Последние достижения и применения протоколов консенсуса блокчейна

Технология блокчейн, как децентрализованная распределенная технология бухгалтерского учета, обеспечивает целостность и согласованность данных с помощью механизма согласия. Механизм согласия является ядром системы блокчейн, и его производительность напрямую влияет на масштабируемость и безопасность блокчейна. Асинхронный алгоритм Бэйзентийской устойчивости (BFT) имеет уникальные преимущества в условиях сетевых задержек и частичного выхода узлов из строя, что делает его объектом активных исследований.

Данный отчет исследует текущее состояние развития протоколов согласия в блокчейне, с особым акцентом на последние достижения протокола асинхронного византийского устойчивого состояния машины (BFT SMR). В настоящее время самым быстрым асинхронным протоколом является 2-chain VABA, однако из-за наличия уязвимостей его ожидаемая задержка в 9.5δ не была достигнута. Поэтому sMVBA стал самым быстрым асинхронным MVBA-протоколом, с ожидаемой задержкой в 10δ. В отчете также предложены две новые конструкции протоколов, а именно 2PAC (асинхронный консенсус с двумя этапами) и сверхбыстрая конвейерная блокировка, демонстрирующие значительные улучшения в пропускной способности и задержке.

Модели и определения

В модели асинхронного BFT система состоит из n = 3f + 1 процессов, где f процессов могут быть злонамеренно нарушены противником. Эти процессы общаются друг с другом через асинхронные каналы, задержка передачи сообщений контролируется противником. Каждый процесс имеет пару открытого и закрытого ключей для подписи и верификации, что обеспечивает подлинность и целостность сообщений.

Консенсус в блокчейне

Протоколы консенсуса в блокчейне предназначены для достижения согласия между всеми честными узлами относительно состояния блокчейна. Конкретно, каждый узел постоянно получает новые транзакции и упаковывает их в блоки, обеспечивая согласие этих блоков на всех честных узлах с помощью протокола консенсуса. Протоколы консенсуса в блокчейне должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• Активность (Liveness): в бесконечном исполнении существует бесконечно длинная решенная блокчейн.
• Согласованность (Consistency): если существует две окончательно определенные блокчейны, то одна из них должна быть префиксом другой.
• P-качество (P-Quality): в уже определенной блокчейне доля транзакций, вводимых честными узлами, составляет не менее p.

Проблемы текущего асинхронного соглашения

Текущий наиболее быстрый асинхронный протокол согласования — это 2-chain VABA, ожидаемая задержка которого составляет 9,5δ. Однако исследования показали, что у этого протокола есть несколько способов атак, которые подрывают его согласованность и активность. Например, атаки, связанные с отсутствием проверки подлинности, атаки, использующие стратегии повышения для препятствования активности, а также атаки согласованности, возникающие из-за ослабления определения проверки подлинности лидера. Несмотря на то, что 2-chain VABA вводит некоторые новые механизмы, такие как параллельная работа нескольких экземпляров, он все еще не смог полностью решить эти проблемы.

Новый дизайн протокола: 2PAC (двухфазный асинхронный консенсус)

На основе анализа существующих протоколов исследователи предложили протокол 2PAC. Этот протокол значительно улучшает производительность за счет упрощения и оптимизации процесса консенсуса. В частности, он включает два варианта:

2PAКаlean:

• Достигнуто +90% пропускной способности и ожидаемая задержка в 9.5δ, сложность сообщений составляет O(n²).
• Повышена эффективность протокола за счет устранения ненужных взаимодействий и вычислительных затрат.

2PACBIG:

• Это самый быстрый протокол консенсуса блокчейна с текущей сложностью сообщения O(n³).
• Безотказное время работы одного MVBA составляет 4δ, что значительно снижает задержку.

Супербыстрая конвейерная блокчейн-система

Исследователи предложили новый дизайн конвейерного блока, который значительно уменьшает задержку конвейерного блока. Благодаря введению механизма быстрого пути, время принятия решений для конвейерных блоков даже меньше, чем для неконвейерных блоков, при справедливом планировщике. Этот механизм гарантирует задержку быстрого пути во всех исполнениях и не зависит от поведения неисправных процессов.

Результаты квантификации

По теоретическому анализу и практическим тестированием, ожидаемая задержка 2PAClean в худшем случае составляет 9.5δ, а в хорошем случае (без сбоев и полуправильный планировщик) — 6δ. В сравнении, ожидаемая задержка sMVBA составляет 10δ, а в хорошем случае — 6δ. Таким образом, 2PAClean снизил задержку в худшем случае на 0.5δ при сохранении той же задержки в хорошем случае. Кроме того, пропускная способность 2PAClean увеличилась на 80% до 100% по сравнению с цепочным sMVBA, что в основном связано с тем, что в новом дизайне были устранены ненужные отказы блоков и вычислительные затраты.

Протокол 2PACBIG с комплексностью сообщений O(n³) имеет время выполнения одного MVBA равное 4δ, что быстрее, чем у всех существующих протоколов. Кроме того, сверхбыстрый конвейерный дизайн блоков позволил s2PAClean и s2PACBIG достичь времени принятия решений конвейерных блоков в 4δ и 3δ соответственно, что дополнительно улучшает производительность протокола.

Оценка расчетов

Для проверки производительности нового протокола исследователи провели обширные вычислительные оценки. Результаты показали, что 2PAClean и 2PACBIG демонстрируют выдающуюся производительность в различных сетевых условиях, особенно в средах с высокой задержкой и высокой частотой сбоев. В частности, 2PAClean достиг良ого баланса между задержкой передачи сообщений и вычислительной сложностью, в то время как 2PACBIG обеспечил более низкую задержку за счёт параллелизации и оптимизации процесса голосования.

С развитием технологий блокчейн, асинхронный BFT консенсусный протокол будет играть все более важную роль в обеспечении безопасности и повышении производительности. Дизайн 2PAC и сверхбыстрой конвейерной блокировки демонстрирует направление развития будущих консенсусных протоколов блокчейн, а именно, упрощая структуру протокола и оптимизируя процесс консенсуса, достигая более высокой пропускной способности и меньшей задержки.

Направления будущих исследований

Будущие исследования могут дополнительно исследовать следующие направления:

1. Оптимизация протокола: дальнейшее упрощение и оптимизация структуры протокола, снижение ненужной передачи сообщений и вычислительных затрат.

2. Анализ безопасности: углубленный анализ безопасности нового протокола в различных сценариях атак, чтобы обеспечить его надежность в реальных приложениях.

3. Практическое применение: применение нового протокола в реальных системах блокчейна для проверки его производительности в реальных сетевых условиях.

Данный отчет детально анализирует преимущества и недостатки текущих асинхронных блокчейн-протоколов согласия и предлагает два новых проектирования протоколов, а именно 2PAC и сверхбыструю конвейерную блокировку. Новые разработки демонстрируют значительные преимущества в увеличении пропускной способности и снижении задержки, предоставляя важные ссылки для будущего развития блокчейн-технологий. Эти новые протоколы не только теоретически доказали свое превосходство, но и продемонстрировали выдающиеся характеристики в ходе практических испытаний, предлагая новые идеи для достижения эффективных и безопасных протоколов согласия в блокчейне.

Благодаря постоянным исследованиям и оптимизации, технологии блокчейн будут играть все более важную роль в цифровой экономике будущего, а новое поколение протоколов согласия обеспечит надежную основу для развития этой технологии.