Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Цей звіт глибоко досліджує сучасний стан розвитку протоколів консенсусу Блокчейн, зосереджуючи увагу на останніх досягненнях у протоколі асинхронного візантійського відмовостійкого стану машини (BFT SMR). Наразі sMVBA є найшвидшим асинхронним MVBA протоколом, з очікуваною затримкою 10δ. У звіті запропоновано два нових дизайни протоколів: 2PAC (протокол асинхронного консенсусу з двома етапами) та надшвидка конвеєрна Блок, які демонструють значні покращення в пропускній спроможності та затримці.

Технологія Блокчейн, як децентралізована розподілена технологія облікових записів, забезпечує цілісність і узгодженість даних через механізм Консенсусу. Механізм Консенсусу є ядром системи Блокчейн, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку Блокчейн. Асинхронний алгоритм Боярської Помилки (BFT) має унікальні переваги в умовах затримок в мережі і часткових збоїв вузлів, тому став об'єктом активних досліджень.

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути зловмисно зламані. Ці процеси взаємодіють один з одним через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару відкритих і закритих ключів для підписування та перевірки, що забезпечує автентичність і цілісність повідомлень.

Блокчейн Консенсус протокол має на меті забезпечити узгодженість стану Блоку серед усіх чесних вузлів. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у блоки, забезпечуючи узгодженість цих блоків серед усіх чесних вузлів через Консенсус протокол. Блокчейн Консенсус протокол повинен відповідати основним вимогам активності, узгодженості та якості P.

На основі аналізу існуючих протоколів дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Конкретно, він включає два варіанти: 2PAClean та 2PACBIG. 2PAClean досягає +90% пропускної спроможності та очікуваної затримки 9.5δ, а складність повідомлення становить O(n²). 2PACBIG є найшвидшим протоколом консенсусу Блокчейн з поточною складністю повідомлення O(n³), а час виконання одноразового MVBA без збоїв становить 4δ.

Іншою інновацією є надшвидкий дизайн конвеєрних блоків, що суттєво зменшує затримку конвеєрних блоків. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, у рамках справедливого планувальника, час прийняття рішень для конвеєрних блоків навіть менший, ніж для не конвеєрних блоків. Цей механізм у всіх виконаннях забезпечує затримку швидкого шляху і не підлягає впливу поведінки несправних процесів.

Згідно з теоретичним аналізом і практичними випробуваннями, очікувана затримка 2PAClean у найгіршому випадку становить 9.5δ, а в хорошому випадку (без збоїв і з напівчестним планувальником) – 6δ. У порівнянні з цим, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, а в хорошому випадку – 6δ. Продуктивність 2PAClean у порівнянні з ланцюговим sMVBA підвищилася на 80% до 100%. Час виконання одного MVBA для 2PACBIG становить 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи.

Для перевірки продуктивності нового протоколу дослідники провели широкі обчислювальні оцінки. Результати показали, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність у різних мережевих умовах, особливо в умовах високої затримки та високої ймовірності збоїв. 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою повідомлень і обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG забезпечує нижчу затримку шляхом паралелізації та оптимізації процесу голосування.

З розвитком технологій Блокчейн, асинхронний протокол Консенсусу BFT буде відігравати все більш важливу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC та надшвидких конвеєрних Блоків демонструє напрямок розвитку майбутніх протоколів Консенсусу Блокчейн, а саме через спрощення структури протоколу та оптимізацію процесу Консенсусу досягти вищої пропускної здатності та нижчої затримки.

Майбутні дослідження можуть далі вивчати такі кілька напрямків:

1. Оптимізація протоколу: подальше спрощення та оптимізація структури протоколу, зменшення непотрібних повідомлень та обчислювальних витрат.
2. Аналіз безпеки: детальний аналіз нового протоколу в різних сценаріях атак для забезпечення його надійності в реальному застосуванні.
3. Реальне застосування: впровадження нового протоколу в реальні Блокчейн-системи, перевірка його продуктивності в умовах реальної мережі.

Цей звіт детально аналізує поточні переваги та недоліки асинхронних Блокчейн консенсус-протоколів і пропонує два нових проєктування протоколів. Нові проєкти демонструють значні переваги в підвищенні пропускної здатності та зменшенні затримок, надаючи важливу інформацію для майбутнього розвитку Блокчейн технологій. Ці нові протоколи не лише теоретично довели свою перевагу, але й продемонстрували видатну продуктивність у практичних випробуваннях, пропонуючи нові ідеї для досягнення ефективних і безпечних Блокчейн консенсус-протоколів.

Шляхом постійних досліджень та оптимізації технологія Блокчейн у майбутньому відіграватиме дедалі важливішу роль у цифровій економіці, а нове покоління протоколів консенсусу забезпечить надійну основу для розвитку цієї технології.