ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進展と応用

ブロックチェーン技術は去中心化された分散型台帳技術として、コンセンサス機構を通じてデータの完全性と一貫性を確保します。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直接影響を与えます。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部分的なノードの障害に対処する上で独特の利点を持っているため、研究の重点となっています。

本報告はブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展状況を探討し、非同期バイザンティン耐障害状態機複製（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。現在最も速い非同期プロトコルは2-chain VABAで、期待遅延は9.5δです。しかし、脆弱性が存在するため、このプロトコルはその期待性能を達成できませんでした。したがって、sMVBAが現在最も速い非同期MVBAプロトコルとなり、期待遅延は10δです。報告書では、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という2つの新しいプロトコル設計も提案されており、スループットと遅延に関して顕著な改善を示しています。

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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、その中の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制御できません。各プロセスは署名と検証のために公私鍵のペアを持っており、メッセージの真実性と完全性を保証します。

ブロックチェーンコンセンサス

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、すべての誠実なノードがブロックチェーンの状態で合意することを目的としています。各ノードは新しい取引を継続的に受信し、それをブロックにパッケージ化し、コンセンサスプロトコルを通じてこれらのブロックがすべての誠実なノードで合意されることを保証します。ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下のいくつかの基本的な要件を満たす必要があります：

1. 活性：無限実行の中に、決定された無限長のブロックチェーンが存在する。
2. 一貫性：もし決定されたブロックチェーンが2つ存在するなら、そのうちの1つはもう1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、予想される遅延が9.5δであるにもかかわらず、一貫性と活性を損なうさまざまな攻撃方法が存在します。たとえば、チェック認証の欠如による攻撃、活性を阻害するために昇格戦略を利用する攻撃、リーダー認証定義の緩和による一貫性攻撃などです。このプロトコルはいくつかの新しいメカニズム、たとえば多数の並行インスタンスの並行実行を導入していますが、これらの問題を完全には解決できていません。

新プロトコル設計：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、パフォーマンス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、メッセージの複雑性はO(n²)です。
   • 不要なインタラクションと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はO(n³)の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、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大幅に削減しました。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で迅速なパスの遅延を保証し、故障したプロセスの動作の影響を受けません。

結果を定量化する

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。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δで、良好な場合は6δです。したがって、2PACleanは同じ良好な状況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%向上しており、これは新しい設計で不必要なブロックの廃棄と計算オーバーヘッドを回避したことによるものです。

2PACBIGは、メッセージの複雑さがO(n³)のプロトコルとして、単回のMVBA実行時間が4δであり、既存のすべてのプロトコルよりも速くなっています。さらに、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。

評価を計算する

新しいプロトコルの性能を検証するために、研究者たちは広範な計算評価を行いました。結果は、2PACleanと2PACBIGがさまざまなネットワーク条件下で優れた性能を示し、特に高遅延および高障害率の環境でのパフォーマンスが顕著であることを示しています。具体的には、2PACleanはメッセージ伝達遅延と計算複雑度の間で良好なバランスを実現し、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ました。

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今後の研究の方向性

1. プロトコルの最適化：プロトコルの構造をさらに簡素化および最適化し、不必要なメッセージ伝達や計算コストを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルが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する。
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パフォーマンスを検証します。

ブロックチェーン技術の不断の発展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは、安全性の確保とパフォーマンスの向上においてますます重要な役割を果たすでしょう。2PACと超高速パイプラインブロックの設計は、未来のブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展方向を示しており、プロトコル構造の簡素化とコンセンサスプロセスの最適化を通じて、より高いスループットとより低い遅延を実現します。

これらの新しいプロトコルは、理論的にその優位性を証明するだけでなく、実際のテストでも卓越した性能を示しており、高効率で安全なブロックチェーンコンセンサスプロトコルの実現に新しいアイデアを提供しています。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今後のデジタル経済においてより重要な役割を果たし、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実な基盤を提供するでしょう。