Estudo do protocolo de consenso Blockchain: últimos avanços e aplicações do BFT assíncrono
Resumo
Este artigo explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso de blockchain, com foco na análise dos últimos avanços no protocolo de replicação de máquina de estado tolerante a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). Atualmente, o sMVBA é o protocolo MVBA assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O artigo também apresenta dois novos designs de protocolo: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos de pipeline ultra-rápidos, que apresentam melhorias significativas em termos de throughput e latência.
Contexto
A tecnologia Blockchain é um tipo de tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, que garante a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo do sistema de Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança da Blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) tem vantagens únicas na resposta a atrasos de rede e falhas de nós parciais, tornando-se, assim, um foco de pesquisa.
Modelo e Definições
No modelo BFT assíncrono, o sistema consiste em n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos. 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.
Requisitos de Consenso da Blockchain
O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:
Atividade: Em uma execução infinita, existe uma blockchain decidida de comprimento infinito.
Consistência: se existirem duas blockchains decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
Qualidade P: No blockchain já decidido, a proporção de transações inseridas por nós honestos deve ser de pelo menos p.
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
Embora o protocolo VABA de 2-chain tenha sido considerado o protocolo de consenso assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 9.5δ, estudos descobriram que o protocolo apresenta várias formas de ataque, comprometendo sua consistência e vitalidade. Esses problemas incluem ataques resultantes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de elevação para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência devido à definição relaxada da autenticação do líder.
Novo design de protocolo: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases)
Com base 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. Isso inclui duas variantes específicas:
2PAClean：
Alcançou +90% de capacidade e uma latência esperada de 9.5δ, com complexidade de mensagem O(n²).
A eficiência do protocolo foi melhorada ao eliminar interações e custos computacionais desnecessários.
2PACBIG：
É o protocolo de consenso de blockchain mais rápido, com complexidade de mensagem de O(n³).
O tempo de execução de uma única MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.
Ultra Rápida Linha de Blocos
Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline que reduz significativamente a latência do bloco em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um escalonador justo, o tempo de decisão do bloco 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.
Avaliação de desempenho
Através de análise teórica e testes práticos, a 2PAClean tem um atraso esperado de 9.5δ no pior caso, enquanto no bom caso (sem falhas e o escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, o atraso esperado do sMVBA é de 10δ, e no bom caso é de 6δ. A 2PAClean reduziu o atraso do pior caso em 0.5δ, mantendo o mesmo atraso do bom caso. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean aumentou de 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia.
2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução MVBA de 4δ, sendo mais rápido que todos os protocolos existentes. O design de bloco em pipeline ultrarrápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Cálculo dos Resultados da Avaliação
Avaliações computacionais abrangentes mostram que 2PAClean e 2PACBIG apresentam desempenho excepcional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. 2PAClean alcança um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto 2PACBIG, por meio da paralelização e otimização do processo de votação, alcança uma latência mais baixa.
Direções de pesquisa futuras
Protocolo de otimização: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a troca desnecessária de mensagens e o custo computacional.
Análise de segurança: análise aprofundada da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo a sua fiabilidade na aplicação prática.
Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando seu desempenho em ambientes de rede reais.
Conclusão
Este estudo analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain, e propõe dois novos designs de protocolo, a saber, 2PAC e Bloco de Pipeline Super Rápido. Esses novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria da taxa de transferência e na redução da latência, proporcionando uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Através de pesquisa e otimização contínuas, espera-se que a tecnologia Blockchain desempenhe um papel ainda mais importante na futura economia digital, enquanto os novos protocolos de consenso fornecerão uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.
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Novo protocolo BFT assíncrono 2PAC: salto de desempenho do consenso Blockchain
Estudo do protocolo de consenso Blockchain: últimos avanços e aplicações do BFT assíncrono
Resumo
Este artigo explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso de blockchain, com foco na análise dos últimos avanços no protocolo de replicação de máquina de estado tolerante a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). Atualmente, o sMVBA é o protocolo MVBA assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O artigo também apresenta dois novos designs de protocolo: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos de pipeline ultra-rápidos, que apresentam melhorias significativas em termos de throughput e latência.
Contexto
A tecnologia Blockchain é um tipo de tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, que garante a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo do sistema de Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança da Blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) tem vantagens únicas na resposta a atrasos de rede e falhas de nós parciais, tornando-se, assim, um foco de pesquisa.
Modelo e Definições
No modelo BFT assíncrono, o sistema consiste em n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos. 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.
Requisitos de Consenso da Blockchain
O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
Embora o protocolo VABA de 2-chain tenha sido considerado o protocolo de consenso assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 9.5δ, estudos descobriram que o protocolo apresenta várias formas de ataque, comprometendo sua consistência e vitalidade. Esses problemas incluem ataques resultantes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de elevação para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência devido à definição relaxada da autenticação do líder.
Novo design de protocolo: 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases)
Com base 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. Isso inclui duas variantes específicas:
2PAClean：
2PACBIG：
Ultra Rápida Linha de Blocos
Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline que reduz significativamente a latência do bloco em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um escalonador justo, o tempo de decisão do bloco 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.
Avaliação de desempenho
Através de análise teórica e testes práticos, a 2PAClean tem um atraso esperado de 9.5δ no pior caso, enquanto no bom caso (sem falhas e o escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, o atraso esperado do sMVBA é de 10δ, e no bom caso é de 6δ. A 2PAClean reduziu o atraso do pior caso em 0.5δ, mantendo o mesmo atraso do bom caso. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean aumentou de 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia.
2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução MVBA de 4δ, sendo mais rápido que todos os protocolos existentes. O design de bloco em pipeline ultrarrápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Cálculo dos Resultados da Avaliação
Avaliações computacionais abrangentes mostram que 2PAClean e 2PACBIG apresentam desempenho excepcional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. 2PAClean alcança um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto 2PACBIG, por meio da paralelização e otimização do processo de votação, alcança uma latência mais baixa.
Direções de pesquisa futuras
Conclusão
Este estudo analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain, e propõe dois novos designs de protocolo, a saber, 2PAC e Bloco de Pipeline Super Rápido. Esses novos designs demonstram vantagens significativas na melhoria da taxa de transferência e na redução da latência, proporcionando uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Através de pesquisa e otimização contínuas, espera-se que a tecnologia Blockchain desempenhe um papel ainda mais importante na futura economia digital, enquanto os novos protocolos de consenso fornecerão uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.