Derniers progrès et applications du protocole de consensus Blockchain

Ce rapport explore en profondeur l'état actuel du développement des protocoles de consensus Blockchain, en analysant particulièrement les dernières avancées du protocole de réplique de machine d'état tolérante aux pannes byzantines asynchrones (BFT SMR). Actuellement, sMVBA est le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un retard prévu de 10δ. Le rapport propose deux nouvelles conceptions de protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 phases) et Bloc ultrarapide en pipeline, montrant des améliorations significatives en termes de débit et de latence.

La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à un mécanisme de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur du système Blockchain, et ses performances influencent directement l'évolutivité et la sécurité de la Blockchain. Le mécanisme de consensus Byzantine Fault Tolerance (BFT), avec ses avantages uniques pour faire face aux retards réseau et aux défaillances de certains nœuds, est devenu un sujet de recherche majeur.

Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être compromis de manière malveillante. Ces processus communiquent entre eux via des canaux asynchrones, et le délai de transmission des messages est contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.

Le protocole de consensus Blockchain vise à faire en sorte que tous les nœuds honnêtes s'accordent sur l'état de la Blockchain. Plus précisément, chaque nœud reçoit en continu de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant que ces blocs sont convenus par tous les nœuds honnêtes grâce au protocole de consensus. Le protocole de consensus Blockchain doit satisfaire à des exigences fondamentales telles que l'activité, la cohérence et la qualité P.

Basé sur l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de consensus. Cela comprend deux variantes : 2PAClean et 2PACBIG. 2PAClean réalise un taux de débit de +90% et un retard attendu de 9,5δ, la complexité des messages étant de O(n²). 2PACBIG est actuellement le protocole de consensus Blockchain le plus rapide avec une complexité des messages de O(n³), le temps d'exécution d'un MVBA unique sans faute étant de 4δ.

Une autre innovation est la conception de blocs en pipeline ultra-rapides, qui réduit considérablement la latence des blocs en pipeline. Grâce à l'introduction d'un mécanisme de chemin rapide, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline sous un ordonnanceur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus défaillants.

Grâce à une analyse théorique et à des tests pratiques, le délai attendu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-fair) il est de 6δ. En comparaison, le délai attendu de sMVBA est de 10δ, et dans le meilleur des cas, il est de 6δ. Le débit de 2PAClean est amélioré de 80 % à 100 % par rapport à celui de sMVBA en chaîne. Le temps d'exécution d'une seule opération MVBA de 2PACBIG est de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants.

Pour vérifier les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont effectué une évaluation computationnelle extensive. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, notamment dans des environnements à haute latence et à taux de défaillance élevé. 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence des messages et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG, grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote, atteint une latence plus faible.

Avec le développement continu de la technologie Blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration de la performance. La conception de 2PAC et des blocs de pipeline ultra-rapides montre la direction du développement futur des protocoles de consensus Blockchain, à savoir réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.

Les recherches futures peuvent explorer davantage les directions suivantes :

1. protocole optimisé : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les messages inutiles et les coûts de calcul.
2. Analyse de la sécurité : analyser en profondeur la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin de garantir sa fiabilité dans les applications réelles.
3. Application réelle : appliquer le nouveau protocole dans un système de Blockchain réel pour vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.

Ce rapport analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus asynchrones en blockchain actuels et propose deux nouvelles conceptions de protocole. Les nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en termes d'augmentation du débit et de réduction de la latence, fournissant des références importantes pour le développement futur de la technologie blockchain. Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité sur le plan théorique, mais ont également démontré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles perspectives pour la réalisation de protocoles de consensus blockchain efficaces et sécurisés.

Grâce à des recherches et des optimisations constantes, la technologie Blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique future, tandis que la nouvelle génération de protocoles de consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.