Останні досягнення та застосування протоколу консенсусу Блокчейн

Цей звіт глибоко досліджує сучасний стан розвитку протоколів консенсусу Блокчейн, зокрема аналізуючи останні досягнення протоколу асинхронного байєзантинського толерантного до збоїв (BFT SMR). Наразі sMVBA став найшвидшим асинхронним MVBA протоколом з очікуваною затримкою 10δ. У звіті також запропоновано два нові проекти протоколів: 2PAC (протокол асинхронного консенсусу з 2 етапами) і надшвидка конвеєрна Блок, які досягли значних покращень у пропускній здатності та затримці.

Технологія Блокчейн як децентралізована розподілена технологія облікових записів забезпечує цілісність і узгодженість даних через механізм Консенсусу. Механізм Консенсусу є ядром системи Блокчейн, його продуктивність безпосередньо впливає на масштабованість і безпеку Блокчейн. Асинхронний байєпартійний механізм (BFT) Консенсусу має унікальні переваги в подоланні затримок у мережі та часткових відмов вузлів, тому він став предметом досліджень.

У моделі асинхронного BFT система складається з n = 3f + 1 процесів, де f процесів можуть бути навмисно зламані супротивником. Ці процеси спілкуються між собою через асинхронні канали, затримка передачі повідомлень контролюється супротивником. Кожен процес має пару відкритого та закритого ключів для підпису та перевірки, що забезпечує автентичність та цілісність повідомлень.

Протокол консенсусу Блокчейн має на меті забезпечити досягнення згоди між усіма чесними вузлами щодо стану Блокчейн. Конкретно, кожен вузол постійно отримує нові транзакції та упаковує їх у Блоки, забезпечуючи через протокол консенсусу досягнення згоди щодо цих Блоків на всіх чесних вузлах. Протокол консенсусу Блокчейн повинен відповідати основним вимогам активності, узгодженості та якості P.

На основі аналізу існуючих протоколів, дослідники запропонували протокол 2PAC. Цей протокол значно підвищує продуктивність шляхом спрощення та оптимізації процесу консенсусу. Конкретно, є два варіанти: 2PAClean та 2PACBIG. 2PAClean забезпечує +90% пропускної спроможності та очікувану затримку 9.5δ, складність повідомлення становить O(n²). 2PACBIG є найшвидшим протоколом консенсусу блокчейн з нинішньою складністю повідомлення O(n³), часом однієї безвідмовної роботи MVBA 4δ.

Дослідники також запропонували новий дизайн конвеєрного Блоку, який значно зменшує затримки конвеєрного Блоку. Завдяки впровадженню механізму швидкого шляху, під час справедливого планування, час прийняття рішень конвеєрного Блоку навіть менший, ніж у не конвеєрного Блоку. Цей механізм гарантує затримку швидкого шляху в усіх виконаннях і не підлягає впливу поведінки зламаних процесів.

Через теоретичний аналіз і практичні випробування, 2PAClean в найгіршому випадку має очікувану затримку 9.5δ, а в хорошому випадку (без збоїв і напівсправедливий планувальник) – 6δ. У порівнянні з цим, очікувана затримка sMVBA становить 10δ, а в хорошому випадку – 6δ. Пропускна здатність 2PAClean в порівнянні з ланцюговим sMVBA зросла на 80% до 100%. 2PACBIG, як протокол з складністю повідомлень O(n³), має час виконання однієї MVBA 4δ, що швидше за всі існуючі протоколи.

Для перевірки продуктивності нового протоколу дослідники провели широкі обчислювальні оцінки. Результати показали, що 2PAClean і 2PACBIG демонструють відмінну продуктивність в різних умовах мережі, особливо в умовах високої затримки та високої частоти відмов. 2PAClean досягає хорошого балансу між затримкою повідомлень і обчислювальною складністю, тоді як 2PACBIG досягає нижчої затримки завдяки паралелізації та оптимізації процесу голосування.

З розвитком технологій Блокчейн, асинхронний протокол консенсусу BFT відіграватиме все важливішу роль у забезпеченні безпеки та підвищенні продуктивності. Дизайн 2PAC та надшвидкої конвеєрної Блоки демонструє напрямок розвитку майбутніх протоколів консенсусу Блокчейн, а саме шляхом спрощення структури протоколу та оптимізації процесу консенсусу, для досягнення більшої пропускної здатності та нижчої затримки.

Майбутні дослідження можуть далі вивчати такі напрями, як оптимізація протоколу, аналіз безпеки та практичні застосування. Завдяки постійним дослідженням і оптимізації, блокчейн-технології відіграватимуть дедалі важливішу роль у майбутній цифровій економіці, а нове покоління консенсус-протоколів надасть міцну основу для розвитку цієї технології.