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

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現状を深く探討し、非同期バイザンティンフォールトトレラント状態機械複製（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は最も早い非同期MVBAプロトコルとなり、予想遅延は10δです。報告書では、2つの新しいプロトコル設計、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が提案され、スループットと遅延の面で著しい改善が達成されました。

ブロックチェーン技術は、分散型の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。非同期ビザンチンフォールトトレランス（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障害に対処する上で独自の利点を持ち、研究の重点となっています。

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1個のプロセスで構成されており、そのうちf個のプロセスは敵によって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敵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公開鍵と秘密鍵のペアを持ち、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に達することを目的としています。具体的には、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一致す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、活性、一貫性、及びP品質などの基本要件を満たす必要があります。

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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および最適化することによって、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：2PACleanと2PACBIG。2PACleanは、+90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑さはO(n²)です。2PACBIGは、現在メッセージの複雑さが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あり、障害のない単一MVBAの実行時間は4δです。

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。迅速なパスメカニズムを導入することで、公平なスケジューラの下で、パイプラインブロックの意思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。このメカニズムは、すべての実行において迅速なパスの遅延を保証し、障害プロセスの動作に影響されません。

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanは最悪の場合の期待遅延が9.5δであり、良好な場合（故障なしかつスケジューラが半公平）の遅延が6δであることがわかりました。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δで、良好な場合は6δです。2PACleanのスループットは、チェーン型sMVBAと比較して80%から100%向上しています。メッセージの複雑さがO(n³)のプロトコルである2PACBIGの単一MVBA実行時間は4δであり、既存のすべてのプロトコルよりも速いです。

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。その結果、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、特に高遅延および高故障率の環境で顕著でした。2PACleanはメッセージ遅延と計算複雑度の間で良好なバランスを実現し、2PACBIGは投票プロセスの並列化と最適化を通じて、より低い遅延を実現しました。

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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を保障し、パフォーマンスを向上させる上で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、将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います。つまり、プロトコル構造を簡素化し、コンセンサスプロセスを最適化することで、より高いスループットとより低い遅延を実現することです。

未来の研究は、プロトコルの最適化、安全性分析、実際の応用などの方向をさらに探求することができます。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未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になり、新しい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します。