Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques
La tecnología de la cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido y descentralizado, asegura la integridad y la consistencia de los datos a través de un mecanismo de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema de cadena de bloques, y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y la seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT) tiene ventajas únicas para enfrentar la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Este informe explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de cadena de bloques, analizando en profundidad los últimos avances en el protocolo de replicación de máquinas de estados tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). El protocolo asíncrono más rápido actual es el 2-chain VABA, pero debido a sus vulnerabilidades, no se ha logrado su retraso esperado de 9.5δ. Por lo tanto, el sMVBA se convierte en el protocolo MVBA asíncrono más rápido en este momento, con un retraso esperado de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tuberías ultrarrápidas, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
Modelos y definiciones
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos por un oponente. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y la latencia en la entrega de mensajes es controlada por el oponente. Cada proceso posee un par de claves públicas y privadas para firmar y verificar, asegurando la autenticidad e integridad de los mensajes.
Cadena de bloques Consenso
El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo hacer que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. Específicamente, cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Actividad (Liveness): En una ejecución infinita, existe una cadena de bloques decidida de longitud infinita.
Consistencia: Si existen dos cadenas de bloques decididas, una de ellas debe ser un prefijo de la otra.
P calidad (P-Quality): En la cadena de bloques ya decidida, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos debe ser al menos p.
Desafíos del protocolo de consenso asíncrono actual
El protocolo de consenso asíncrono más rápido actualmente es el 2-chain VABA, cuyo retraso esperado es de 9.5δ. Sin embargo, este protocolo presenta múltiples tipos de ataques que comprometen su consistencia y actividad. Por ejemplo, ataques que aprovechan la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la actividad utilizando estrategias de mejora, y ataques de consistencia que resultan de la relajación de la definición de autenticación del líder, entre otros. A pesar de que el 2-chain VABA introduce algunos mecanismos nuevos, como la ejecución paralela de múltiples instancias paralelas, aún no ha logrado resolver completamente estos problemas.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)
Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Incluye específicamente dos variantes:
2PAClean:
Se logró un rendimiento de +90% y una latencia esperada de 9.5δ, con una complejidad de mensajes de O(n²).
Se mejoró la eficiencia del protocolo al eliminar interacciones y costos de cálculo innecesarios.
2PACBIG：
Es el protocolo de consenso de cadena de bloques más rápido con una complejidad de mensajes de O(n³).
El tiempo de ejecución de un solo MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce significativamente la latencia.
Super rápida cadena de bloques
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en tubería que reduce significativamente la latencia de los bloques en tubería. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en tubería es incluso menor que el de los bloques no en tubería bajo un planificador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de los procesos con fallos.
Resultados cuantitativos
A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, la latencia esperada de 2PAClean en el peor de los casos es de 9.5δ, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) es de 6δ. En comparación, la latencia esperada de sMVBA es de 10δ, siendo de 6δ en el mejor de los casos. Por lo tanto, 2PAClean ha reducido la latencia en el peor de los casos en 0.5δ, manteniendo la misma latencia en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean se ha incrementado entre un 80% y un 100% en comparación con la cadena sMVBA, lo que se debe principalmente a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y los gastos de cálculo.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), su tiempo de ejecución de MVBA por única vez es de 4δ, más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tuberías ultrarrápidas permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloque en tuberías de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculo
Para validar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG demostraron un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. En concreto, 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una menor latencia mediante la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Con el continuo desarrollo de la tecnología de la cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y la mejora del rendimiento. El diseño de 2PAC y de bloques de tubería ultra rápida muestra la dirección de desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques en el futuro, es decir, lograr un mayor rendimiento y una menor latencia a través de la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Direcciones de investigación futuras
Las investigaciones futuras pueden explorar aún más las siguientes direcciones:
Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la transmisión de mensajes innecesarios y el costo de cálculo.
Análisis de seguridad: analizar en profundidad la seguridad del nuevo protocolo en varios escenarios de ataque, asegurando su fiabilidad en aplicaciones prácticas.
Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo en sistemas de cadena de bloques reales, verificando su rendimiento en un entorno de red real.
