ブロックチェーンコンセンサスプロトコル研究：非同期BFTの新たな進展

ブロックチェーン技術は、非中央集権型の分散型台帳技術として、その核心はコンセンサス機構にあります。コンセンサス機構の性能は、ブロックチェーンのスケーラビリティとセキュリティに直接影響します。最近、非同期ビザンチン耐障害性（BFT）コンセンサス機構は、ネットワークの遅延やノードの障害に対処する上での利点から、研究のホットスポットとなっています。

本研究は、ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルの最新の進展を探求し、非同期ビザンチン耐障害状態機械複製（BFT SMR）プロトコルの進展を重点的に分析しました。現在、sMVBAは最も迅速な非同期MVBAプロトコルであり、予想遅延は10δです。研究では、2つの新しいプロトコル設計、2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックも提案されており、これらの新しい設計はスループットと遅延の点で顕著な改善を示しています。

! 業界調査レポート:ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進歩と応用

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1個のプロセスで構成されており、そのうちf個のプロセスが悪意を持って破壊される可能性があります。プロセス間は非同期チャネルを介して通信し、メッセージの伝達遅延は制御できません。各プロセスはメッセージの真実性と完全性を保証するために公開鍵と秘密鍵のペアを持っています。

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの目標は、すべての誠実なノードがブロックチェーンの状態で合意に達することです。それは、活性、一貫性、およびP品質などの基本的な要求を満たす必要があります。しかし、現在最も速い非同期コンセンサスプロトコルである2-chain VABAには、一貫性と活性に影響を与えるさまざまな潜在的攻撃が存在します。

既存のプロトコルに基づく分析により、2PACプロトコルが提案され、2PACleanと2PACBIGの2つのバリエーションが含まれています。2PACleanは+90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑さはO(n²)です。2PACBIGは現在のメッセージの複雑さがO(n³)の最速のブロックチェーンコンセンサスプロトコルであり、故障なしの単回MVBA実行時間はわずか4δです。

さらに、研究は超高速パイプラインブロック設計を提案し、パイプラインブロックの遅延を大幅に削減しました。公平スケジューラーの下では、パイプラインブロックの意思決定時間は非パイプラインブロックよりも短くなる可能性があります。

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanの最悪の場合の期待遅延は9.5δであり、良好な場合は6δです。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δであり、良好な場合は6δです。2PACleanのスループットは、チェーン型sMVBAと比べて80%から100%向上しています。2PACBIGの単回MVBA実行時間は4δであり、既存のプロトコルよりも速くなっています。超高速パイプラインブロック設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのパイプラインブロック決定時間を実現しました。

計算評価は、2PACleanと2PACBIGがさまざまなネットワーク条件下で優れたパフォーマンスを示すことを示しており、特に高遅延と高故障率の環境で顕著です。2PACleanはメッセージ伝達の遅延と計算の複雑さの間で良好なバランスを達成し、2PACBIGは並列化と投票プロセスの最適化により、より低い遅延を実現しています。

! 業界調査レポート:ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進歩と応用

今後の研究方向には、プロトコルの構造のさらなる最適化、メッセージ伝達と計算のオーバーヘッドの削減；さまざまな攻撃シナリオにおける新しいプロトコルのセキュリティの詳細な分析；新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、実際のネットワーク環境での性能を検証することが含まれます。

これらの新しいプロトコルは、高効率で安全なブロックチェーンコンセンサス機構の新しいアプローチを提供し、将来のデジタル経済におけるブロックチェーン技術の重要な役割を促進することが期待されています。研究が進むにつれて、最適化が継続されることで、新世代のコンセンサスプロトコルがブロックチェーン技術の発展にしっかりとした基盤を築くでしょう。