Những tiến triển mới nhất và ứng dụng của giao thức đồng thuận blockchain

Công nghệ blockchain như một loại công nghệ sổ cái phân tán phi tập trung, đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu thông qua cơ chế đồng thuận. Cơ chế đồng thuận là cốt lõi của hệ thống blockchain, hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mở rộng và tính bảo mật của blockchain. Cơ chế đồng thuận bất đồng bộ Byzantine Fault Tolerance (BFT) có những lợi thế độc đáo trong việc đối phó với độ trễ mạng và sự cố của một số nút, do đó trở thành trọng tâm nghiên cứu.

Báo cáo này khám phá tình hình phát triển của các giao thức đồng thuận blockchain, tập trung phân tích những tiến bộ mới nhất của giao thức sao chép trạng thái Byzantine Fault Tolerant (BFT SMR) không đồng bộ. Giao thức không đồng bộ nhanh nhất hiện nay là 2-chain VABA, nhưng do tồn tại lỗ hổng, nên độ trễ mong đợi 9.5δ của nó không được thực hiện. Do đó, sMVBA trở thành giao thức MVBA không đồng bộ nhanh nhất hiện nay, với độ trễ mong đợi là 10δ. Báo cáo cũng đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC (đồng thuận không đồng bộ 2 giai đoạn) và khối siêu nhanh theo kiểu pipeline, thể hiện sự cải thiện đáng kể về thông lượng và độ trễ.

Mô hình và định nghĩa

Trong mô hình BFT bất đồng bộ, hệ thống bao gồm n = 3f + 1 tiến trình, trong đó f tiến trình có thể bị đối thủ phá hoại một cách ác ý. Các tiến trình này giao tiếp với nhau qua các kênh bất đồng bộ, độ trễ của việc truyền tin do đối thủ kiểm soát. Mỗi tiến trình có một cặp khóa công khai và riêng tư để ký và xác thực, đảm bảo tính xác thực và toàn vẹn của tin nhắn.

Sự đồng thuận trong blockchain

Giao thức đồng thuận blockchain nhằm mục đích giúp tất cả các nút trung thực đạt được sự đồng thuận về trạng thái của blockchain. Cụ thể, mỗi nút liên tục nhận các giao dịch mới và đóng gói chúng thành các khối, thông qua giao thức đồng thuận để đảm bảo rằng các khối này đạt được sự đồng thuận trên tất cả các nút trung thực. Giao thức đồng thuận blockchain cần phải đáp ứng một số yêu cầu cơ bản sau:

• Tính sống động (Liveness): Trong quá trình thực thi vô hạn, tồn tại một chuỗi khối đã được quyết định với độ dài vô hạn.
• Tính nhất quán (Consistency): Nếu có hai chuỗi khối đã được xác định, thì một trong số chúng phải là tiền tố của chuỗi còn lại.
• P chất lượng (P-Quality): Trong blockchain đã được quyết định, tỷ lệ giao dịch do các nút trung thực nhập vào phải ít nhất là p.

Thách thức của giao thức đồng thuận bất đồng bộ hiện tại

Giao thức đồng thuận bất đồng bộ nhanh nhất hiện tại là 2-chain VABA, với độ trễ dự kiến là 9.5δ. Tuy nhiên, nghiên cứu đã phát hiện ra rằng giao thức này tồn tại nhiều phương thức tấn công, làm hỏng tính nhất quán và tính khả thi của nó. Ví dụ, các cuộc tấn công do thiếu kiểm tra xác thực, các cuộc tấn công cản trở tính khả thi bằng cách sử dụng chiến lược nâng cao, và các cuộc tấn công tính nhất quán do nới lỏng định nghĩa xác thực lãnh đạo. Mặc dù 2-chain VABA đã giới thiệu một số cơ chế mới, như việc chạy song song nhiều phiên bản song song, nhưng vẫn chưa thể hoàn toàn giải quyết những vấn đề này.

Thiết kế giao thức mới: 2PAC (Đồng thuận không đồng bộ 2 giai đoạn)

Dựa trên phân tích các giao thức hiện có, các nhà nghiên cứu đã đề xuất giao thức 2PAC. Giao thức này thông qua việc đơn giản hóa và tối ưu hóa quá trình đồng thuận, đã cải thiện đáng kể hiệu suất. Cụ thể bao gồm hai biến thể:

2PAClean：

• Đã đạt được +90% thông lượng và độ trễ dự kiến 9.5δ, độ phức tạp tin nhắn là O(n²).
• Nâng cao hiệu quả của giao thức bằng cách loại bỏ các tương tác và chi phí tính toán không cần thiết.

