Quelle: Matthieu Rambaud, Télécom Paris

Angepasster Autor: Anonymous, Bijie.com

Zusammenfassung des Berichts

Dieser Bericht untersucht den Entwicklungsstand von Blockchain-Konsensprotokollen und konzentriert sich dabei auf die neuesten Fortschritte des asynchronen Byzantine Fault Tolerant State Machine Replication (BFT SMR)-Protokolls. Das derzeit schnellste asynchrone Protokoll ist 2-Chain-VABA, aber aufgrund seiner Lücken wurde die erwartete Latenz von 9,5δ nicht erreicht. Dadurch wird sMVBA zum derzeit schnellsten asynchronen MVBA-Protokoll mit einer erwarteten Latenz von 10δ. Der Bericht schlägt außerdem zwei neue Protokolldesigns vor, nämlich 2PAC (2-Phase Asynchronous Consensus) und ultraschnelle Pipeline-Blöcke, die erhebliche Verbesserungen bei Durchsatz und Latenz zeigen.

Als dezentrale Distributed-Ledger-Technologie gewährleistet die Blockchain-Technologie die Integrität und Konsistenz von Daten durch einen Konsensmechanismus. Der Konsensmechanismus ist der Kern des Blockchain-Systems und seine Leistung wirkt sich direkt auf die Skalierbarkeit und Sicherheit der Blockchain aus. Der asynchrone Konsensmechanismus der Byzantine Fault Tolerance (BFT) bietet einzigartige Vorteile im Umgang mit Netzwerkverzögerungen und teilweisen Knotenausfällen und ist daher in den Mittelpunkt der Forschung gerückt.

Modelle und Definitionen

Im asynchronen BFT-Modell besteht das System aus n = 3f + 1 Prozessen, von denen f Prozesse vom Gegner böswillig beschädigt werden können. Diese Prozesse kommunizieren über asynchrone Kanäle miteinander, wobei die Verzögerungen bei der Nachrichtenzustellung vom Gegner kontrolliert werden. Jeder Prozess verfügt über ein Paar öffentlicher und privater Schlüssel zur Signatur und Überprüfung, um die Authentizität und Integrität der Nachricht sicherzustellen.

Blockchain-Konsens

Das Blockchain-Konsensprotokoll zielt darauf ab, dass alle ehrlichen Knoten sich über den Zustand der Blockchain einigen. Konkret empfängt jeder Knoten kontinuierlich neue Transaktionen und verpackt sie in Blöcke, um sicherzustellen, dass diese Blöcke auf allen ehrlichen Knoten durch das Konsensprotokoll vereinbart werden. Das Blockchain-Konsensprotokoll muss die folgenden Grundanforderungen erfüllen:

Lebendigkeit: Bei der unendlichen Ausführung gibt es eine unendlich lange Kette entschiedener Blöcke.

Konsistenz: Wenn es zwei dezidierte Blockchains gibt, muss eine das Präfix der anderen sein.

P-Qualität: In der entschiedenen Blockchain beträgt der Anteil der von ehrlichen Knoten eingegebenen Transaktionen mindestens p.

Herausforderungen mit aktuellen asynchronen Konsensprotokollen

Das derzeit schnellste asynchrone Konsensprotokoll ist 2-Ketten-VABA mit einer erwarteten Latenz von 9,5δ. Wir haben jedoch festgestellt, dass es mehrere Angriffsmethoden auf dieses Protokoll gibt, die seine Konsistenz und Lebendigkeit untergraben. Zum Beispiel Angriffe, die durch mangelnde Überprüfung der Authentifizierung verursacht werden, Angriffe, die Werbestrategien verwenden, um die Lebendigkeit zu behindern, und Konsistenzangriffe, die durch die Lockerung der Definition der Leiterauthentifizierung verursacht werden. Obwohl 2-Chain-VABA einige neue Mechanismen einführt, wie z. B. die parallele Ausführung mehrerer paralleler Instanzen, gelingt es ihm immer noch nicht, diese Probleme vollständig zu lösen.

Neues Protokolldesign: 2PAC (2-phasiger asynchroner Konsens)

Basierend auf der Analyse vorhandener Protokolle haben wir das 2PAC-Protokoll vorgeschlagen. Das Protokoll verbessert die Leistung erheblich, indem es den Konsensprozess vereinfacht und optimiert. Konkret umfasst es zwei Varianten:

2PAClean:

Erzielte einen Durchsatz von +90 % und eine erwartete Latenz von 9,5δ bei einer Nachrichtenkomplexität von O(n²).

Die Effizienz des Protokolls wird verbessert, indem unnötige Interaktionen und Rechenaufwand eliminiert werden.

2PACBIG:

Es ist derzeit das schnellste Blockchain-Konsensprotokoll mit einer Nachrichtenkomplexität von O(n³).

