Derniers progrès et applications des protocoles de consensus blockchain

La technologie blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à des mécanismes de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur des systèmes blockchain, et ses performances influencent directement l'évolutivité et la sécurité de la blockchain. Le mécanisme de consensus de tolérance aux pannes de Byzantine asynchrone (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux délais réseau et aux défaillances de certains nœuds, ce qui en fait un sujet de recherche clé.

Ce rapport explore l'état actuel du développement des protocoles de consensus blockchain, en analysant particulièrement les derniers progrès du protocole de Réplication d'État Tolérant aux Défaillances Byzantines Asynchrone (BFT SMR). Le protocole asynchrone le plus rapide à l'heure actuelle est le 2-chain VABA, mais en raison de ses vulnérabilités, son délai de prévision de 9,5δ n'a pas pu être atteint. Par conséquent, le sMVBA est devenu le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un délai de prévision de 10δ. Le rapport propose également deux nouveaux designs de protocoles, à savoir 2PAC (Consensus Asynchrone en 2 Étapes) et des blocs en pipeline ultra-rapides, montrant des améliorations significatives en termes de débit et de délai.

Modèles et définitions

Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être malicieusement compromis par un adversaire. Ces processus communiquent entre eux via des canaux asynchrones, le délai de transmission des messages étant contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.

Consensus Blockchain

Le protocole de consensus de la blockchain vise à faire en sorte que tous les nœuds honnêtes parviennent à un accord sur l'état de la blockchain. Plus précisément, chaque nœud reçoit en continu de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en garantissant, grâce au protocole de consensus, que ces blocs soient agréés par tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus de la blockchain doit répondre aux exigences de base suivantes :

• Liveness : Dans une exécution infinie, il existe une blockchain décidée d'une longueur infinie.
• Cohérence (Consistency) : S'il existe deux chaînes de blocs décidées, l'une d'elles doit être le préfixe de l'autre.
• P qualité (P-Quality) : Dans une blockchain décidée, la proportion de transactions saisies par des nœuds honnêtes doit être d'au moins p.

Les défis des protocoles de consensus asynchrone actuels

Le protocole de consensus asynchrone le plus rapide actuellement est le 2-chain VABA, dont le délai prévu est de 9,5δ. Cependant, des recherches ont révélé que ce protocole présente plusieurs types d'attaques qui compromettent sa cohérence et sa vitalité. Par exemple, des attaques dues à un manque de vérification de l'authentification, des attaques qui entravent la vitalité en utilisant des stratégies d'amélioration, et des attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que le 2-chain VABA ait introduit certains nouveaux mécanismes, tels que l'exécution parallèle de multiples instances parallèles, il n'a toujours pas réussi à résoudre complètement ces problèmes.

Nouvelle conception de protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)

Sur la base de l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de consensus. Il comprend deux variantes spécifiques :

2PAClean :

• A réalisé une capacité de +90 % et un délai prévisible de 9,5δ, avec une complexité de message de O(n²).
• L'efficacité du protocole a été améliorée en éliminant les interactions et les coûts de calcul inutiles.

2PACBIG：

• C'est le protocole de consensus blockchain le plus rapide avec une complexité de message actuelle de O(n³).
• Le temps d'exécution unique de MVBA sans défaillance est de 4δ, réduisant considérablement la latence.

Ligne de chaîne de blocs ultra-rapide

Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline qui réduit considérablement le délai des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, sous un planificateur équitable, le temps de décision des blocs en pipeline est même plus court que celui des blocs non en pipeline. Ce mécanisme garantit le délai du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus défaillants.

Résultats de la quantification

Grâce à une analyse théorique et à des tests pratiques, le délai d'attente prévu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-équitable), il est de 6δ. En comparaison, le délai d'attente prévu de sMVBA est de 10δ, et dans le meilleur des cas, il est de 6δ. Ainsi, 2PAClean réduit le délai d'attente du pire des cas de 0,5δ tout en maintenant le même délai d'attente dans le meilleur des cas. De plus, le débit de 2PAClean a augmenté de 80 % à 100 % par rapport à la sMVBA en chaîne, principalement en raison de l'évitement dans la nouvelle conception des abandons de blocs inutiles et des frais de calcul.

2PACBIG, en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. De plus, la conception de blocs en pipeline ultra-rapide permet à s2PAClean et s2PACBIG d'atteindre respectivement des temps de décision de blocs en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant encore les performances du protocole.

Évaluation des calculs

Pour évaluer les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont effectué une large évaluation computationnelle. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à taux de défaillance élevé. Plus précisément, 2PAClean atteint un bon équilibre entre la latence de messagerie et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG réalise une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.

Avec le développement constant de la technologie blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration des performances. La conception de 2PAC et des blocs de pipeline ultra-rapides démontre la direction future du développement des protocoles de consensus blockchain, à savoir réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.

Directions de recherche futures

Les recherches futures peuvent explorer plusieurs directions suivantes :

1. Optimisation du protocole : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les échanges de messages et les coûts de calcul inutiles.

2. Analyse de la sécurité : analyse approfondie de la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin de garantir sa fiabilité dans les applications pratiques.

3. Application réelle : Appliquer le nouveau protocole dans un système blockchain réel pour vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.

Ce rapport analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus blockchain asynchrones actuels, et propose deux nouvelles conceptions de protocoles, à savoir 2PAC et le bloc de pipeline ultra-rapide. Les nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en termes d'augmentation du débit et de réduction de la latence, fournissant des références importantes pour le développement futur des technologies blockchain. Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité sur le plan théorique, mais ont également démontré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles perspectives pour la réalisation de protocoles de consensus blockchain efficaces et sécurisés.

Grâce à des recherches et à des optimisations continues, la technologie blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique future, tandis que la nouvelle génération de protocoles de consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.