Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso Blockchain

Este relatório explora em profundidade o estado atual do desenvolvimento dos protocolos de consenso em Blockchain, com ênfase na análise dos mais recentes avanços do protocolo de Replicação de Máquinas de Estado Tolerantes a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT SMR). Atualmente, o sMVBA é o protocolo MVBA assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O relatório apresenta dois novos designs de protocolo: 2PAC (consenso assíncrono de 2 fases) e Bloco de pipeline super rápido, que demonstram melhorias significativas em termos de throughput e latência.

A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído e descentralizado, assegura a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo dos sistemas de Blockchain, e o seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança da Blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na resposta a latências de rede e falhas de nós, tornando-se, portanto, um foco de pesquisa.

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser comprometidos maliciosamente. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, e o atraso na entrega das mensagens é controlado pelo adversário. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.

O protocolo de consenso da Blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Especificamente, cada nó recebe constantemente novas transações e as empacota em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados em todos os nós honestos. O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender a requisitos básicos como atividade, consistência e qualidade P.

Baseado na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Inclui especificamente duas variantes: 2PAClean e 2PACBIG. O 2PAClean alcançou uma taxa de transferência de +90% e um atraso esperado de 9.5δ, com uma complexidade de mensagem de O(n²). O 2PACBIG é atualmente o protocolo de consenso de Blockchain mais rápido, com uma complexidade de mensagem de O(n³), e o tempo de execução de uma única MVBA sem falhas é de 4δ.

Outra inovação é o design de bloco em pipeline ultrarrápido, que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um escalonador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.

Através de análises teóricas e testes práticos, a 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior cenário, enquanto no bom cenário (sem falhas e escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, e no bom cenário é de 6δ. A taxa de transferência da 2PAClean é 80% a 100% superior à do sMVBA em cadeia. O tempo de execução de uma única MVBA da 2PACBIG é de 4δ, mais rápido do que todos os protocolos existentes.

Para verificar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma ampla avaliação computacional. Os resultados mostraram que 2PAClean e 2PACBIG demonstraram um desempenho excepcional em várias condições de rede, especialmente em ambientes com alta latência e alta taxa de falhas. O 2PAClean conseguiu um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG alcançou uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.

Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e na melhoria do desempenho. O design do 2PAC e do bloco de pipeline ultrarrápido demonstra a direção do desenvolvimento futuro dos protocolos de consenso da Blockchain, ou seja, alcançar maior taxa de transferência e menor latência através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso.

Pesquisas futuras podem explorar ainda mais as seguintes direções:

1. Protocolo otimizado: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a transmissão de mensagens desnecessárias e o custo computacional.
2. Análise de Segurança: Analisar profundamente a segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo sua confiabilidade em aplicações práticas.
3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando seu desempenho em ambientes de rede reais.

Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso de blockchain assíncrono e propõe dois novos designs de protocolos. Os novos designs demonstram vantagens significativas em termos de aumento de throughput e redução de latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia blockchain. Estes novos protocolos não apenas provaram sua superioridade teoricamente, mas também mostraram desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso de blockchain eficientes e seguros.

Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia Blockchain desempenhará um papel cada vez mais importante na economia digital do futuro, enquanto a nova geração de protocolos de consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.