глубокий анализ нового протокола в различных сценариях атак, чтобы обеспечить его надежность в реальном применении.
3. Практическое применение: применение нового протокола в реальных системах Блокчейн, проверка его производительности в реальной сетевой среде.

Путем постоянных исследований и оптимизации у нас есть основания полагать, что Блокчейн-технология сыграет еще более важную роль в будущем цифровой экономики, а новое поколение Соглашений Протоколов обеспечит надежную основу для развития этой технологии.