Останні досягнення та застосування консенсусних протоколів блокчейн

Технологія блокчейн як децентралізована розподілена технологія бухгалтерського обліку забезпечує цілісність і узгодженість даних через механізм консенсусу. Механізм консенсусу є основою системи блокчейн, і його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку блокчейну. Асинхронний механізм консенсусу з стійкістю до помилок Базантинського типу (BFT) має унікальні переваги в боротьбі з затримками в мережі та частковими відмовами вузлів, тому став об’єктом активних досліджень.

Цей звіт досліджує сучасний стан розвитку протоколів консенсусу в блокчейні, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях у протоколі асинхронного байєзантинського толерантного стану машини (BFT SMR). Найшвидшим асинхронним протоколом наразі є 2-chain VABA, але через наявність уразливостей його очікувана затримка в 9,5δ не була досягнута. Тому sMVBA став найшвидшим асинхронним MVBA-протоколом, з очікуваною затримкою в 10δ. У звіті також представлені два нові проекти протоколів: 2PAC (асинхронний консенсус у 2 стадії) та надшвидка конвеєрна блокчейн, які демонструють значні поліпшення в пропускній здатності та затримці.

Моделі та визначення

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути навмисно знищені супротивником. Ці процеси спілкуються між собою через асинхронні канали, а затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару відкритих і закритих ключів для підписання та перевірки, що забезпечує справжність і цілісність повідомлень.

Консенсус блокчейну

Протокол консенсусу блокчейну має на меті забезпечити досягнення згоди між усіма чесними вузлами щодо стану блокчейну. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та пакує їх у блоки, використовуючи протокол консенсусу для забезпечення досягнення згоди щодо цих блоків на всіх чесних вузлах. Протокол консенсусу блокчейну повинен відповідати наступним основним вимогам:

• Активність (Liveness): в безмежному виконанні існує безмежно довгий визначений блокчейн.
• Узгодженість (Consistency): якщо існує два визначених блокчейнів, то один з них повинен бути префіксом іншого.
• P-якість (P-Quality): у вже визначеному блокчейні частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить не менше p.

Виклики сучасного асинхронного консенсусного протоколу

Найшвидший асинхронний протокол консенсусу наразі - це 2-chain VABA, його очікувана затримка становить 9.5δ. Однак дослідження виявило, що цей протокол має кілька вразливостей, які порушують його консистентність та активність. Наприклад, атаки, спричинені відсутністю перевірки автентичності, атаки, що використовують стратегії підвищення для перешкоджання активності, а також атаки на консистентність через послаблення визначення автентичності лідера. Хоча 2-chain VABA впроваджує деякі нові механізми, такі як паралельне виконання кількох паралельних екземплярів, проте ці проблеми все ще не вирішені повністю.

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. Зокрема, він включає два варіанти:

2PAClean:

• Досягнуто +90% пропускної здатності та очікуваної затримки 9.5δ, складність повідомлення становить O(n²).
• Підвищено ефективність протоколу шляхом усунення непотрібних взаємодій і обчислювальних витрат.

2PACBIG:

• Це найшвидший протокол консенсусу блокчейну з нинішньою складністю повідомлень O(n³).
• Безвідмовний час одноразового виконання MVBA становить 4δ, що значно зменшує затримку.

Надшвидка конвеєрна блокчейн

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрних блоків, який значно зменшує затримку конвеєрних блоків. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, під справедливим планувальником, час ухвалення рішень для конвеєрних блоків навіть менший, ніж для не конвеєрних блоків. Цей механізм забезпечує затримку швидкого шляху під час всіх виконань і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Результати кількісного аналізу

Завдяки теоретичному аналізу та практичному тестуванню, очікувана затримка 2PAClean у найгіршому випадку становить 9.5δ, а в хорошому випадку (без збоїв та 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 таку ж затримку у хорошому випадку. Крім того, пропускна здатність 2PAClean порівняно з ланцюговим sMVBA збільшилася на 80% до 100%, що головним чином пов'язано з новим дизайном, який уникає непотрібних скидань блоків та обчислювальних витрат.

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 досягти часу прийняття рішень по конвеєру блоків відповідно 4δ і 3δ, 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 в різних мережевих умовах, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. Конкретно, 2PAClean досяг хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень та обчислювальною складністю, в той час як 2PACBIG забезпечив нижчу затримку за рахунок паралелізації та оптимізації процесу голосування.

З розвитком технологій блокчейн асинхронний BFT консенсусний протокол відіграватиме все більш важливу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC і надшвидких конвеєрних блоків демонструє напрямок розвитку майбутніх консенсусних протоколів у блокчейні, а саме шляхом спрощення структури протоколу та оптимізації процесу консенсусу для досягнення більшої пропускної здатності та зниження затримки.

Майбутні напрямки досліджень

Майбутні дослідження можуть далі вивчити кілька напрямків:

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібних повідомлень та обчислювальних витрат.

2. Аналіз безпеки: глибокий аналіз безпеки нового протоколу в різних сценаріях атак, щоб забезпечити його надійність у реальних застосуваннях.

3. Фактичне застосування: впровадження нового протоколу в реальні системи блокчейн для перевірки його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Цей звіт детально аналізує переваги та недоліки поточних асинхронних блокчейн-протоколів консенсусу та пропонує два нових дизайни протоколів, а саме 2PAC та надшвидку конвеєрну блокчейн. Нові дизайни демонструють значні переваги в підвищенні пропускної здатності та зменшенні затримок, надаючи важливі посилання для подальшого розвитку технологій блокчейн. Ці нові протоколи не тільки теоретично підтвердили свою перевагу, але й продемонстрували видатні характеристики в практичних випробуваннях, що забезпечує нові ідеї для досягнення ефективних та безпечних протоколів консенсусу блокчейн.

Шляхом постійних досліджень і оптимізації технологія блокчейн відіграватиме все більш важливу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління консенсусних протоколів забезпечить міцну основу для розвитку цієї технології.