Novo avanço no BFT assíncrono: o protocolo 2PAC melhora o desempenho do consenso Blockchain.

2025-07-01 12:54:58

Geração de resumo em curso

Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso da blockchain

A tecnologia Blockchain, como uma técnica de livro-razão distribuído descentralizado, tem seu núcleo na mecânica de consenso. A mecânica de consenso afeta diretamente a escalabilidade e segurança do sistema Blockchain. Este artigo irá focar nos últimos desenvolvimentos da mecânica de consenso BFT( de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas, especialmente nas vantagens únicas de lidar com a latência da rede e falhas de alguns nós.

Visão Geral do Modelo BFT Assíncrono

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por 3f+1 processos, onde f processos podem ser comprometidos de forma maliciosa. Os processos comunicam-se através de canais assíncronos, e o atraso na transmissão de mensagens é controlado pelo adversário. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

Requisitos básicos do protocolo de consenso Blockchain

O protocolo de consenso da Blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Os requisitos básicos incluem:

Atividade: existe uma Blockchain decidida de comprimento infinito em execução infinita.
Consistência: se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
Qualidade P: No blockchain já decidido, a proporção de transações inseridas por nós honestos é de pelo menos p.

Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono

Atualmente, o protocolo de consenso assíncrono mais rápido era considerado o 2-chain VABA, com uma latência esperada de 9.5δ. No entanto, estudos descobriram que esse protocolo apresenta várias formas de ataque, que podem comprometer sua consistência e atividade. Esses ataques incluem a exploração de falhas em verificações de autenticação, abuso de estratégias de elevação e relaxamento das definições de autenticação de líderes, entre outros. Apesar da introdução de mecanismos inovadores, como a execução paralela de múltiplas instâncias, ainda não foi possível resolver completamente esses problemas.

Novo design de protocolo: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases)

Baseando-se na análise dos protocolos existentes, os investigadores propuseram o protocolo 2PAC, que melhora significativamente o desempenho através da simplificação e otimização do processo de Consenso. O 2PAC inclui duas variantes:

2PAClean：
- Alcançar +90% de taxa de transferência e 9,5δ de latência esperada
- A complexidade da mensagem é O)n²(
- Aumentar a eficiência eliminando interações e custos computacionais desnecessários
2PACBIG：
- Atualmente, o protocolo de consenso de Blockchain mais rápido sob a complexidade da mensagem O)n³(.
- O tempo de execução único do MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência

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Super rápido Bloco de linha de produção

Os investigadores também propuseram um novo design de Bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um agendador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline pode até ser menor do que o dos blocos não em pipeline. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falha.

Análise dos Resultados da Quantificação

Através de análise teórica e testes práticos, a 2PAClean tem um atraso esperado de 9.5δ no pior caso e de 6δ no bom caso (sem falhas e com um escalonador semi-justo). Em comparação, o atraso esperado do sMVBA é de 10δ, sendo de 6δ no bom caso. A 2PAClean reduziu o atraso no pior caso em 0.5δ, mantendo o mesmo atraso no bom caso. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean melhorou entre 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia.

2PACBIG como um protocolo de complexidade de mensagem O)n³(, tem um tempo de execução MVBA de 4δ, superando a velocidade de todos os protocolos existentes. O design de bloco em pipeline super rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, aumentando ainda mais o desempenho do protocolo.

Cálculo dos resultados da avaliação

Avaliações computacionais extensivas mostram que 2PAClean e 2PACBIG demonstram desempenho excepcional sob várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. 2PAClean alcança um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto 2PACBIG consegue uma latência mais baixa por meio da paralelização e otimização do processo de votação.

Direções futuras de pesquisa

Protocolo otimizado: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a comunicação e o custo de cálculo desnecessários.
Análise de segurança: Analisar em profundidade a segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo a fiabilidade na aplicação prática.
Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando seu desempenho em ambientes de rede reais.

Conclusão

Este estudo analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain, e propõe dois novos designs de protocolo: 2PAC e Bloco de pipeline ultra-rápido. Estes novos designs mostram vantagens significativas na melhoria da taxa de transferência e na redução da latência, oferecendo uma referência importante para o futuro desenvolvimento da tecnologia Blockchain. Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia Blockchain tem potencial para desempenhar um papel ainda mais importante na futura economia digital, enquanto a nova geração de protocolos de consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.

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