Fonte: Matthieu Rambaud, Télécom Parigi
Autore adattato: Anonimo, Bijie.com
Riepilogo del rapporto
Questo rapporto esplora lo stato di sviluppo dei protocolli di consenso blockchain, concentrandosi sugli ultimi progressi del protocollo asincrono Byzantine Fault Tolerant State Machine Replication (BFT SMR). Il protocollo asincrono più veloce attualmente è VABA a 2 catene, ma a causa delle sue lacune, la latenza prevista di 9,5δ non è stata raggiunta. Di conseguenza, sMVBA diventa attualmente il protocollo MVBA asincrono più veloce con una latenza prevista di 10δ. Il rapporto propone inoltre due nuovi progetti di protocollo, vale a dire 2PAC (2-Phase Asynchronous Consensus) e blocchi pipeline ultraveloci, dimostrando miglioramenti significativi in termini di throughput e latenza.
Essendo una tecnologia di registro distribuito decentralizzata, la tecnologia blockchain garantisce l'integrità e la coerenza dei dati attraverso un meccanismo di consenso. Il meccanismo di consenso è il nucleo del sistema blockchain e le sue prestazioni influiscono direttamente sulla scalabilità e sulla sicurezza della blockchain. Il meccanismo di consenso asincrono Byzantine Fault Tolerance (BFT) presenta vantaggi unici nella gestione dei ritardi di rete e dei guasti parziali dei nodi, quindi è diventato il fulcro della ricerca.
Modelli e definizioni
Nel modello BFT asincrono, il sistema è costituito da n = 3f + 1 processi, di cui f processi possono essere danneggiati intenzionalmente dall'avversario. Questi processi comunicano tra loro tramite canali asincroni, con ritardi nella consegna dei messaggi controllati dall'avversario. Ogni processo ha una coppia di chiavi pubblica e privata per la firma e la verifica per garantire l'autenticità e l'integrità del messaggio.
Consenso sulla blockchain
Il protocollo di consenso della blockchain mira a mettere d’accordo tutti i nodi onesti sullo stato della blockchain. Nello specifico, ogni nodo riceve continuamente nuove transazioni e le impacchetta in blocchi, garantendo che questi blocchi siano concordati su tutti i nodi onesti attraverso il protocollo di consenso. Il protocollo di consenso blockchain deve soddisfare i seguenti requisiti di base:
Vitalità: nell'esecuzione infinita, c'è una catena infinitamente lunga di blocchi decisi.
Coerenza: se ci sono due blockchain decise, una deve essere il prefisso dell'altra.
Qualità P: nella blockchain decisa, la proporzione di transazioni inserite da nodi onesti è almeno p.
Sfide con gli attuali protocolli di consenso asincrono
Il protocollo di consenso asincrono più veloce attualmente è VABA a 2 catene, con una latenza prevista di 9,5δ. Tuttavia, abbiamo scoperto che esistono diversi metodi di attacco su questo protocollo che ne minano la coerenza e la vitalità. Ad esempio, attacchi causati dalla mancanza di controllo dell'autenticazione, attacchi che utilizzano strategie di promozione per ostacolare la vitalità e attacchi di coerenza causati dall'allentamento della definizione di autenticazione del leader. Sebbene VABA a 2 catene introduca alcuni nuovi meccanismi, come più istanze parallele in esecuzione in parallelo, non riesce ancora a risolvere completamente questi problemi.
Nuovo design del protocollo: 2PAC (consenso asincrono a 2 fasi)
Sulla base dell'analisi dei protocolli esistenti, abbiamo proposto il protocollo 2PAC. Il protocollo migliora significativamente le prestazioni semplificando e ottimizzando il processo di consenso. Nello specifico prevede due varianti:
2PApulito:
Ottenuto un throughput del +90% e una latenza prevista di 9,5δ, con una complessità del messaggio di O(n²).
L'efficienza del protocollo viene migliorata eliminando le interazioni non necessarie e il sovraccarico computazionale.
2PACBIG:
Attualmente è il protocollo di consenso blockchain più veloce con una complessità del messaggio pari a O(n³).
Il tempo di esecuzione MVBA singolo senza errori è 4δ, riducendo notevolmente la latenza.
