Estudio del protocolo de consenso de la cadena de bloques: últimos avances y aplicaciones del BFT asíncrono
Resumen
Este artículo explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, centrándose en 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 artículo también presenta dos nuevos diseños de protocolos: 2PAC (consenso asíncrono en 2 fases) y bloques de tubería ultrarrápidos, que han mostrado mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
Contexto
La tecnología de la cadena de bloques es una tecnología de contabilidad distribuida descentralizada que garantiza 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 asíncronos (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.
Modelo y definición
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y la latencia de la transmisión de mensajes está controlada por un adversario. Cada proceso tiene un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad e integridad de los mensajes.
Requisitos de consenso de la cadena de bloques
El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Actividad: En la ejecución infinita, existe una cadena de bloques decidida de longitud infinita.
Consistencia: Si existen dos cadenas de bloques decididas, una de ellas debe ser el prefijo de la otra.
Calidad P: En la cadena de bloques ya decidida, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos debe ser al menos p.
Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono
Aunque el protocolo VABA de 2-chain se consideraba el protocolo de consenso asíncrono más rápido, con una latencia esperada de 9.5δ, la investigación ha descubierto que este protocolo presenta múltiples vectores de ataque que comprometen su consenso y disponibilidad. Estos problemas incluyen ataques que aprovechan la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la disponibilidad mediante estrategias de aumento, así como ataques de consistencia derivados de la flexibilización de la definición de autenticación de líderes.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)
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 específicamente dos variantes:
2PAClean:
Se logró más del 90% de capacidad y un retraso esperado de 9.5δ, con una complejidad de mensaje de O(n²).
Se mejoró la eficiencia del protocolo al eliminar interacciones y costes computacionales innecesarios.
2PACBIG：
Es el protocolo de consenso de cadena de bloques más rápido con una complejidad de mensajes de O(n³).
El tiempo de ejecución de una sola MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce enormemente la latencia.
Ultra rápida línea de bloques
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en pipeline que reduce significativamente la latencia de los bloques en pipeline. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en pipeline es incluso menor que el de los bloques no en pipeline 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 fallidos.
Evaluación del rendimiento
A través del análisis teórico 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, siendo de 6δ en el mejor de los casos. 2PAClean ha reducido el retraso en el peor de los casos en 0.5δ manteniendo el mismo retraso en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean ha mejorado entre un 80% y un 100% en comparación con el sMVBA en cadena.
2PACBIG, como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. El diseño de bloques en tubería ultra rápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Resultados de evaluación
Las evaluaciones computacionales extensas muestran que 2PAClean y 2PACBIG ofrecen 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 mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG consigue una menor latencia a través de la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Direcciones futuras de investigación
Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la transmisión de mensajes innecesarios y el costo computacional.
Análisis de seguridad: Análisis profundo de la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.
Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo en sistemas de cadena de bloques reales, verificando su rendimiento en un entorno de red real.
Conclusión
Este estudio analiza detalladamente las ventajas y desventajas de los actuales protocolos de consenso de cadena de bloques asincrónicos, y propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y Bloque de canalización ultrarrápida. Estos nuevos diseños muestran ventajas significativas en el aumento del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando referencias importantes para el desarrollo futuro de la tecnología de cadena de bloques. A través de la investigación y optimización continuas, se espera que la tecnología de cadena de bloques desempeñe un papel aún más importante en la futura economía digital, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.
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Nuevo protocolo BFT asíncrono 2PAC: salto en el rendimiento de consenso de la cadena de bloques
Estudio del protocolo de consenso de la cadena de bloques: últimos avances y aplicaciones del BFT asíncrono
Resumen
Este artículo explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, centrándose en 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 artículo también presenta dos nuevos diseños de protocolos: 2PAC (consenso asíncrono en 2 fases) y bloques de tubería ultrarrápidos, que han mostrado mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
Contexto
La tecnología de la cadena de bloques es una tecnología de contabilidad distribuida descentralizada que garantiza 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 asíncronos (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.
Modelo y definición
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y la latencia de la transmisión de mensajes está controlada por un adversario. Cada proceso tiene un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad e integridad de los mensajes.
Requisitos de consenso de la cadena de bloques
El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono
Aunque el protocolo VABA de 2-chain se consideraba el protocolo de consenso asíncrono más rápido, con una latencia esperada de 9.5δ, la investigación ha descubierto que este protocolo presenta múltiples vectores de ataque que comprometen su consenso y disponibilidad. Estos problemas incluyen ataques que aprovechan la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la disponibilidad mediante estrategias de aumento, así como ataques de consistencia derivados de la flexibilización de la definición de autenticación de líderes.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)
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 específicamente dos variantes:
2PAClean:
2PACBIG：
Ultra rápida línea de bloques
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en pipeline que reduce significativamente la latencia de los bloques en pipeline. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en pipeline es incluso menor que el de los bloques no en pipeline 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 fallidos.
Evaluación del rendimiento
A través del análisis teórico 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, siendo de 6δ en el mejor de los casos. 2PAClean ha reducido el retraso en el peor de los casos en 0.5δ manteniendo el mismo retraso en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean ha mejorado entre un 80% y un 100% en comparación con el sMVBA en cadena.
2PACBIG, como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. El diseño de bloques en tubería ultra rápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Resultados de evaluación
Las evaluaciones computacionales extensas muestran que 2PAClean y 2PACBIG ofrecen 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 mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG consigue una menor latencia a través de la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Direcciones futuras de investigación
Conclusión
Este estudio analiza detalladamente las ventajas y desventajas de los actuales protocolos de consenso de cadena de bloques asincrónicos, y propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y Bloque de canalización ultrarrápida. Estos nuevos diseños muestran ventajas significativas en el aumento del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando referencias importantes para el desarrollo futuro de la tecnología de cadena de bloques. A través de la investigación y optimización continuas, se espera que la tecnología de cadena de bloques desempeñe un papel aún más importante en la futura economía digital, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.