Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Блокчейн технологія як представник децентралізованих розподілених бухгалтерських технологій має в своїй основі механізм консенсусу. Продуктивність механізму консенсусу безпосередньо впливає на масштабованість та безпеку блокчейн системи. У цьому звіті особливу увагу приділено останнім розробкам протоколу асинхронного візантійського відмовостійкого стану машини реплікації (BFT SMR) та запропоновано два інноваційних проєктування протоколу.

Огляд асинхронної моделі BFT

У моделі асинхронного BFT система складається з 3f+1 процесів, де f може бути зловмисно пошкодженим. Процеси спілкуються через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень непередбачувана. Кожен процес має пару публічного та приватного ключів, які використовуються для забезпечення автентичності та цілісності повідомлень.

Основні вимоги до протоколу консенсусу Блокчейн

Блокчейн Консенсус протокол потрібно відповідати наступним ключовим вимогам:

1. Активність: в умовах безмежного виконання існує нескінченно довга вже визначена Блокчейн.
2. Узгодженість: якщо існує два визначених Блокчейн, один з яких повинен бути префіксом іншого.
3. Pякість: Визначено, що в Блокчейн частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить щонайменше p.

Виклики існуючих асинхронних протоколів консенсусу

Наразі sMVBA є найшвидшим асинхронним MVBA протоколом з очікуваною затримкою 10δ. Раніше вважався найшвидшим 2-chain VABA протоколом (заявлена затримка 9.5δ), але має кілька вразливостей безпеки, зокрема:

• Атака, спричинена відсутністю перевірки сертифікації
• Використання стратегій підвищення для перешкоджання атакам активності
• Проблема узгодженості, викликана послабленням визначення сертифікації лідерів

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

На основі аналізу існуючого протоколу ми запропонували два варіанти протоколу 2PAC:

2PAClean

• Реалізовано +90% пропускної спроможності та очікувана затримка 9.5δ
• Складність повідомлення становить O(n²)
• Значно підвищено ефективність шляхом оптимізації процесу консенсусу

2PACBIG

• Наразі складність повідомлень становить O(n³) найшвидшого протоколу консенсусу Блокчейн
• За відсутності збоїв, одноразовий час виконання MVBA становить лише 4δ

Супер швидкий конвеєр Блок

Ми також запропонували інноваційний дизайн конвеєрного блоку, що значно знижує затримку прийняття рішень:

• Введення механізму швидкого шляху, за справедливим планувальником, час прийняття рішень про блоки в конвеєрі навіть менший ніж у непотокових блоків.
• Усі виконання можуть гарантувати затримку швидкого шляху, не підлягаючи впливу несправних процесів

Оцінка продуктивності

Через теоретичний аналіз та практичне тестування новий протокол виявляє значні переваги:

• 2PAClean: найгірший випадок очікуваної затримки 9.5δ, хороший випадок 6δ
• 2PACBIG: Час виконання одного MVBA 4δ, випереджає всі існуючі протоколи
• Супершвидкий дизайн конвеєра: s2PAClean і s2PACBIG відповідно реалізують 4δ і 3δ час прийняття рішень по блоку конвеєра

Розрахунок оцінки результатів

Широкі обчислювальні оцінки показують, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінні результати за різних мережевих умов:

• 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень і обчислювальною складністю
• 2PACBIG через паралелізацію та оптимізацію процесу голосування досягає нижчої затримки

Майбутні напрямки досліджень

1. Додатково спростити та оптимізувати структуру протоколу
2. Глибокий аналіз безпеки нового протоколу в різних сценаріях атаки
3. Застосування нового протоколу в реальних Блокчейн-системах для перевірки продуктивності в реальному мережевому середовищі

Висновок

2PAC та надшвидка конвеєрна архітектура блоків демонструють майбутній напрямок розвитку консенсус-протоколів Блокчейн. Спрощуючи структуру протоколу та оптимізуючи процес консенсусу, ці нові протоколи демонструють значні переваги в підвищенні пропускної спроможності та зменшенні затримок. З поглибленням досліджень та постійною оптимізацією технологій, нове покоління консенсус-протоколів закладе міцний фундамент для широкого застосування технології Блокчейн у цифровій економіці.