Blocco ultraveloce della pipeline
Proponiamo un nuovo design del blocco della pipeline che riduce significativamente la latenza del blocco della pipeline. Introducendo il meccanismo del percorso rapido, nell’ambito del fair scheduler, il tempo di decisione dei blocchi della pipeline è addirittura inferiore a quello dei blocchi non-pipeline. Questo meccanismo garantisce la latenza del percorso rapido in tutte le esecuzioni e non è influenzato dal comportamento dei processi non riusciti.
Risultati quantitativi
Attraverso l'analisi teorica e i test pratici, la latenza prevista di 2PAClean è 9,5δ nel caso peggiore e 6δ nel caso positivo (nessun errore e lo scheduler è semi-corretto). In confronto, la latenza prevista di sMVBA è di 10δ e 6δ nei casi migliori. Pertanto, 2PAClean riduce la latenza nel caso peggiore di 0,5δ mantenendo la stessa latenza nel caso buono. Inoltre, il throughput di 2PAClean è aumentato dall'80% al 100% rispetto a sMVBA concatenato, principalmente per evitare inutili scarti di blocchi e sovraccarico computazionale nel nuovo design.
2PACBIG è un protocollo con una complessità del messaggio pari a O(n³) e il suo tempo di esecuzione MVBA singolo è 4δ, ovvero più veloce di tutti i protocolli esistenti. Inoltre, il design ultraveloce del blocco della pipeline consente a s2PAClean e s2PACBIG di raggiungere tempi di decisione del blocco della pipeline rispettivamente di 4δ e 3δ, migliorando ulteriormente le prestazioni del protocollo.
Calcola la valutazione
Per convalidare le prestazioni del nuovo protocollo, abbiamo eseguito ampie valutazioni computazionali. I risultati mostrano che 2PAClean e 2PACBIG mostrano prestazioni eccellenti in varie condizioni di rete, soprattutto in ambienti ad alta latenza e ad alto tasso di guasto. Nello specifico, 2PAClean raggiunge un buon equilibrio tra la latenza della messaggistica e la complessità computazionale, mentre 2PACBIG raggiunge una latenza inferiore parallelizzando e ottimizzando il processo di votazione.
Con il continuo sviluppo della tecnologia blockchain, il protocollo di consenso asincrono BFT svolgerà un ruolo sempre più importante nel garantire la sicurezza e migliorare le prestazioni. La progettazione di 2PAC e blocchi di pipeline ultraveloci dimostra la direzione di sviluppo dei futuri protocolli di consenso blockchain, ovvero ottenere un throughput più elevato e una latenza inferiore semplificando la struttura del protocollo e ottimizzando il processo di consenso.
La ricerca futura potrà esplorare ulteriormente le seguenti direzioni:
Ottimizzazione del protocollo: semplificare e ottimizzare ulteriormente la struttura del protocollo per ridurre il passaggio di messaggi non necessario e il sovraccarico di calcolo.
Analisi della sicurezza: analisi approfondita della sicurezza del nuovo protocollo in vari scenari di attacco per garantirne l'affidabilità nelle applicazioni pratiche.
Applicazione pratica: applicare il nuovo protocollo a un sistema blockchain reale per verificarne le prestazioni in un ambiente di rete reale.
Questo rapporto analizza in dettaglio i vantaggi e gli svantaggi degli attuali protocolli di consenso blockchain asincroni e propone due nuovi progetti di protocollo, vale a dire 2PAC e blocchi di pipeline ultraveloci. Il nuovo design mostra vantaggi significativi nel miglioramento del throughput e nella riduzione della latenza, fornendo un riferimento importante per il futuro sviluppo della tecnologia blockchain. Questi nuovi protocolli non solo dimostrano la loro superiorità in teoria, ma dimostrano anche prestazioni eccellenti nei test reali, fornendo nuove idee per realizzare protocolli di consenso blockchain efficienti e sicuri.
Attraverso la continua ricerca e ottimizzazione, abbiamo motivo di credere che la tecnologia blockchain svolgerà un ruolo più importante nella futura economia digitale e che la nuova generazione di protocolli di consenso fornirà una solida base per lo sviluppo di questa tecnologia.