Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso de Blockchain
A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído e descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo do sistema Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do Blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na resposta a latências de rede e falhas de nós, tornando-se, assim, um foco de pesquisa.
Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso de Blockchain, com foco na análise dos últimos avanços no protocolo de cópia de máquina de estado tolerante a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, mas devido a suas vulnerabilidades, sua latência esperada de 9.5δ não foi alcançada. Assim, o sMVBA tornou-se o protocolo MVBA assíncrono mais rápido atualmente, com uma latência esperada de 10δ. O relatório também apresenta dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos de pipeline ultrarrápidos, demonstrando melhorias significativas em termos de throughput e latência.
Modelo e Definição
No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos pelo adversário. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, e a latência da transmissão de mensagens é controlada pelo adversário. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.
Blockchain Consenso
O protocolo de consenso da Blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Especificamente, cada nó está constantemente recebendo novas transações e as empacotando em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam concordados por todos os nós honestos. O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:
Atividade (Liveness): na execução infinita, existe uma blockchain decidida de comprimento infinito.
Consistência: se existirem duas cadeias de blocos decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
P-Qualidade (P-Quality): na blockchain decidida, a proporção de transações inseridas por nós honestos é de pelo menos p.
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
O protocolo de consenso assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, cuja latência esperada é de 9.5δ. No entanto, este protocolo apresenta várias formas de ataque que comprometem sua consistência e atividade. Por exemplo, ataques resultantes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de melhoria para obstruir a atividade, e ataques de consistência resultantes da definição relaxada de autenticação de líder, entre outros. Embora o 2-chain VABA introduza alguns novos mecanismos, como a execução paralela de várias instâncias paralelas, ainda não conseguiu resolver completamente esses problemas.
Novo protocolo de design: 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. Especificamente, inclui duas variantes:
2PAClean：
Foi alcançada uma taxa de transferência superior a 90% e uma latência esperada de 9,5δ, com uma complexidade de mensagem de O(n²).
A eficiência do protocolo foi melhorada ao eliminar interações e sobrecargas de cálculo desnecessárias.
2PACBIG：
É o protocolo de consenso de Blockchain mais rápido, com uma complexidade de mensagem de O(n³).
O tempo de execução único do MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.
Super rápido pipeline Bloco
Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um agendador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline. Esse mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.
Resultados de Quantificação
Através da análise teórica e testes práticos, a 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior caso, enquanto no bom caso (sem falhas e com um escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, e no bom caso é de 6δ. Assim, a 2PAClean reduziu a latência do pior caso em 0.5δ, mantendo a mesma latência no bom caso. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean aumentou em 80% a 100% em relação ao sMVBA encadeado, principalmente devido ao novo design que evita descartes desnecessários de blocos e sobrecarga de computação.
2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução único de MVBA de 4δ, sendo mais rápido do que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline ultra-rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem, respetivamente, tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Avaliação de Cálculo
Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma avaliação computacional abrangente. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram um desempenho excecional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. Em particular, o 2PAClean conseguiu um bom equilíbrio entre a latência de transmissão de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG alcançou uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.
Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e na melhoria do desempenho. O design do 2PAC e dos blocos de pipeline super rápidos demonstram a direção do desenvolvimento futuro dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançando maior throughput e menor latência.
Direções futuras de pesquisa
A pesquisa futura pode explorar ainda mais as seguintes direções:
Protocolo otimizado: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a comunicação e os custos de computação desnecessários.
Análise de segurança: análise aprofundada da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo sua confiabilidade em aplicações práticas.
Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, verificando o seu desempenho em ambientes de rede reais.
Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain e propõe dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC e Bloco de pipeline ultrarrápido. Os novos designs demonstram vantagens significativas em termos de aumento da taxa de transferência e redução da latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Esses novos protocolos não apenas provaram sua superioridade em teoria, mas também mostraram desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso de Blockchain eficientes e seguros.
Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia Blockchain desempenhará um papel ainda mais importante na economia digital do futuro, e a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.
