Báo cáo nghiên cứu ngành: Tiến bộ và ứng dụng mới nhất của Giao thức đồng thuận Blockchain

Nguồn: Matthieu Rambaud, Télécom Paris

Tác giả chuyển thể: Anonymous, Bijie.com

Báo cáo tóm tắt

Báo cáo này khám phá trạng thái phát triển của các giao thức đồng thuận blockchain, tập trung vào tiến trình mới nhất của giao thức Sao chép máy trạng thái dung sai lỗi Byzantine (BFT SMR) không đồng bộ. Giao thức không đồng bộ nhanh nhất hiện nay là VABA 2 chuỗi, nhưng do có những sơ hở nên độ trễ dự kiến ​​là 9,5δ vẫn chưa đạt được. Do đó, sMVBA trở thành giao thức MVBA không đồng bộ nhanh nhất hiện nay với độ trễ dự kiến ​​là 10δ. Báo cáo cũng đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC (Đồng thuận không đồng bộ 2 pha) và các khối đường ống cực nhanh, cho thấy sự cải thiện đáng kể về thông lượng và độ trễ.

Là một công nghệ sổ cái phân tán phi tập trung, công nghệ blockchain đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu thông qua cơ chế đồng thuận. Cơ chế đồng thuận là cốt lõi của hệ thống blockchain và hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mở rộng và bảo mật của blockchain. Cơ chế đồng thuận Byzantine Fault Tolerance (BFT) không đồng bộ có những ưu điểm riêng trong việc xử lý độ trễ mạng và lỗi nút một phần, vì vậy nó đã trở thành trọng tâm nghiên cứu.

Mô hình và định nghĩa

Trong mô hình BFT không đồng bộ, hệ thống bao gồm n = 3f + 1 quy trình, trong đó f quy trình có thể bị đối thủ phá hoại một cách ác ý. Các quá trình này liên lạc với nhau thông qua các kênh không đồng bộ, với độ trễ gửi tin nhắn do đối thủ kiểm soát. Mỗi quy trình có một cặp khóa chung và khóa riêng để ký và xác minh nhằm đảm bảo tính xác thực và tính toàn vẹn của tin nhắn.

Sự đồng thuận của chuỗi khối

Giao thức đồng thuận blockchain nhằm mục đích làm cho tất cả các nút trung thực đồng ý về trạng thái của blockchain. Cụ thể, mỗi nút liên tục nhận được các giao dịch mới và đóng gói chúng thành các khối, đảm bảo rằng các khối này được thống nhất trên tất cả các nút trung thực thông qua giao thức đồng thuận. Giao thức đồng thuận blockchain cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản sau:

Tính sống động: Trong quá trình thực thi vô hạn, có một chuỗi các khối quyết định dài vô tận.

Tính nhất quán: Nếu có hai chuỗi khối được quyết định thì một chuỗi phải là tiền tố của chuỗi kia.

Chất lượng P: Trong chuỗi khối được quyết định, tỷ lệ giao dịch được nhập bởi các nút trung thực ít nhất là p.

Những thách thức với các giao thức đồng thuận không đồng bộ hiện tại

Giao thức đồng thuận không đồng bộ nhanh nhất hiện nay là VABA 2 chuỗi, với độ trễ dự kiến ​​là 9,5δ. Tuy nhiên, chúng tôi nhận thấy rằng có nhiều phương thức tấn công trên giao thức này làm suy yếu tính nhất quán và sự tồn tại của nó. Ví dụ: các cuộc tấn công gây ra do thiếu kiểm tra xác thực, các cuộc tấn công sử dụng chiến lược quảng cáo để cản trở sự tồn tại và các cuộc tấn công nhất quán gây ra bằng cách nới lỏng định nghĩa về xác thực người dẫn đầu. Mặc dù VABA 2 chuỗi giới thiệu một số cơ chế mới, chẳng hạn như nhiều phiên bản song song chạy song song, nhưng nó vẫn không giải quyết được hoàn toàn những vấn đề này.

Thiết kế giao thức mới: 2PAC (đồng thuận không đồng bộ 2 pha)

Dựa trên phân tích các giao thức hiện có, chúng tôi đã đề xuất giao thức 2PAC. Giao thức cải thiện đáng kể hiệu suất bằng cách đơn giản hóa và tối ưu hóa quy trình đồng thuận. Cụ thể, nó bao gồm hai biến thể:

2PASạch:

Đã đạt được +90% thông lượng và độ trễ dự kiến ​​là 9,5δ, với độ phức tạp của thông báo là O(n²).

Hiệu quả của giao thức được cải thiện bằng cách loại bỏ các tương tác không cần thiết và chi phí tính toán.

2PACBIG:

Nó hiện là giao thức đồng thuận blockchain nhanh nhất với độ phức tạp của thông điệp là O(n³).

