Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques

Este informe profundiza en el estado de desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, analizando en detalle los últimos avances del protocolo de replicación de máquinas de estado tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). Actualmente, sMVBA es el protocolo MVBA asíncrono más rápido, con una latencia esperada de 10δ. El informe presenta dos nuevos diseños de protocolo: 2PAC (consenso asíncrono en 2 fases) y bloques de tubería ultrarrápida, que muestran mejoras significativas en cuanto a rendimiento y latencia.

La tecnología de cadena de bloques, como tecnología de libro mayor distribuido descentralizado, asegura la integridad y consistencia de los datos a través de mecanismos de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema de cadena de bloques, y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de Tolerancia a Fallos Bizantinos Asincrónicos (BFT) tiene ventajas únicas para enfrentar la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un foco de investigación.

En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser dañados maliciosamente. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la entrega de mensajes está controlado por un oponente. Cada proceso posee un par de claves públicas y privadas para firmar y verificar, asegurando la autenticidad y la integridad de los mensajes.

El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo lograr que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. En concreto, cada nodo recibe constantemente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con requisitos básicos como la vitalidad, la consistencia y la calidad P.

Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Incluye dos variantes: 2PAClean y 2PACBIG. 2PAClean logra más del 90% de rendimiento y una latencia esperada de 9.5δ, con una complejidad de mensaje de O(n²). 2PACBIG es el protocolo de consenso de cadena de bloques más rápido hasta la fecha, con una complejidad de mensaje de O(n³), y un tiempo de ejecución de MVBA sin fallos de 4δ.

Otra innovación es el diseño de bloques en línea ultra rápidos, que reduce significativamente la latencia de los bloques en línea. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en línea es incluso menor que el de los bloques no en línea bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de los procesos con fallos.

A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, el retraso esperado de 2PAClean en el peor de los casos es de 9.5δ, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) es de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en el mejor de los casos es de 6δ. El rendimiento de 2PAClean mejora entre un 80% y un 100% en comparación con la cadena sMVBA. El tiempo de ejecución de una sola MVBA de 2PACBIG es de 4δ, más rápido que todos los protocolos existentes.

Para verificar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores llevaron a cabo una amplia evaluación computacional. Los resultados muestran que 2PAClean y 2PACBIG exhiben un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. 2PAClean logra un buen equilibrio entre la latencia de mensajes y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG consigue una latencia más baja a través de la paralelización y la optimización del proceso de votación.

Con el continuo desarrollo de la tecnología de la cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y la mejora del rendimiento. El diseño de 2PAC y de bloques de tubería ultrarrápida demuestra la dirección futura del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, es decir, lograr un mayor rendimiento y una menor latencia a través de la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.

Las investigaciones futuras pueden explorar más a fondo las siguientes direcciones:

1. Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la transmisión de mensajes innecesarios y los costos de cálculo.
2. Análisis de seguridad: análisis profundo de la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.
3. Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo en sistemas de cadena de bloques reales, verificando su rendimiento en un entorno de red real.

Este informe analiza en detalle las ventajas y desventajas del actual protocolo de consenso asíncrono de cadena de bloques y propone dos nuevos diseños de protocolo. Los nuevos diseños muestran ventajas significativas en el aumento del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología de cadena de bloques. Estos nuevos protocolos no solo demuestran su superioridad en teoría, sino que también exhiben un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr un protocolo de consenso de cadena de bloques eficiente y seguro.

A través de la investigación y optimización constante, la tecnología de la cadena de bloques desempeñará un papel cada vez más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.