Дослідження протоколу консенсусу Блокчейн: нові досягнення асинхронного BFT

Блокчейн технологія як децентралізована розподілена бухгалтерська технологія має в своїй основі механізм консенсусу. Продуктивність механізму консенсусу безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку блокчейну. Нещодавно асинхронний візантійський відмовостійкий (BFT) механізм консенсусу став об'єктом дослідження через свої переваги у вирішенні проблем мережевих затримок і збоїв вузлів.

Дане дослідження аналізує останні досягнення в розробці протоколів консенсусу Блокчейн, зосереджуючи увагу на прогресі протоколу BFT SMR (асинхронне байєнтінське стійке машинне відтворення). Наразі sMVBA є найшвидшим асинхронним MVBA-протоколом з очікуваною затримкою 10δ. Дослідження також пропонує два нових дизайни протоколів: 2PAC (2-фазний асинхронний консенсус) та надшвидка конвеєрна блок-структура, які демонструють значні покращення у пропускній здатності та затримці.

У асинхронній моделі BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно зламані. Процеси спілкуються через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень неконтрольована. Кожен процес має пару відкритих і закритих ключів, що забезпечують достовірність і цілісність повідомлень.

Метою протоколу консенсусу Блокчейн є досягнення згоди між усіма чесними вузлами щодо стану Блокчейн. Він повинен відповідати основним вимогам, таким як активність, узгодженість та якість P. Проте, поточний найшвидший асинхронний протокол консенсусу 2-chain VABA має кілька потенційних атак, які впливають на його узгодженість та активність.

На основі аналізу існуючих протоколів дослідження пропонує протокол 2PAC, що включає два варіанти: 2PAClean та 2PACBIG. 2PAClean досягає +90% пропускної спроможності та очікуваної затримки 9.5δ, складність повідомлення становить O(n²). 2PACBIG є найшвидшим протоколом консенсусу Блокчейн з поточною складністю повідомлення O(n³), час виконання одноразового MVBA без збоїв становить лише 4δ.

Крім того, дослідження також представило надшвидкий проект блоків з конвеєром, що суттєво зменшує затримку в блоках з конвеєром. У рамках справедливого планувальника, час прийняття рішень для блоків з конвеєром може бути навіть меншим, ніж для блоків без конвеєра.

Через теоретичний аналіз і практичні випробування, очікуване затримка 2PAClean у найгіршому випадку становить 9.5δ, у хорошому випадку — 6δ. У порівнянні, очікуване затримка sMVBA становить 10δ, у хорошому випадку — 6δ. Продуктивність 2PAClean на 80% до 100% вища ніж у ланцюгового sMVBA. Час виконання одноразового MVBA для 2PACBIG становить 4δ, що швидше за існуючі протоколи. Надшвидкий конвеєрний дизайн блоків дозволяє s2PAClean і s2PACBIG досягти часу ухвалення конвеєрного блоку відповідно 4δ і 3δ.

Розрахункові оцінки показують, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінні результати в різних мережевих умовах, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою повідомлень і обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG реалізує нижчу затримку за рахунок паралелізації та оптимізації процесу голосування.

Майбутні напрямки досліджень включають: подальшу оптимізацію структури протоколу, зменшення витрат на передачу повідомлень і обчислення; глибокий аналіз безпеки нового протоколу в різних сценаріях атак; застосування нового протоколу в реальних системах Блокчейн для верифікації його продуктивності в реальному мережевому середовищі.

Ці нові протоколи, спроектовані для ефективних і безпечних механізмів консенсусу Блокчейн, пропонують нові підходи та мають потенціал сприяти більшій ролі технології Блокчейн у майбутній цифровій економіці. З поглибленням досліджень і постійною оптимізацією нове покоління протоколів консенсусу закладе міцний фундамент для розвитку технології Блокчейн.