Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain

Laporan ini menggali secara mendalam tentang status pengembangan protokol konsensus Blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status toleran kesalahan Bizantium asinkron (BFT SMR). Saat ini, sMVBA adalah protokol MVBA asinkron tercepat, dengan latensi yang diharapkan sebesar 10δ. Laporan ini mengusulkan dua desain protokol baru: 2PAC (konsensus asinkron dua tahap) dan blok pipeline super cepat, yang menunjukkan perbaikan signifikan dalam hal throughput dan latensi.

Teknologi Blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, yang kinerjanya secara langsung memengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi keterlambatan jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.

Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses mungkin dirusak secara jahat. Proses-proses ini berkomunikasi satu sama lain melalui saluran asinkron, dengan penundaan pengiriman pesan yang dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Protokol konsensus blockchain bertujuan untuk memastikan semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Secara khusus, setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi blok, memastikan bahwa blok ini disepakati di semua node yang jujur melalui protokol konsensus. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi persyaratan dasar seperti aktivasi, konsistensi, dan kualitas P.

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, peneliti mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Ini termasuk dua varian: 2PAClean dan 2PACBIG. 2PAClean mencapai throughput +90% dan latensi yang diharapkan sebesar 9.5δ, dengan kompleksitas pesan sebesar O(n²). 2PACBIG adalah protokol konsensus blockchain tercepat saat ini dengan kompleksitas pesan O(n³), dengan waktu eksekusi MVBA tunggal tanpa kesalahan sebesar 4δ.

Inovasi lain adalah desain blok saluran cepat super yang secara signifikan mengurangi latensi blok saluran. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, waktu pengambilan keputusan blok saluran bahkan lebih kecil dibandingkan blok non-saluran di bawah penjadwal yang adil. Mekanisme ini menjamin latensi jalur cepat di semua pelaksanaan dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.

Melalui analisis teoretis dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki latensi yang diharapkan dalam kasus terburuk sebesar 9.5δ, sementara dalam kasus baik (tanpa kegagalan dan penjadwal semi-adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, latensi yang diharapkan dari sMVBA adalah 10δ, dan dalam kasus baik adalah 6δ. Melalui 2PAClean, throughput meningkat 80% hingga 100% dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai. Waktu eksekusi MVBA tunggal dari 2PACBIG adalah 4δ, lebih cepat daripada semua protokol yang ada.

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, para peneliti melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasil menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang sangat baik di berbagai kondisi jaringan, terutama dalam lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kegagalan tinggi. 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan pengoptimalan proses pemungutan suara.

Seiring dengan perkembangan teknologi Blockchain yang terus menerus, protokol Konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam menjamin keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan blok pipeline super cepat menunjukkan arah perkembangan protokol Konsensus Blockchain di masa depan, yaitu dengan menyederhanakan struktur protokol dan mengoptimalkan proses konsensus untuk mencapai throughput yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah.

Penelitian di masa depan dapat mengeksplorasi beberapa arah berikut:

1. Optimasi protokol: menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol lebih lanjut, mengurangi pengiriman pesan dan beban perhitungan yang tidak perlu.
2. Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan, memastikan keandalannya dalam aplikasi nyata.
3. Aplikasi nyata: Menerapkan protokol baru pada sistem Blockchain yang nyata, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.

Laporan ini menganalisis secara mendetail kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, dan mengajukan dua desain protokol baru. Desain baru menunjukkan keunggulan signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk pengembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teori, tetapi juga menunjukkan kinerja yang luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan pemikiran baru untuk mencapai protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.

Melalui penelitian dan optimasi yang terus-menerus, teknologi Blockchain akan memainkan peran yang semakin penting dalam ekonomi digital masa depan, sementara generasi baru protokol konsensus akan memberikan dasar yang kuat untuk perkembangan teknologi ini.