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GateUser-2fce706c
· 07-15 11:33
Já disse que esta é a maior oportunidade de 2023. Entrar numa posição, o que está à espera?
Nova quebra de paradigma no consenso BFT assíncrono: o protocolo 2PAC alcança uma maior taxa de transferência e uma latência mais baixa.
Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso de Blockchain
A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído e descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados através de mecanismos de consenso. O mecanismo de consenso é o núcleo do sistema Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança do Blockchain. O mecanismo de consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na resposta a latências de rede e falhas de nós, tornando-se, assim, um foco de pesquisa.
Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso de Blockchain, com foco na análise dos últimos avanços no protocolo de cópia de máquina de estado tolerante a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, mas devido a suas vulnerabilidades, sua latência esperada de 9.5δ não foi alcançada. Assim, o sMVBA tornou-se o protocolo MVBA assíncrono mais rápido atualmente, com uma latência esperada de 10δ. O relatório também apresenta dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos de pipeline ultrarrápidos, demonstrando melhorias significativas em termos de throughput e latência.
Modelo e Definição
No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos pelo adversário. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, e a latência da transmissão de mensagens é controlada pelo adversário. Cada processo possui um par de chaves pública e privada para assinatura e verificação, garantindo a autenticidade e integridade das mensagens.
Blockchain Consenso
O protocolo de consenso da Blockchain visa fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Especificamente, cada nó está constantemente recebendo novas transações e as empacotando em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam concordados por todos os nós honestos. O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
O protocolo de consenso assíncrono mais rápido atualmente é o 2-chain VABA, cuja latência esperada é de 9.5δ. No entanto, este protocolo apresenta várias formas de ataque que comprometem sua consistência e atividade. Por exemplo, ataques resultantes da falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de melhoria para obstruir a atividade, e ataques de consistência resultantes da definição relaxada de autenticação de líder, entre outros. Embora o 2-chain VABA introduza alguns novos mecanismos, como a execução paralela de várias instâncias paralelas, ainda não conseguiu resolver completamente esses problemas.
Novo protocolo de design: 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. Especificamente, inclui duas variantes:
2PAClean：
2PACBIG：
Super rápido pipeline Bloco
Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, sob um agendador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline. Esse mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.
Resultados de Quantificação
Através da análise teórica e testes práticos, a 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior caso, enquanto no bom caso (sem falhas e com um escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, e no bom caso é de 6δ. Assim, a 2PAClean reduziu a latência do pior caso em 0.5δ, mantendo a mesma latência no bom caso. Além disso, a taxa de transferência da 2PAClean aumentou em 80% a 100% em relação ao sMVBA encadeado, principalmente devido ao novo design que evita descartes desnecessários de blocos e sobrecarga de computação.
2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução único de MVBA de 4δ, sendo mais rápido do que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de bloco em pipeline ultra-rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem, respetivamente, tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Avaliação de Cálculo
Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma avaliação computacional abrangente. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram um desempenho excecional em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. Em particular, o 2PAClean conseguiu um bom equilíbrio entre a latência de transmissão de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG alcançou uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.
Com o contínuo desenvolvimento da tecnologia Blockchain, o protocolo de consenso BFT assíncrono desempenhará um papel cada vez mais importante na garantia da segurança e na melhoria do desempenho. O design do 2PAC e dos blocos de pipeline super rápidos demonstram a direção do desenvolvimento futuro dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançando maior throughput e menor latência.
Direções futuras de pesquisa
A pesquisa futura pode explorar ainda mais as seguintes direções:
Este relatório analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain e propõe dois novos designs de protocolo, nomeadamente 2PAC e Bloco de pipeline ultrarrápido. Os novos designs demonstram vantagens significativas em termos de aumento da taxa de transferência e redução da latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Esses novos protocolos não apenas provaram sua superioridade em teoria, mas também mostraram desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a realização de protocolos de consenso de Blockchain eficientes e seguros.
Através de pesquisa e otimização contínuas, a tecnologia Blockchain desempenhará um papel ainda mais importante na economia digital do futuro, e a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.