Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain

Teknologi blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, dan kinerjanya secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menangani latensi jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.

Laporan ini membahas keadaan perkembangan protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status toleran kesalahan Byzantium asinkron (BFT SMR). Protokol asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, tetapi karena adanya celah, ekspektasi keterlambatan 9.5δ tidak dapat tercapai. Oleh karena itu, sMVBA menjadi protokol MVBA asinkron tercepat saat ini, dengan ekspektasi keterlambatan 10δ. Laporan ini juga mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron dua fase) dan blok pipelining super cepat, yang menunjukkan peningkatan signifikan dalam hal throughput dan keterlambatan.

Model dan Definisi

Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses dapat dirusak secara jahat oleh lawan. Proses-proses ini saling berkomunikasi melalui saluran asinkron, di mana penundaan pengiriman pesan dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Konsensus Blockchain

Protokol konsensus blockchain bertujuan untuk memastikan bahwa semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Secara khusus, setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi blok, menggunakan protokol konsensus untuk memastikan bahwa blok-blok ini mencapai kesepakatan di semua node yang jujur. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi beberapa persyaratan dasar berikut:

• Keterlibatan (Liveness): Dalam eksekusi tak terbatas, terdapat sebuah blockchain yang telah ditentukan dengan panjang tak terbatas.
• Konsistensi (Consistency): Jika ada dua blockchain yang telah ditentukan, salah satunya harus menjadi prefiks dari yang lain.
• P-Quality (Kualitas P): Dalam blockchain yang telah ditentukan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur harus setidaknya p.

Tantangan Protokol Konsensus Asinkron Saat Ini

Protokol konsensus asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, dengan latensi yang diperkirakan sebesar 9.5δ. Namun, penelitian menunjukkan bahwa protokol ini rentan terhadap berbagai cara serangan, yang merusak konsistensi dan aktivasi. Misalnya, serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan otentikasi, serangan yang menghalangi aktivasi dengan memanfaatkan strategi peningkatan, serta serangan konsistensi akibat pelonggaran definisi otentikasi pemimpin. Meskipun 2-chain VABA memperkenalkan beberapa mekanisme baru, seperti menjalankan beberapa instans paralel secara bersamaan, masalah-masalah ini masih belum sepenuhnya teratasi.

Desain Protokol Baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2)

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, para peneliti mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Secara spesifik, termasuk dua varian:

2PAClean：

• Mencapai +90% throughput dan 9.5δ latensi yang diharapkan, kompleksitas pesan adalah O(n²).
• Meningkatkan efisiensi protokol dengan menghilangkan interaksi dan biaya perhitungan yang tidak perlu.

2PACBIG：

• Merupakan protokol konsensus blockchain tercepat dengan kompleksitas pesan O(n³).
• Waktu operasi MVBA tunggal tanpa kesalahan adalah 4δ, yang secara signifikan mengurangi latensi.

Jalur Blok Super Cepat

Para peneliti telah mengusulkan desain blok aliran baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok aliran. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, dalam penjadwalan yang adil, waktu keputusan blok aliran bahkan lebih kecil dibandingkan blok non-aliran. Mekanisme ini dapat menjamin latensi jalur cepat di semua eksekusi dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.

Hasil Kuantitatif

Melalui analisis teoritis dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki perkiraan keterlambatan 9.5δ dalam kasus terburuk, sementara dalam kasus baik (tanpa kesalahan dan penjadwal setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, perkiraan keterlambatan sMVBA adalah 10δ, dan dalam kasus baik adalah 6δ. Oleh karena itu, 2PAClean mengurangi keterlambatan kasus terburuk sebesar 0.5δ sambil mempertahankan keterlambatan dalam kasus baik yang sama. Selain itu, throughput 2PAClean meningkat 80% hingga 100% dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai, yang terutama disebabkan oleh desain baru yang menghindari pembuangan blok yang tidak perlu dan beban komputasi.

2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), memiliki waktu operasi MVBA tunggal sebesar 4δ, lebih cepat dibandingkan semua protokol yang ada saat ini. Selain itu, desain blok pipeline super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG masing-masing mencapai waktu keputusan blok pipeline sebesar 4δ dan 3δ, lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.

Evaluasi Perhitungan

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, para peneliti melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasilnya menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang luar biasa di berbagai kondisi jaringan, terutama dalam lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kegagalan yang tinggi. Secara khusus, 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan pengoptimalan proses pemungutan suara.

Seiring dengan perkembangan teknologi blockchain yang terus berlanjut, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam menjamin keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan blok pipeline super cepat menunjukkan arah pengembangan protokol konsensus blockchain di masa depan, yaitu dengan menyederhanakan struktur protokol dan mengoptimalkan proses konsensus, untuk mencapai throughput yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah.

Arah Penelitian Masa Depan

Penelitian di masa depan dapat mengeksplorasi beberapa arah berikut:

1. Optimalisasi Protokol: Lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan yang tidak perlu dan beban perhitungan.

2. Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan untuk memastikan keandalannya dalam aplikasi nyata.

3. Aplikasi nyata: Menerapkan protokol baru dalam sistem blockchain yang nyata, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.

Laporan ini menganalisis secara rinci kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, serta mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan blok pipeline super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk pengembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teoritis, tetapi juga menunjukkan kinerja luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan ide baru untuk mencapai protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.

Melalui penelitian dan optimasi yang terus menerus, teknologi blockchain akan memainkan peran yang semakin penting dalam ekonomi digital di masa depan, dan generasi baru protokol konsensus akan memberikan dasar yang kuat untuk perkembangan teknologi ini.