Este informe analiza detalladamente las ventajas y desventajas de los actuales protocolos de consenso asíncrono de la cadena de bloques, y propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y Bloque de tubería ultrarrápido. Los nuevos diseños muestran ventajas significativas en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología de cadena de bloques. Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad teóricamente, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr protocolos de consenso de cadena de bloques eficientes y seguros.
A través de la investigación y optimización continuas, la tecnología de la cadena de bloques desempeñará un papel cada vez más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.
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Nuevo avance en el consenso BFT asíncrono: el protocolo 2PAC logra mayor rendimiento y menor latencia
Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques
La tecnología de la cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido y descentralizado, asegura la integridad y la consistencia de los datos a través de un mecanismo de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo del sistema de cadena de bloques, y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y la seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT) tiene ventajas únicas para enfrentar la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Este informe explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de cadena de bloques, analizando en profundidad los últimos avances en el protocolo de replicación de máquinas de estados tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). El protocolo asíncrono más rápido actual es el 2-chain VABA, pero debido a sus vulnerabilidades, no se ha logrado su retraso esperado de 9.5δ. Por lo tanto, el sMVBA se convierte en el protocolo MVBA asíncrono más rápido en este momento, con un retraso esperado de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tuberías ultrarrápidas, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
Modelos y definiciones
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos por un oponente. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y la latencia en la entrega de mensajes es controlada por el oponente. Cada proceso posee un par de claves públicas y privadas para firmar y verificar, asegurando la autenticidad e integridad de los mensajes.
Cadena de bloques Consenso
El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo hacer que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. Específicamente, cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Desafíos del protocolo de consenso asíncrono actual
El protocolo de consenso asíncrono más rápido actualmente es el 2-chain VABA, cuyo retraso esperado es de 9.5δ. Sin embargo, este protocolo presenta múltiples tipos de ataques que comprometen su consistencia y actividad. Por ejemplo, ataques que aprovechan la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la actividad utilizando estrategias de mejora, y ataques de consistencia que resultan de la relajación de la definición de autenticación del líder, entre otros. A pesar de que el 2-chain VABA introduce algunos mecanismos nuevos, como la ejecución paralela de múltiples instancias paralelas, aún no ha logrado resolver completamente estos problemas.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 fases)
Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Incluye específicamente dos variantes:
2PAClean:
2PACBIG：
Super rápida cadena de bloques
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en tubería que reduce significativamente la latencia de los bloques en tubería. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en tubería es incluso menor que el de los bloques no en tubería bajo un planificador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de los procesos con fallos.
Resultados cuantitativos
A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, la latencia esperada de 2PAClean en el peor de los casos es de 9.5δ, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) es de 6δ. En comparación, la latencia esperada de sMVBA es de 10δ, siendo de 6δ en el mejor de los casos. Por lo tanto, 2PAClean ha reducido la latencia en el peor de los casos en 0.5δ, manteniendo la misma latencia en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean se ha incrementado entre un 80% y un 100% en comparación con la cadena sMVBA, lo que se debe principalmente a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y los gastos de cálculo.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), su tiempo de ejecución de MVBA por única vez es de 4δ, más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tuberías ultrarrápidas permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloque en tuberías de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculo
Para validar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG demostraron un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. En concreto, 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una menor latencia mediante la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Con el continuo desarrollo de la tecnología de la cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y la mejora del rendimiento. El diseño de 2PAC y de bloques de tubería ultra rápida muestra la dirección de desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques en el futuro, es decir, lograr un mayor rendimiento y una menor latencia a través de la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Direcciones de investigación futuras
Las investigaciones futuras pueden explorar aún más las siguientes direcciones:
Este informe analiza detalladamente las ventajas y desventajas de los actuales protocolos de consenso asíncrono de la cadena de bloques, y propone dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y Bloque de tubería ultrarrápido. Los nuevos diseños muestran ventajas significativas en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología de cadena de bloques. Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad teóricamente, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr protocolos de consenso de cadena de bloques eficientes y seguros.
A través de la investigación y optimización continuas, la tecnología de la cadena de bloques desempeñará un papel cada vez más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.