Die fehlerfreie Single-MVBA-Laufzeit beträgt 4δ, wodurch die Latenz erheblich reduziert wird.

Ultraschneller Pipeline-Block

Wir schlagen ein neues Pipeline-Block-Design vor, das die Latenz von Pipeline-Blocks erheblich reduziert. Durch die Einführung des Fast-Path-Mechanismus unter dem Fair Scheduler ist die Entscheidungszeit von Pipeline-Blöcken noch kürzer als die von Nicht-Pipeline-Blöcken. Dieser Mechanismus garantiert eine schnelle Pfadlatenz bei allen Ausführungen und bleibt vom Verhalten fehlgeschlagener Prozesse unbeeinflusst.

Quantitative Ergebnisse

Durch theoretische Analyse und praktische Tests beträgt die erwartete Latenz von 2PAClean 9,5δ im schlechtesten Fall und 6δ im guten Fall (keine Fehler und der Scheduler ist halbwegs fair). Im Vergleich dazu beträgt die erwartete Latenz von sMVBA in guten Fällen 10δ und 6δ. Daher reduziert 2PAClean die Latenz im ungünstigsten Fall um 0,5δ, während die Latenz im guten Fall gleich bleibt. Darüber hinaus wird der Durchsatz von 2PAClean im Vergleich zu verkettetem sMVBA um 80 % bis 100 % erhöht, was hauptsächlich auf die Vermeidung unnötiger Blockverwerfungen und Rechenaufwand im neuen Design zurückzuführen ist.

2PACBIG ist ein Protokoll mit einer Nachrichtenkomplexität von O(n³) und seine einzelne MVBA-Laufzeit beträgt 4δ, was schneller ist als alle vorhandenen Protokolle. Darüber hinaus ermöglicht das ultraschnelle Pipeline-Block-Design s2PAClean und s2PACBIG, Pipeline-Block-Entscheidungszeiten von 4δ bzw. 3δ zu erreichen, was die Leistung des Protokolls weiter verbessert.

Bewertung berechnen

Um die Leistung des neuen Protokolls zu validieren, haben wir umfangreiche rechnerische Auswertungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass 2PAClean und 2PACBIG unter verschiedenen Netzwerkbedingungen eine hervorragende Leistung erbringen, insbesondere in Umgebungen mit hoher Latenz und hoher Ausfallrate. Insbesondere erreicht 2PAClean ein gutes Gleichgewicht zwischen Nachrichtenlatenz und Rechenkomplexität, während 2PACBIG eine geringere Latenz durch Parallelisierung und Optimierung des Abstimmungsprozesses erreicht.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Blockchain-Technologie wird das asynchrone BFT-Konsensprotokoll eine immer wichtigere Rolle bei der Gewährleistung der Sicherheit und der Verbesserung der Leistung spielen. Das Design von 2PAC und ultraschnellen Pipeline-Blöcken zeigt die Entwicklungsrichtung zukünftiger Blockchain-Konsensprotokolle, die darin besteht, durch Vereinfachung der Protokollstruktur und Optimierung des Konsensprozesses einen höheren Durchsatz und eine geringere Latenz zu erreichen.

Zukünftige Forschung kann die folgenden Richtungen weiter untersuchen:

Protokolloptimierung: Vereinfachen und optimieren Sie die Protokollstruktur weiter, um unnötige Nachrichtenübermittlung und Rechenaufwand zu reduzieren.

Sicherheitsanalyse: Eingehende Analyse der Sicherheit des neuen Protokolls unter verschiedenen Angriffsszenarien, um seine Zuverlässigkeit im praktischen Einsatz sicherzustellen.

Praktische Anwendung: Wenden Sie das neue Protokoll auf ein tatsächliches Blockchain-System an, um seine Leistung in einer realen Netzwerkumgebung zu überprüfen.

Dieser Bericht analysiert die Vor- und Nachteile aktueller asynchroner Blockchain-Konsensprotokolle im Detail und schlägt zwei neue Protokolldesigns vor, nämlich 2PAC und ultraschnelle Pipeline-Blöcke. Das neue Design zeigt erhebliche Vorteile bei der Verbesserung des Durchsatzes und der Reduzierung der Latenz und bietet eine wichtige Referenz für die zukünftige Entwicklung der Blockchain-Technologie. Diese neuen Protokolle beweisen nicht nur ihre theoretische Überlegenheit, sondern zeigen auch in tatsächlichen Tests eine hervorragende Leistung und liefern neue Ideen für die Realisierung effizienter und sicherer Blockchain-Konsensprotokolle.

Durch kontinuierliche Forschung und Optimierung haben wir Grund zu der Annahme, dass die Blockchain-Technologie in der zukünftigen digitalen Wirtschaft eine wichtigere Rolle spielen wird und die neue Generation von Konsensprotokollen eine solide Grundlage für die Entwicklung dieser Technologie bieten wird.