Últimos avances y aplicaciones de los protocolos de consenso de blockchain

La tecnología blockchain, como una tecnología de libro mayor distribuido descentralizado, garantiza la integridad y consistencia de los datos a través de mecanismos de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema blockchain, y su rendimiento impacta directamente en la escalabilidad y seguridad de la blockchain. El mecanismo de consenso de Tolerancia a Fallos Bizantinos Asincrónico (BFT) tiene ventajas únicas para enfrentar la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un foco de investigación.

Este informe explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de blockchain, con un análisis enfocado en los últimos avances del protocolo de replicación de máquinas de estado tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). El protocolo asíncrono más rápido en la actualidad es el 2-chain VABA, pero debido a sus vulnerabilidades, no se ha logrado su retraso esperado de 9.5δ. Por lo tanto, el sMVBA se ha convertido en el protocolo MVBA asíncrono más rápido, con un retraso esperado de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 etapas) y bloques de canalización ultrarrápidos, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y retraso.

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Modelos y definiciones

En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos por un adversario. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y la latencia en la entrega de mensajes es controlada por el adversario. Cada proceso posee un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad y la integridad de los mensajes.

Consenso de blockchain

Los protocolos de consenso de blockchain tienen como objetivo lograr que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la blockchain. Específicamente, cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las agrupa en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados por todos los nodos honestos. Los protocolos de consenso de blockchain deben cumplir con los siguientes requisitos básicos:

• Liveliness: En la ejecución infinita, existe una cadena de bloques decidida de longitud infinita.
• Consistencia: Si existen dos cadenas de bloques decididas, una de ellas debe ser un prefijo de la otra.
• P calidad (P-Quality): En la blockchain ya decidida, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos debe ser al menos p.

Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono

El protocolo de consenso asíncrono más rápido actualmente es 2-chain VABA, cuyo retraso esperado es de 9.5δ. Sin embargo, la investigación ha encontrado que este protocolo presenta múltiples vectores de ataque que comprometen su consistencia y actividad. Por ejemplo, ataques que aprovechan la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la actividad mediante estrategias de mejora, y ataques de consistencia que resultan de una definición relajada de la autenticación del líder, entre otros. A pesar de que 2-chain VABA introduce algunos nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias paralelas, aún no ha logrado resolver completamente estos problemas.

Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (consenso asíncrono en 2 fases)

Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Incluye dos variantes específicas:

) 2PAClean:

• Se logró más del 90% de rendimiento y una latencia esperada de 9.5δ, con una complejidad de mensajes de O###n²(.
• Se ha mejorado la eficiencia del protocolo al eliminar interacciones y costes computacionales innecesarios.

) 2PACBIG：

• Es el protocolo de consenso de blockchain más rápido con una complejidad de mensaje actual de O###n³(.
• El tiempo de ejecución de un solo MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce significativamente la latencia.

Línea de bloques de alta velocidad

Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloques en línea que reduce significativamente la latencia de los bloques en línea. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en línea es incluso menor que el de los bloques no en línea bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de los procesos fallidos.

Resultados cuantitativos

A través de un análisis teórico y pruebas prácticas, el retraso esperado en el peor de los casos de 2PAClean es de 9.5δ, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semi-justo) es de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en el mejor de los casos es de 6δ. Por lo tanto, 2PAClean ha reducido el retraso en el peor de los casos en 0.5δ manteniendo el mismo retraso en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean ha mejorado entre un 80% y un 100% en comparación con sMVBA en cadena, lo que se debe principalmente a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y los costos computacionales.

2PACBIG, como un protocolo con una complejidad de mensaje de O)n³(, tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tubería ultrarrápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ, respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.

Evaluación de Cálculo

Para validar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG demostraron un rendimiento excepcional bajo diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. En concreto, 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una latencia más baja mediante la paralelización y optimización del proceso de votación.

Con el continuo desarrollo de la tecnología blockchain, el protocolo de consenso BFT asíncrono jugará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y la mejora del rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultra rápida muestran la dirección del desarrollo de los protocolos de consenso blockchain en el futuro, es decir, lograr un mayor rendimiento y una menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.

Direcciones futuras de investigación

Las futuras investigaciones pueden explorar más a fondo las siguientes direcciones:

1. Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la transmisión de mensajes innecesarios y los costos de cálculo.

2. Análisis de seguridad: análisis profundo de la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.

3. Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo en sistemas de blockchain reales para verificar su rendimiento en un entorno de red real.

Este informe analiza detalladamente las ventajas y desventajas de los protocolos de consenso de blockchain asíncronos actuales, y propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y bloques de canalización ultrarrápidos. Los nuevos diseños muestran ventajas significativas en el aumento del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología blockchain. Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad en teoría, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr protocolos de consenso de blockchain eficientes y seguros.

A través de una investigación y optimización constantes, la tecnología blockchain desempeñará un papel cada vez más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.

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