Fuente: Matthieu Rambaud, Télécom París
Autor adaptado: Anónimo, Bijie.com
Resumen del informe
Este informe explora el estado de desarrollo de los protocolos de consenso de blockchain, centrándose en los últimos avances del protocolo asincrónico de replicación de máquinas de estado tolerantes a fallas bizantinas (BFT SMR). El protocolo asincrónico más rápido actualmente es el VABA de 2 cadenas, pero debido a sus lagunas, no se ha alcanzado la latencia esperada de 9,5δ. Como resultado, sMVBA se convierte en el protocolo MVBA asincrónico más rápido actualmente con una latencia esperada de 10δ. El informe también propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (Consenso asíncrono de 2 fases) y bloques canalizados ultrarrápidos, que demuestran mejoras significativas en el rendimiento y la latencia.
Como tecnología de contabilidad distribuida descentralizada, la tecnología blockchain garantiza la integridad y coherencia de los datos a través de un mecanismo de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema blockchain y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso asincrónico de tolerancia a fallas bizantinas (BFT) tiene ventajas únicas para lidiar con retrasos de red y fallas parciales de nodos, por lo que se ha convertido en el foco de la investigación.
Modelos y definiciones
En el modelo BFT asíncrono, el sistema consta de n = 3f + 1 procesos, de los cuales f procesos pueden ser dañados maliciosamente por el oponente. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asincrónicos, con retrasos en la entrega de mensajes controlados por el adversario. Cada proceso tiene un par de claves públicas y privadas de firma y verificación para garantizar la autenticidad e integridad del mensaje.
Consenso de cadena de bloques
El protocolo de consenso de blockchain tiene como objetivo hacer que todos los nodos honestos se pongan de acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. Específicamente, cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando que estos bloques se acuerden en todos los nodos honestos a través del protocolo de consenso. El protocolo de consenso blockchain debe cumplir los siguientes requisitos básicos:
Vivencia: En ejecución infinita, hay una cadena infinitamente larga de bloques decididos.
Consistencia: Si hay dos blockchains decididas, una debe ser el prefijo de la otra.
Calidad P: en la cadena de bloques decidida, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos es al menos p.
Desafíos con los protocolos de consenso asincrónicos actuales
El protocolo de consenso asincrónico más rápido actualmente es el VABA de 2 cadenas, con una latencia esperada de 9,5δ. Sin embargo, descubrimos que existen múltiples métodos de ataque a este protocolo que socavan su coherencia y vitalidad. Por ejemplo, ataques causados por la falta de verificación de autenticación, ataques que utilizan estrategias de promoción para obstaculizar la vida y ataques de coherencia causados por relajar la definición de autenticación de líder. Aunque VABA de 2 cadenas introduce algunos mecanismos nuevos, como múltiples instancias paralelas que se ejecutan en paralelo, aún no logra resolver completamente estos problemas.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases)
Basado en el análisis de los protocolos existentes, propusimos el protocolo 2PAC. El protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. En concreto, incluye dos variantes:
2PALimpiar:
Se logró un rendimiento de +90 % y una latencia esperada de 9,5 δ, con una complejidad de mensaje de O(n²).
La eficiencia del protocolo se mejora al eliminar interacciones innecesarias y sobrecarga computacional.
2PACBIG:
Actualmente es el protocolo de consenso blockchain más rápido con una complejidad de mensaje de O(n³).
El tiempo de ejecución de un único MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce considerablemente la latencia.
Bloque de tubería ultrarrápido
Proponemos un nuevo diseño de bloque de canalización que reduce significativamente la latencia del bloque de canalización. Al introducir el mecanismo de vía rápida, bajo el programador justo, el tiempo de decisión de los bloques de oleoductos es incluso menor que el de los bloques que no son de oleoductos. Este mecanismo garantiza una latencia de ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de los procesos fallidos.
Resultados cuantitativos
A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, la latencia esperada de 2PAClean es 9.5δ en el peor de los casos y 6δ en el buen caso (sin fallas y el programador es semi-justo). En comparación, la latencia esperada de sMVBA es 10δ y 6δ en los buenos casos. Por lo tanto, 2PAClean reduce la latencia en el peor de los casos en 0,5δ mientras mantiene la misma latencia en el buen caso. Además, el rendimiento de 2PAClean aumenta entre un 80% y un 100% en comparación con sMVBA encadenado, principalmente debido a que en el nuevo diseño se evitan descartes innecesarios de bloques y sobrecarga computacional.
2PACBIG es un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³) y su tiempo de ejecución de MVBA único es 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloque de tubería ultrarrápido permite a s2PAClean y s2PACBIG lograr tiempos de decisión de bloque de tubería de 4δ y 3δ respectivamente, lo que mejora aún más el rendimiento del protocolo.
Calcular evaluación
Para validar el rendimiento del nuevo protocolo, realizamos extensas evaluaciones computacionales. Los resultados muestran que 2PAClean y 2PACBIG exhiben un rendimiento excelente en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallas. Específicamente, 2PAClean logra un buen equilibrio entre la latencia de los mensajes y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logra una latencia más baja al paralelizar y optimizar el proceso de votación.
Con el desarrollo continuo de la tecnología blockchain, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante para garantizar la seguridad y mejorar el rendimiento. El diseño de 2PAC y bloques de canalización ultrarrápidos demuestra la dirección de desarrollo de futuros protocolos de consenso de blockchain, que consiste en lograr un mayor rendimiento y una menor latencia simplificando la estructura del protocolo y optimizando el proceso de consenso.
Las investigaciones futuras pueden explorar más a fondo las siguientes direcciones:
Optimización del protocolo: simplifique y optimice aún más la estructura del protocolo para reducir el paso de mensajes innecesarios y la sobrecarga informática.
Análisis de seguridad: análisis en profundidad de la seguridad del nuevo protocolo en varios escenarios de ataque para garantizar su confiabilidad en aplicaciones prácticas.
Aplicación práctica: aplique el nuevo protocolo a un sistema blockchain real para verificar su rendimiento en un entorno de red real.
Este informe analiza en detalle las ventajas y desventajas de los protocolos de consenso de blockchain asíncronos actuales y propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y bloques de canalización ultrarrápidos. El nuevo diseño muestra ventajas significativas en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, lo que proporciona una referencia importante para el futuro desarrollo de la tecnología blockchain. Estos nuevos protocolos no solo demuestran su superioridad en teoría, sino que también demuestran un rendimiento excelente en pruebas reales, proporcionando nuevas ideas para implementar protocolos de consenso blockchain eficientes y seguros.
A través de la investigación y optimización continuas, tenemos razones para creer que la tecnología blockchain desempeñará un papel más importante en la futura economía digital, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.
