Os últimos avanços e aplicações dos protocolos de consenso em blockchain

A tecnologia blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados por meio de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo do sistema 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 abordagem de latência de rede e falhas de nós parciais, tornando-se, portanto, um foco de pesquisa.

Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso em blockchain, com ênfase na análise dos mais recentes avanços no protocolo de replicação de máquina de estado tolerante a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, mas devido a suas vulnerabilidades, seu atraso esperado de 9.5δ não foi alcançado. Assim, o sMVBA tornou-se o protocolo MVBA assíncrono mais rápido, com um atraso esperado de 10δ. O relatório também propõe dois novos designs de protocolo, ou seja, 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos de pipeline ultra-rápido, 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 se comunicam entre si através de canais assíncronos, e o atraso na entrega das mensagens é controlado pelos adversários. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinar e verificar, assegurando a autenticidade e integridade das mensagens.

Consenso de Blockchain

O protocolo de consenso da blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da blockchain. Especificamente, cada nó recebe continuamente 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 (Liveness): Em uma execução infinita, existe uma blockchain decidida de comprimento infinito.
• Consistência: Se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
• P qualidade (P-Quality): Na blockchain decidida, a proporção de transações inseridas por nós honestos é de pelo menos p.

Desafios do protocolo de consenso assíncrono atual

O protocolo de consenso assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, cuja latência esperada é de 9,5δ. No entanto, estudos descobriram que esse protocolo possui várias formas de ataque que comprometem sua consistência e vitalidade. Por exemplo, ataques decorrentes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de elevação para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência resultantes da definição relaxada de autenticação do líder. Embora o 2-chain VABA tenha introduzido alguns novos mecanismos, como a execução paralela de várias instâncias, ainda não conseguiu 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:

2PAClean:

• Alcançou uma taxa de transferência de +90% e uma latência esperada de 9.5δ, com uma complexidade de mensagem de O(n²).
• A eficiência do protocolo foi melhorada através da eliminação de interações e custos de computação desnecessários.

2PACBIG：

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

Linha de bloco super rápida

Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é ainda menor do que o dos blocos 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 da quantificação

Através de análise teórica e testes práticos, o 2PAClean tem um atraso esperado de 9.5δ no pior caso e de 6δ no bom caso (sem falhas e com escalonador semi-justo). Em comparação, o atraso esperado do sMVBA é de 10δ, sendo 6δ no bom caso. Assim, o 2PAClean reduziu o atraso no pior caso em 0.5δ, mantendo o mesmo atraso no bom caso. Além disso, a taxa de transferência do 2PAClean aumentou em 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia, principalmente devido ao novo design que evita o descarte desnecessário de blocos e sobrecarga computacional.

2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução de MVBA por vez 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 alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.

Cálculo de Avaliação

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

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 dos blocos de pipeline super-rápido demonstra a direção de desenvolvimento dos protocolos de consenso em blockchain no futuro, que é alcançar uma maior taxa de transferência e menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso.

Direções futuras de pesquisa

A pesquisa futura pode 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 de computação.

2. Análise de Segurança: Analisar em profundidade a segurança do novo protocolo em diversos cenários de ataque, garantindo a sua fiabilidade na aplicação prática.

3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de blockchain reais, validando seu desempenho em ambientes de rede reais.

Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso de blockchain assíncronos e propõe dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC e blocos de pipeline super rápidos. Os novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria da taxa de transferência e na redução da latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia blockchain. Estes novos protocolos não apenas provaram sua superioridade teoricamente, mas também mostraram um desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a implementação de protocolos de consenso de blockchain eficientes e seguros.

Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia blockchain desempenhará um papel cada vez mais importante na futura economia digital, e a nova geração de protocolos de consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.