Останні досягнення та застосування консенсусу протоколу Блокчейн

Блокчейн технологія як децентралізована розподілена технологія бухгалтерського обліку забезпечує цілісність та узгодженість даних через Консенсус механізм. Консенсус механізм є ядром Блокчейн системи, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість та безпеку Блокчейн. Асинхронний візантійський відмовостійкий (BFT) Консенсус механізм має унікальні переваги в управлінні затримками в мережі та частковими відмовами вузлів, тому став предметом досліджень.

Ця стаття розглядає сучасний стан розвитку протоколів консенсусу Блокчейн, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях у протоколі асинхронного байєзантинського толерантного до відмов стану машини (BFT SMR). Наразі sMVBA вважається найшвидшим асинхронним MVBA-протоколом, з очікуваною затримкою 10δ. Крім того, у статті представлені два нові проекти протоколів, а саме 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус) та надшвидка конвеєризація блоків, що демонструють значні покращення в пропускній здатності та затримці.

Моделі та визначення

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно знищені супротивником. Ці процеси спілкуються між собою через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару публічного та приватного ключів для підпису та перевірки, щоб забезпечити автентичність і цілісність повідомлень.

Блокчейн Консенсус

Блокчейн Консенсус протокол має на меті забезпечити узгодженість стану Блокчейн серед усіх чесних вузлів. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у блоки, забезпечуючи узгодженість цих блоків на всіх чесних вузлах через Консенсус протокол. Блокчейн Консенсус протокол має відповідати кільком основним вимогам:

• Активність: в безкінечному виконанні існує безкінечно довгий визначений Блокчейн.
• Узгодженість: якщо існує два визначених Блокчейн, то один з них повинен бути префіксом іншого.
• Pякість: в уже визначеному Блокчейн, частка транзакцій, введених чесними вузлами, повинна бути не менше p.

Виклики поточного асинхронного консенсусу

В даний час деякі асинхронні протоколи консенсусу мають кілька потенційних способів атаки, які можуть підривати їхню узгодженість та активність. Наприклад, атаки, викликані відсутністю перевірки автентифікації, атаки, які використовують стратегії підвищення для перешкоджання активності, а також атаки на узгодженість, викликані пом'якшенням визначення автентифікації лідера. Незважаючи на те, що деякі протоколи впровадили нові механізми, такі як паралельне виконання декількох паралельних екземплярів, вони все ще не змогли повністю вирішити ці проблеми.

Новий дизайн протоколу: 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів, дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Конкретно, він включає два різновиди:

1. 2PAClean:

   • Реалізовано +90% пропускної здатності та очікувана затримка 9.5δ, складність повідомлень O(n²).
   • Підвищено ефективність протоколу шляхом усунення непотрібних взаємодій та витрат на обчислення.
2. 2. ПАКБІГ:
   • Це найшвидший протокол консенсусу Блокчейн з поточною складністю повідомлень O(n³).
   • Безвідмовний одноразовий час виконання MVBA становить 4δ, що суттєво знижує затримку.

Супершвидкий конвеєр Блок

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрних блоків, який суттєво зменшує затримку конвеєрних блоків. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, у справедливому планувальнику, час прийняття рішень для конвеєрних блоків навіть менший, ніж для не конвеєрних блоків. Цей механізм гарантує затримку швидкого шляху в усіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Результати квантування

Завдяки теоретичному аналізу та практичним випробуванням, очікувана затримка 2PAClean у найгіршому випадку становить 9.5δ, а в хорошому випадку (без збоїв і напівсправедливий планувальник) – 6δ. У порівнянні з цим, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, а в хорошому випадку – 6δ. Таким чином, 2PAClean зменшив затримку у найгіршому випадку на 0.5δ, зберігаючи при цьому ту ж затримку в хорошому випадку. Крім того, пропускна здатність 2PAClean в порівнянні з ланцюговим sMVBA зросла на 80% до 100%, що в основному обумовлено уникненням непотрібних Блоків відмови та обчислювальних витрат у новому дизайні.

2PACBIG як протокол з складністю повідомлення O(n³), має час виконання MVBA за один раз 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи. Крім того, надшвидкий конвеєрний дизайн блоків дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягати відповідно 4δ та 3δ часу прийняття рішень про конвеєрні блоки, що ще більше підвищує продуктивність протоколу.

Обчислення оцінки

Щоб перевірити продуктивність нового протоколу, дослідники провели широкі обчислювальні оцінки. Результати показали, що 2PAClean та 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність за різних мережевих умов, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. Конкретно, 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень та обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG забезпечує меншу затримку завдяки паралелізації та оптимізації процесу голосування.

Майбутні напрямки досліджень

З розвитком технології Блокчейн, асинхронний протокол Консенсусу BFT відіграватиме все більш важливу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC та надшвидкої конвеєрної Блоки демонструє напрямок розвитку майбутніх протоколів Консенсусу Блокчейн, тобто шляхом спрощення структури протоколу та оптимізації процесу Консенсусу, досягти більшої пропускної спроможності та нижчої затримки.

Майбутні дослідження можуть далі вивчити такі кілька напрямків:

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібних повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: глибокий аналіз нового протоколу в умовах різних атак, щоб забезпечити його надійність у реальних застосуваннях.
3. Фактичне застосування: впровадження нового протоколу в реальні системи Блокчейн, перевірка його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Через постійне дослідження та оптимізацію ми маємо підстави вірити, що Блокчейн-технології відіграватимуть дедалі важливішу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління Консенсус-протоколів надасть міцну основу для розвитку цієї технології.