區塊鏈共識協議研究：異步BFT的最新進展與應用

概述

本文探討了區塊鏈共識協議的發展現狀，重點分析了異步拜佔庭容錯狀態機復制（BFT SMR）協議的最新進展。目前，sMVBA是最快的異步MVBA協議，預期延遲爲10δ。文章還介紹了兩種新的協議設計：2PAC（2階段異步共識）和超快速流水線區塊，這些設計在吞吐量和延遲方面都有顯著改進。

背景

區塊鏈技術是一種去中心化的分布式帳本技術，通過共識機制確保數據的完整性和一致性。共識機制是區塊鏈系統的核心，其性能直接影響區塊鏈的可擴展性和安全性。異步拜佔庭容錯（BFT）共識機制在應對網路延遲和部分節點失效方面具有獨特優勢，因此成爲研究重點。

模型與定義

在異步BFT模型中，系統由n = 3f + 1個進程組成，其中f個進程可能被惡意破壞。這些進程通過異步通道相互通信，消息的傳遞延遲由對手控制。每個進程擁有一對公私鑰用於籤名和驗證，確保消息的真實性和完整性。

區塊鏈共識要求

區塊鏈共識協議需要滿足以下基本要求：

1. 活性：在無限執行中，存在一條無限長的已決定區塊鏈。
2. 一致性：如果存在兩條已決定區塊鏈，則其中一條必須是另一條的前綴。
3. P質量：在已決定區塊鏈中，由誠實節點輸入的交易佔比至少爲p。

當前異步共識協議的挑戰

雖然2-chain VABA協議曾被認爲是最快的異步共識協議，預期延遲爲9.5δ，但研究發現該協議存在多種攻擊方式，破壞了其一致性和活性。這些問題包括缺乏檢查認證導致的攻擊，利用提升策略阻礙活性的攻擊，以及放寬領導者認證定義導致的一致性攻擊等。

新協議設計：2PAC（2階段異步共識）

基於對現有協議的分析，研究者提出了2PAC協議。該協議通過簡化和優化共識過程，顯著提高了性能。具體包括兩個變種：

1. 2PAClean：

   • 實現了+90%的吞吐量和9.5δ的預期延遲，消息復雜度爲O(n²)。
   • 通過消除不必要的交互和計算開銷，提高了協議的效率。

2. 2PACBIG：

   • 是目前消息復雜度爲O(n³)的最快區塊鏈共識協議。
   • 無故障的單次MVBA運行時間爲4δ，極大地降低了延遲。

超快速流水線區塊

研究者提出了一種新的流水線區塊設計，顯著減少了流水線區塊的延遲。通過引入快速路徑機制，在公平調度器下，流水線區塊的決策時間甚至比非流水線區塊還要小。該機制在所有執行中都能保證快速路徑的延遲，並且不受故障進程的行爲影響。

性能評估

通過理論分析和實際測試，2PAClean在最壞情況下的預期延遲爲9.5δ，而在良好情況下（無故障且調度器半公平）則爲6δ。相比之下，sMVBA的預期延遲爲10δ，良好情況下爲6δ。2PAClean在保持相同良好情況延遲的前提下，將最壞情況延遲減少了0.5δ。此外，2PAClean的吞吐量相比鏈式sMVBA提高了80%至100%。

2PACBIG作爲消息復雜度爲O(n³)的協議，其單次MVBA運行時間爲4δ，比現有的所有協議都更快。超快速流水線區塊設計使得s2PAClean和s2PACBIG分別實現了4δ和3δ的流水線區塊決策時間，進一步提升了協議的性能。

計算評估結果

廣泛的計算評估顯示，2PAClean和2PACBIG在各種網路條件下都表現出優異的性能，特別是在高延遲和高故障率的環境中。2PAClean在消息傳遞延遲和計算復雜度之間實現了良好的平衡，而2PACBIG則通過並行化和優化投票過程，實現了更低的延遲。

未來研究方向

1. 協議優化：進一步簡化和優化協議結構，減少不必要的消息傳遞和計算開銷。
2. 安全性分析：深入分析新協議在各種攻擊場景下的安全性，確保其在實際應用中的可靠性。
3. 實際應用：將新協議應用於實際的區塊鏈系統中，驗證其在真實網路環境中的性能。

結論

本研究詳細分析了當前異步區塊鏈共識協議的優缺點，並提出了兩種新的協議設計，即2PAC和超快速流水線區塊。這些新設計在提高吞吐量和減少延遲方面表現出顯著優勢，爲未來的區塊鏈技術發展提供了重要參考。通過不斷的研究和優化，區塊鏈技術有望在未來的數字經濟中發揮更加重要的作用，而新一代的共識協議將爲這一技術的發展提供堅實的基礎。