2PACBIG：

• Là giao thức đồng thuận blockchain nhanh nhất hiện nay với độ phức tạp thông báo là O(n³).
• Thời gian chạy MVBA một lần không có lỗi là 4δ, giảm đáng kể độ trễ.

Dòng chảy siêu nhanh

Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế khối ống mới, giảm đáng kể độ trễ của khối ống. Bằng cách đưa vào cơ chế đường đi nhanh, dưới bộ lập lịch công bằng, thời gian quyết định của khối ống thậm chí còn nhỏ hơn cả khối không ống. Cơ chế này đảm bảo độ trễ của đường đi nhanh trong tất cả các lần thực thi và không bị ảnh hưởng bởi hành vi của các tiến trình gặp sự cố.

Kết quả định lượng

Thông qua phân tích lý thuyết và thử nghiệm thực tế, độ trễ kỳ vọng trong trường hợp tệ nhất của 2PAClean là 9.5δ, trong khi trong trường hợp tốt (không có lỗi và bộ lập lịch nửa công bằng) là 6δ. So với đó, độ trễ kỳ vọng của sMVBA là 10δ, trong trường hợp tốt là 6δ. Do đó, 2PAClean đã giảm độ trễ trong trường hợp tệ nhất xuống 0.5δ trong khi duy trì độ trễ trong trường hợp tốt tương đương. Hơn nữa, thông lượng của 2PAClean đã tăng từ 80% đến 100% so với sMVBA chuỗi, chủ yếu là do thiết kế mới đã tránh được việc bỏ khối không cần thiết và chi phí tính toán.

2PACBIG với độ phức tạp thông điệp là O(n³), thời gian thực hiện MVBA một lần là 4δ, nhanh hơn so với tất cả các giao thức hiện có. Ngoài ra, thiết kế khối siêu nhanh đã giúp s2PAClean và s2PACBIG đạt được thời gian quyết định khối lần lượt là 4δ và 3δ, nâng cao hiệu suất của giao thức.

Đánh giá tính toán

Để xác minh hiệu suất của giao thức mới, các nhà nghiên cứu đã thực hiện đánh giá tính toán rộng rãi. Kết quả cho thấy, 2PAClean và 2PACBIG đều thể hiện hiệu suất xuất sắc trong nhiều điều kiện mạng khác nhau, đặc biệt là trong môi trường có độ trễ cao và tỷ lệ lỗi cao. Cụ thể, 2PAClean đã đạt được sự cân bằng tốt giữa độ trễ trong việc truyền tin và độ phức tạp tính toán, trong khi 2PACBIG đã đạt được độ trễ thấp hơn thông qua việc song song hóa và tối ưu hóa quá trình bỏ phiếu.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ blockchain, giao thức đồng thuận BFT bất đồng bộ sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu suất. Thiết kế 2PAC và khối dòng siêu nhanh cho thấy hướng phát triển của các giao thức đồng thuận blockchain trong tương lai, tức là thông qua việc đơn giản hóa cấu trúc giao thức và tối ưu hóa quá trình đồng thuận, đạt được thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn.

Hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể khám phá thêm một số hướng sau:

1. Tối ưu hóa giao thức: Đơn giản hóa và tối ưu hóa cấu trúc giao thức hơn nữa, giảm thiểu việc truyền tải thông điệp không cần thiết và chi phí tính toán.

2. Phân tích an toàn: Phân tích sâu về tính an toàn của giao thức mới trong các tình huống tấn công khác nhau, đảm bảo tính đáng tin cậy của nó trong ứng dụng thực tế.

3. Ứng dụng thực tế: Áp dụng giao thức mới vào các hệ thống blockchain thực tế, xác minh hiệu suất của nó trong môi trường mạng thực.

Báo cáo này phân tích chi tiết những ưu và nhược điểm của các giao thức đồng thuận blockchain bất đồng bộ hiện tại, và đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC và chuỗi khối siêu nhanh. Các thiết kế mới thể hiện những lợi thế đáng kể trong việc cải thiện thông lượng và giảm độ trễ, cung cấp tham khảo quan trọng cho sự phát triển công nghệ blockchain trong tương lai. Những giao thức mới này không chỉ chứng minh sự vượt trội của chúng về lý thuyết, mà còn thể hiện hiệu suất xuất sắc trong các thử nghiệm thực tế, mang đến những ý tưởng mới cho việc đạt được giao thức đồng thuận blockchain hiệu quả và an toàn.

Thông qua việc nghiên cứu và tối ưu hóa liên tục, công nghệ blockchain sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nền kinh tế số trong tương lai, trong khi các giao thức đồng thuận thế hệ mới sẽ cung cấp nền tảng vững chắc cho sự phát triển của công nghệ này.