ブロックチェーンコンセンサスプロトコル研究：非同期BFTの最新の進展と応用

概要

この記事では、ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルの発展状況について探討し、非同期バイザンティン耐障害状態機械複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を重点的に分析しています。現在、sMVBAは最速の非同期MVBAプロトコルであり、期待遅延は10δです。また、記事では、スループットと遅延の面で大幅な改善をもたらす新しいプロトコル設計である2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックの2つを紹介しています。

バックグラウンド

ブロックチェーン技術は、分散型の非中央集権的な台帳技術であり、コンセンサス機構によりデータの完全性と一貫性が確保されます。コンセンサス機構はブロックチェーンシステムの核心であり、その性能は直接的にブロックチェーンのスケーラビリティとセキュリティに影響を与えます。非同期ビザンチン耐障害（BFT）コンセンサス機構は、ネットワーク遅延や一部のノードの障害に対処する上で独自の利点を持っているため、研究の重点となっています。

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モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1のプロセスで構成されており、その中でf個のプロセスが悪意を持って破壊される可能性があります。これらのプロセスは非同期チャネルを介して相互に通信し、メッセージの伝達遅延は対戦相手によって制御されます。各プロセスは署名と検証のための1対の公開鍵と秘密鍵を持ち、メッセージの真実性と完全性を確保します。

ブロックチェーンコンセンサス要求

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下の基本要件を満たす必要があります：

1. 活性：無限実行の中に、決定された無限に長いブロックチェーンが存在する。
2. 一貫性：もし二つの決定されたブロックチェーンが存在する場合、そのうちの一つはもう一つのプレフィックスでなければならない。
3. P品質：決定されたブロックチェーンにおいて、誠実なノードが入力した取引の割合は少なくともpである。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

2-chain VABAプロトコルは最も速い非同期コンセンサスプロトコルと見なされていましたが、予想遅延は9.5δであるものの、研究によりこのプロトコルには多様な攻撃手法が存在し、その一貫性と活性が損なわれることが明らかになりました。これらの問題には、チェック認証の欠如による攻撃、活性を妨害するための昇格戦略を利用した攻撃、そしてリーダーの認証定義を緩和することによる一貫性攻撃などが含まれます。

新しいプロトコル設計：2PAC（2段階非同期コンセンサス）

既存のプロトコルの分析に基づいて、研究者は2PACプロトコルを提案しました。このプロトコルは、コンセンサスプロセスを簡素化し最適化することで、性能を大幅に向上させました。具体的には、2つのバリエーションが含まれています：

1. 2PACleanの:

   • +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑度はO(n²)です。
   • 不要な相互作用や計算コストを排除することで、プロトコルの効率が向上しました。

2. 2パックビッグ:

   • 現在のメッセージの複雑度がO(n³)である最速のブロックチェーンコンセンサスプロトコルです。
   • 障害のない単一MVBAの実行時間は4δであり、遅延を大幅に削減しました。

超高速パイプラインブロック

研究者は新しいパイプラインブロック設計を提案し、パイプラインブロックの遅延を著しく減少させました。迅速なパス機構を導入することで、公平スケジューラの下で、パイプラインブロックの決定時間は非パイプラインブロックよりも短くなります。この機構は、すべての実行において迅速なパスの遅延を保証し、故障プロセスの動作に影響されません。

パフォーマンス評価

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanの最悪の場合の期待遅延は9.5δであり、良好な場合（障害なしでスケジューラが半公平な場合）では6δです。これに対し、sMVBAの期待遅延は10δで、良好な場合は6δです。2PACleanは、同じ良好な場合の遅延を維持しつつ、最悪の場合の遅延を0.5δ削減しました。さらに、2PACleanのスループットは、チェーン式sMVBAに比べて80%から100%向上しました。

2PACBIGは、メッセージの複雑度がO(n³)のプロトコルであり、その単一次MVBA実行時間は4δで、既存のすべてのプロトコルよりも速いです。超高速パイプラインブロック設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのパイプラインブロック決定時間を実現し、プロトコルの性能をさらに向上させました。

評価結果の計算

広範な計算評価により、2PACleanと2PACBIGはさまざまなネットワーク条件下で優れた性能を示しており、特に高遅延および高故障率の環境において顕著です。2PACleanはメッセージ伝達遅延と計算の複雑さとの間で良好なバランスを実現しており、2PACBIGは並列化と投票プロセスの最適化を通じて、より低い遅延を実現しています。

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今後の研究の方向性

1. プロトコルの最適化：プロトコル構造をさらに簡素化し、不要なメッセージの送信と計算のオーバーヘッドを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルのさまざまな攻撃シナリオにおけるセキュリティを深く分析し、実際のアプリケーションでの信頼性を確保します。
3. 実際の応用：新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、リアルなネットワーク環境での性能を検証する。

結論

本研究は、現在の非同期ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの利点と欠点を詳細に分析し、2PACと超高速パイプラインブロックという2つの新しいプロトコル設計を提案します。これらの新しい設計は、スループットを向上させ、遅延を減少させる点で顕著な利点を示しており、将来のブロックチェーン技術の発展に重要な参考を提供します。継続的な研究と最適化を通じて、ブロックチェーン技術は将来のデジタル経済においてより重要な役割を果たすことが期待されており、新世代のコンセンサスプロトコルがこの技術の発展に堅固な基盤を提供するでしょう。