Thời gian chạy MVBA đơn không có lỗi là 4δ, giúp giảm đáng kể độ trễ.

Khối đường ống cực nhanh

Chúng tôi đề xuất thiết kế khối đường ống mới giúp giảm đáng kể độ trễ của khối đường ống. Bằng cách giới thiệu cơ chế đường dẫn nhanh, theo bộ lập lịch công bằng, thời gian quyết định của các khối đường ống thậm chí còn nhỏ hơn so với các khối không có đường ống. Cơ chế này đảm bảo độ trễ đường dẫn nhanh trong tất cả các lần thực thi và không bị ảnh hưởng bởi hoạt động của các quy trình bị lỗi.

Kết quả định lượng

Qua phân tích lý thuyết và thử nghiệm thực tế, độ trễ dự kiến ​​của 2PAClean là 9,5δ trong trường hợp xấu nhất và 6δ trong trường hợp tốt (không có lỗi và bộ lập lịch ở mức khá công bằng). Để so sánh, độ trễ dự kiến ​​của sMVBA là 10δ và 6δ trong những trường hợp tốt. Do đó, 2PAClean giảm độ trễ trong trường hợp xấu nhất xuống 0,5δ trong khi vẫn duy trì độ trễ như cũ trong trường hợp tốt. Ngoài ra, thông lượng của 2PAClean tăng từ 80% đến 100% so với sMVBA chuỗi, chủ yếu là do tránh loại bỏ khối không cần thiết và chi phí tính toán trong thiết kế mới.

2PACBIG là giao thức có độ phức tạp thông báo là O(n³) và thời gian chạy MVBA duy nhất của nó là 4δ, nhanh hơn tất cả các giao thức hiện có. Ngoài ra, thiết kế khối đường ống cực nhanh cho phép s2PAClean và s2PACBIG đạt được thời gian quyết định khối đường ống lần lượt là 4δ và 3δ, cải thiện hơn nữa hiệu suất của giao thức.

Tính toán đánh giá

Để xác thực hiệu suất của giao thức mới, chúng tôi đã thực hiện các đánh giá tính toán mở rộng. Kết quả cho thấy 2PAClean và 2PACBIG thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong các điều kiện mạng khác nhau, đặc biệt là trong môi trường có độ trễ cao và tỷ lệ lỗi cao. Cụ thể, 2PAClean đạt được sự cân bằng tốt giữa độ trễ nhắn tin và độ phức tạp tính toán, trong khi 2PACBIG đạt được độ trễ thấp hơn bằng cách song song hóa và tối ưu hóa quy trình bỏ phiếu.

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ blockchain, giao thức đồng thuận BFT không đồng bộ sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đảm bảo an ninh và cải thiện hiệu suất. Thiết kế của 2PAC và các khối đường ống cực nhanh thể hiện hướng phát triển của các giao thức đồng thuận blockchain trong tương lai, đó là đạt được thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn bằng cách đơn giản hóa cấu trúc giao thức và tối ưu hóa quy trình đồng thuận.

Nghiên cứu trong tương lai có thể khám phá thêm các hướng sau:

Tối ưu hóa giao thức: đơn giản hóa và tối ưu hóa hơn nữa cấu trúc giao thức để giảm chi phí truyền tin nhắn và tính toán không cần thiết.

Phân tích bảo mật: Phân tích chuyên sâu về tính bảo mật của giao thức mới trong các tình huống tấn công khác nhau để đảm bảo độ tin cậy của nó trong các ứng dụng thực tế.

Ứng dụng thực tế: Áp dụng giao thức mới cho hệ thống blockchain thực tế để xác minh hiệu suất của nó trong môi trường mạng thực.

Báo cáo này phân tích chi tiết các ưu điểm và nhược điểm của các giao thức đồng thuận blockchain không đồng bộ hiện tại và đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC và các khối đường ống cực nhanh. Thiết kế mới cho thấy những lợi thế đáng kể trong việc cải thiện thông lượng và giảm độ trễ, cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho sự phát triển công nghệ blockchain trong tương lai. Các giao thức mới này không chỉ chứng minh tính ưu việt của chúng về mặt lý thuyết mà còn thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong các thử nghiệm thực tế, cung cấp những ý tưởng mới để hiện thực hóa các giao thức đồng thuận blockchain hiệu quả và an toàn.

Thông qua nghiên cứu và tối ưu hóa liên tục, chúng tôi có lý do để tin rằng công nghệ blockchain sẽ đóng vai trò quan trọng hơn trong nền kinh tế kỹ thuật số trong tương lai và thế hệ giao thức đồng thuận mới sẽ cung cấp nền tảng vững chắc cho sự phát triển của công nghệ này.