Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Блокчейн технологія, як децентралізована розподілена бухгалтерська технологія, має в своїй основі механізм консенсусу. Механізм консенсусу безпосередньо впливає на масштабованість та безпеку системи блокчейн. У цій статті буде детально розглянуто останні розробки механізму консенсусу асинхронної візантійської стійкості (BFT), особливо його унікальні переваги в умовах затримки мережі та часткових відмов вузлів.

Огляд асинхронної BFT моделі

У моделі асинхронного BFT система складається з 3f+1 процесів, з яких f процесів можуть бути зловмисно зламані. Процеси спілкуються через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару публічного та приватного ключів для підпису та перевірки, що забезпечує автентичність та цілісність повідомлень.

Основні вимоги до протоколу консенсусу блокчейн

Протокол консенсусу Блокчейн має на меті забезпечити досягнення згоди між усіма чесними вузлами щодо стану Блокчейн. Його основні вимоги включають:

1. Активність: в умовах безмежного виконання існує безмежно довгий вже визначений Блокчейн.
2. Узгодженість: якщо існує два визначених Блокчейн, одна з яких повинна бути префіксом іншої.
3. P-якість: у вже визначеному Блокчейн, частка транзакцій, введених чесними вузлами, становить принаймні p.

Виклики поточного асинхронного протоколу консенсусу

Наразі найшвидший асинхронний протокол консенсусу вважався 2-chain VABA, очікувана затримка становить 9.5δ. Однак дослідження виявило, що цей протокол має кілька вразливостей, які можуть підірвати його узгодженість та активність. Ці атаки включають використання недоліків перевірки автентифікації, зловживання підвищувальними стратегіями та послаблення визначення автентифікації лідера тощо. Незважаючи на впровадження таких інноваційних механізмів, як паралельне виконання кількох паралельних екземплярів, ці проблеми все ще не були повністю вирішені.

Новий дизайн протоколу: 2PAC (2-етапний асинхронний консенсус)

На основі аналізу існуючих протоколів, дослідники запропонували протокол 2PAC, який суттєво підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. 2PAC включає два різновиди:

1. 2PAClean:

   • досягнення +90% пропускної спроможності та очікуваної затримки 9.5δ
   • Складність повідомлення дорівнює O(n²)
   • Підвищення ефективності шляхом усунення непотрібних взаємодій та обчислювальних витрат
2. 2. ПАКБІГ:
   • Наразі найшвидший протокол консенсусу Блокчейн за складності повідомлення O(n³)
   • Безвідмовний одноразовий час роботи MVBA становить 4δ, що суттєво знижує затримку

Супер швидкий конвеєр Блок

Дослідники також запропонували новий дизайн конвеєрних блоків, що суттєво зменшує затримку конвеєрних блоків. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, під справедливим планувальником, час ухвалення рішень для конвеєрних блоків навіть може бути меншим, ніж для непотокових блоків. Цей механізм забезпечує затримку швидкого шляху у всіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Аналіз результатів кількісного трейдингу

Згідно з теоретичним аналізом і практичними випробуваннями, очікувана затримка 2PAClean у найгіршому випадку становить 9.5δ, у хорошому випадку (без збоїв і напівсправедливий планувальник) — 6δ. Для порівняння, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, а в хорошому випадку — 6δ. 2PAClean зменшує затримку у найгіршому випадку на 0.5δ при збереженні такої ж затримки у хорошому випадку. Крім того, пропускна здатність 2PAClean вища на 80% до 100% порівняно з ланцюговим sMVBA.

2PACBIG як протокол складності повідомлень O(n³) має час виконання одноразового MVBA 4δ, швидкість перевищує всі існуючі протоколи. Надшвидкий конвеєрний дизайн блоків дозволяє s2PAClean та s2PACBIG досягти часу прийняття рішень конвеєра блоків 4δ та 3δ відповідно, що додатково підвищує продуктивність протоколу.

Розрахунок оцінки результатів

Широкі обчислювальні оцінки показують, що 2PAClean та 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність за різних мережевих умов, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою повідомлень та обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG забезпечує нижчу затримку завдяки паралелізації та оптимізації процесу голосування.

Майбутні напрямки досліджень

1. оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібних повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: глибокий аналіз нового протоколу в умовах різних атак, щоб забезпечити надійність у реальному застосуванні.
3. Фактичне застосування: застосування нового протоколу у фактичних Блокчейн системах, перевірка його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Висновок

Дане дослідження детально аналізує переваги та недоліки сучасних асинхронних Блокчейн-протоколів консенсусу та пропонує два нових дизайни протоколу: 2PAC і надшвидку конвеєрну Блок. Ці нові розробки демонструють значні переваги в підвищенні пропускної спроможності та зменшенні затримок, надаючи важливі рекомендації для майбутнього розвитку технології Блокчейн. Завдяки постійному дослідженню та оптимізації технологія Блокчейн має шанси відігравати ще більш важливу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління протоколів консенсусу стане надійною основою для розвитку цієї технології.