Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso Blockchain

Resumo do Relatório

Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso em Blockchain, com foco na análise dos mais recentes avanços do protocolo de replicação de máquinas de estado tolerantes a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido até agora era o 2-chain VABA, mas devido a vulnerabilidades, seu atraso esperado de 9.5δ não foi alcançado. Assim, o sMVBA tornou-se o protocolo MVBA assíncrono mais rápido atualmente, com um atraso esperado de 10δ. O relatório também apresenta dois novos desenhos de protocolos, nomeadamente 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e Bloco de pipeline super rápido, que mostram melhorias significativas em termos de throughput e latência.

A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo dos sistemas Blockchain, e seu desempenho impacta diretamente a escalabilidade e a segurança da Blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na abordagem de latência de rede e falhas de nós, tornando-se, assim, um foco de pesquisa.

Modelos e definições

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, dos quais f processos podem ser maliciosamente comprometidos. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, com a latência da transmissão de mensagens controlada pelo adversário. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

Blockchain Consenso

O protocolo de consenso da Blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Especificamente, cada nó recebe continuamente novas transações e as empacota em blocos, assegurando através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados em todos os nós honestos. O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:

1. Atividade: Em uma execução infinita, existe uma blockchain de bloco decidido infinito.
2. Consistência: Se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
3. 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

O protocolo de consenso assíncrono mais rápido atualmente era o 2-chain VABA, cuja latência esperada é de 9.5δ. No entanto, estudos descobriram que este protocolo apresenta várias formas de ataque, comprometendo sua consistência e vitalidade. Por exemplo, ataques que exploram a falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de promoção para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência resultantes de uma definição relaxada da autenticação do líder. Apesar de o 2-chain VABA ter introduzido alguns novos mecanismos, como a execução paralela de múltiplas instâncias paralelas, ainda não conseguiu resolver completamente esses problemas.

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

Com base na análise dos protocolos existentes, foi proposto o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Especificamente, inclui duas variantes:

1. 2PAClean：

   • Alcançou mais de 90% de throughput e uma latência esperada de 9.5δ, com complexidade da mensagem O(n²).
   • A eficiência do protocolo foi melhorada ao eliminar interações e custos de cálculo desnecessários.

2. 2PACBIG：

   • É o protocolo de consenso em Blockchain mais rápido, com complexidade de mensagem de O(n³).
   • O tempo de execução único do MVBA sem falhas é de 4δ, o que reduz significativamente a latência.

Super rápido fluxo de Bloco

A pesquisa propôs um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência do bloco em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um planejador justo, o tempo de decisão do bloco em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline. Esse mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falha.

Resultados de Quantificação

Através de análise teórica e testes práticos, a 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior cenário, enquanto no bom cenário (sem falhas e com um escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ e no bom cenário é de 6δ. Assim, a 2PAClean reduziu a latência no pior cenário em 0.5δ, mantendo a mesma latência no bom cenário. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean foi aumentada em 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia, principalmente devido ao novo design que evitou o descarte desnecessário de blocos e sobrecarga de computação.

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

Avaliação de Cálculo

Para verificar o desempenho do novo protocolo, o estudo realizou uma extensa avaliação computacional. Os resultados mostram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentam um desempenho excecional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. Especificamente, o 2PAClean alcança um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG consegue uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.

Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e na melhoria do desempenho. O design do 2PAC e do bloco de pipeline ultrarrápido demonstra a direção do desenvolvimento dos protocolos de consenso em Blockchain no futuro, ou seja, alcançar maior capacidade de processamento e menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso.

Direções futuras de pesquisa

A pesquisa futura pode explorar ainda mais as seguintes direções:

1. Protocolo otimizado: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a troca de mensagens desnecessária e os custos de computação.
2. Análise de segurança: Analisar profundamente a segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo sua confiabilidade em aplicações práticas.
3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando seu desempenho em ambientes de rede reais.

Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain e propõe dois novos designs de protocolo, a saber, 2PAC e Bloco de Pipeline Super Rápido. Os novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria da taxa de transferência e na redução da latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Esses novos protocolos não apenas provaram sua superioridade teoricamente, mas também demonstraram desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso de Blockchain eficientes e seguros.

Através de pesquisas e otimizações constantes, a tecnologia Blockchain tem potencial para desempenhar um papel cada vez mais importante na economia digital do futuro, enquanto a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.