Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Блокчейн технологія, як децентралізована розподілена технологія бухгалтерії, забезпечує цілісність і узгодженість даних через механізми консенсусу. Механізм консенсусу є ядром системи Блокчейн, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку Блокчейн. Асинхронний байєцентричний механізм толерантності до помилок (BFT) має унікальні переваги у вирішенні проблеми затримки мережі та часткової відмови вузлів, тому став об'єктом активних досліджень.

Ця стаття розглядає стан розвитку протоколів консенсусу Блокчейн, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях протоколу асинхронного візантійського відмовостійкого копіювання станів (BFT SMR). Наразі найшвидший асинхронний протокол – sMVBA, очікуване затримка становить 10δ. У статті також запропоновано два нових проєкти протоколів, а саме 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус) та надшвидкий конвеєрний блок, які демонструють значні покращення в обсязі обробки та затримці.

Модель та визначення

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

Блокчейн Консенсус

Блокчейн Консенсус протокол має на меті забезпечити узгодження всіх чесних вузлів щодо стану Блокчейн. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у Блоки, через Консенсус протокол забезпечуючи узгодження цих Блоків на всіх чесних вузлах. Блокчейн Консенсус протокол має відповідати таким основним вимогам:

• Активність (Liveness): в безкінечному виконанні існує безкінечно довгий визначений Блокчейн.
• Узгодженість (Consistency): якщо існує два визначених Блокчейн, то одна з них повинна бути префіксом іншої.
• P-якість (P-Quality): у вже визначеному Блокчейн, частка транзакцій, введених чесними вузлами, повинна становити не менше p.

Виклики поточного асинхронного протоколу консенсусу

Поточний асинхронний протокол консенсусу стикається з численними викликами, включаючи потенційне порушення узгодженості та активності. Наприклад, відсутність перевірки автентифікації може призвести до атак, використання стратегій підвищення може перешкоджати активності, а послаблення визначення автентифікації лідерів може призвести до атак на узгодженість тощо. Хоча деякі протоколи впровадили нові механізми, такі як паралельне виконання декількох паралельних екземплярів, але це все ще не змогло повністю вирішити ці проблеми.

Новий протокол дизайну: 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючого протоколу дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Зокрема, він включає два варіанти:

1. 2PAClean:

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

Супершвидка конвеєрна Блок

Дослідники запропонували новий дизайн конвеєрного Блоку, який значно зменшує затримку конвеєрного Блоку. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, час прийняття рішень конвеєрного Блоку навіть менший, ніж у не конвеєрного Блоку, під час справедливого планування. Цей механізм гарантує затримку швидкого шляху у всіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Результати кількісного аналізу

Через теоретичний аналіз і практичні випробування, 2PAClean у найгіршому випадку має очікуване затримання 9.5δ, а в доброму випадку (безвідмовно та напівсправедливої системи планування) – 6δ. У порівнянні з цим, очікуване затримання sMVBA становить 10δ, а в доброму випадку – 6δ. Таким чином, 2PAClean зменшив затримання у найгіршому випадку на 0.5δ, зберігаючи таке ж затримання в доброму випадку. Крім того, пропускна здатність 2PAClean зросла на 80% до 100% у порівнянні з ланцюговим sMVBA, що в основному зумовлено уникненням непотрібного скидання блоків і витрат на обчислення в новому дизайні.

2PACBIG як протокол з складністю повідомлення O(n³), має час виконання одного MVBA 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи. Крім того, надшвидкий проект блоку з конвеєром дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягати відповідно 4δ і 3δ часу прийняття рішень блоку конвеєра, що ще більше підвищує продуктивність протоколу.

Обчислювальна оцінка

Щоб перевірити продуктивність нового протоколу, дослідники провели широкий обчислювальний аналіз. Результати показали, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність в різних мережевих умовах, особливо в середовищах з високою затримкою та високою частотою відмов. Зокрема, 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою передачі повідомлень і обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG реалізує нижчу затримку за рахунок паралелізації та оптимізації процесу голосування.

Майбутні напрямки досліджень

З розвитком технології Блокчейн асинхронний протокол Консенсус BFT відіграватиме все більш важливу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Майбутні дослідження можуть подальше вивчити такі напрямки:

1. оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібних повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: глибокий аналіз нової протоколу в різних сценаріях атаки, щоб забезпечити його надійність у реальному застосуванні.
3. Фактичне застосування: впровадження нового протоколу в реальні Блокчейн-системи для перевірки його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Через постійні дослідження та оптимізацію, ми маємо підстави вірити, що технологія Блокчейн відіграватиме все більш важливу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління Консенсус протоколів забезпечить надійну основу для розвитку цієї технології.