Последние достижения и применения протокола соглашения Блокчейн

Блокчейн технология, как децентрализованная распределенная бухгалтерская система, обеспечивает целостность и согласованность данных через механизм соглашения. Механизм соглашения является ядром блокчейн системы, его производительность напрямую влияет на масштабируемость и безопасность блокчейна. Асинхронный византийский отказоустойчивый (BFT) механизм соглашения имеет уникальные преимущества в борьбе с сетевыми задержками и частичными сбоями узлов, поэтому стал предметом активных исследований.

Данный отчет исследует текущее состояние развития протоколов согласия Блокчейн, с особым акцентом на последние достижения протокола асинхронного византийского устойчивого состояния машины репликации (BFT SMR). На данный момент самым быстрым асинхронным протоколом является 2-chain VABA, однако из-за наличия уязвимостей его ожидаемая задержка в 9.5δ не была достигнута. Поэтому sMVBA стал самым быстрым асинхронным протоколом MVBA с ожидаемой задержкой 10δ. В отчете также представлены два новых проектирования протоколов, а именно 2PAC (асинхронное согласие в 2 этапа) и супербыстрая конвейерная блокировка, демонстрируя значительные улучшения в пропускной способности и задержке.

Модель и определение

В асинхронной BFT модели система состоит из n = 3f + 1 процессов, где f процессов могут быть намеренно разрушены противником. Эти процессы обмениваются сообщениями через асинхронные каналы, задержка передачи сообщений контролируется противником. Каждый процесс имеет пару открытых и закрытых ключей для подписи и верификации, что обеспечивает подлинность и целостность сообщений.

Блокчейн Соглашение

Протокол соглашения Блокчейна предназначен для того, чтобы все честные узлы достигли согласия по состоянию Блокчейна. Конкретно, каждый узел постоянно принимает новые транзакции и упаковывает их в блоки, обеспечивая согласие этих блоков на всех честных узлах через протокол соглашения. Протокол соглашения Блокчейна должен удовлетворять следующим основным требованиям:

• Активность (Liveness): в бесконечном исполнении существует бесконечно длинная решенная Блокчейн.
• Согласованность (Consistency): если существуют две определенные блокчейны, то одна из них должна быть префиксом другой.
• P-качество (P-Quality): в уже определенном блокчейне доля транзакций, вводимых честными узлами, составляет не менее p.

Текущие проблемы асинхронного соглашения

В настоящее время самым быстрым асинхронным протоколом согласования является 2-chain VABA, его ожидаемая задержка составляет 9.5δ. Однако, у этого протокола есть несколько способов атак, которые подрывают его согласованность и активность. Например, атаки, вызванные отсутствием проверки аутентификации, атаки, использующие стратегии повышения для препятствования активности, а также атаки на согласованность, вызванные ослаблением определения аутентификации лидера и т.д. Несмотря на то, что 2-chain VABA вводит некоторые новые механизмы, такие как параллельная работа нескольких экземпляров, он все еще не решает полностью эти проблемы.

Новый дизайн протокола: 2PAC (2-фазное асинхронное соглашение)

На основе анализа существующего Протокола, исследователи предложили 2PAC Протокол. Этот Протокол значительно улучшает производительность, упрощая и оптимизируя процесс Соглашения. В частности, он включает два варианта:

1. 2PAClean:

   • Достигнуто +90% пропускной способности и ожидаемая задержка 9.5δ, сложность сообщения равна O(n²).
   • Повышена эффективность протокола за счет устранения ненужных взаимодействий и вычислительных затрат.

2. 2PACBIG:

   • Это самый быстрый протокол соглашения Блокчейн с текущей сложностью сообщений O(n³).
   • Безотказное время работы одного MVBA составляет 4δ, что значительно снижает задержку.

Супербыстрая конвейерная Блок

Исследователи предложили новый дизайн конвейерного блока, который значительно уменьшает задержку конвейерного блока. Благодаря введению механизма быстрого пути, время принятия решения по конвейерному блоку под справедливым планировщиком даже меньше, чем у неконвейерного блока. Этот механизм гарантирует задержку быстрого пути во всех выполнениях и не зависит от поведения сбойных процессов.

Количественный результат

С помощью теоретического анализа и практических испытаний, ожидаемая задержка 2PAClean в худшем случае составляет 9.5δ, а в хорошем случае (без сбоев и полу-справедливый планировщик) – 6δ. В сравнении, ожидаемая задержка sMVBA составляет 10δ, а в хорошем случае – 6δ. Таким образом, 2PAClean уменьшил задержку в худшем случае на 0.5δ при сохранении такой же задержки в хорошем случае. Кроме того, пропускная способность 2PAClean по сравнению с цепочечным sMVBA увеличилась на 80% до 100%, что в значительной степени связано с тем, что в новом дизайне избегается ненужное выбрасывание блоков и вычислительные расходы.

2PACBIG как протокол с сложностью сообщения O(n³), имеет время выполнения одного MVBA 4δ, что быстрее, чем у всех существующих протоколов. Кроме того, сверхбыстрая конвейерная блокировка позволяет s2PAClean и s2PACBIG соответственно достичь времени принятия решений по конвейерным блокам 4δ и 3δ, что further повышает производительность протокола.

Расчетная оценка

Для проверки производительности нового протокола исследователи провели обширную вычислительную оценку. Результаты показали, что 2PAClean и 2PACBIG демонстрируют отличные результаты при различных сетевых условиях, особенно в средах с высокой задержкой и высокой вероятностью сбоев. В частности, 2PAClean достиг хорошего баланса между задержкой передачи сообщений и вычислительной сложностью, в то время как 2PACBIG обеспечил более низкую задержку за счет параллелизации и оптимизации процесса голосования.

С развитием технологий Блокчейн асинхронный BFT Соглашение будет играть все более важную роль в обеспечении безопасности и повышении производительности. Дизайн 2PAC и сверхбыстрых конвейерных Блоков демонстрирует направление развития будущих протоколов Блокчейн, а именно упрощение структуры протокола и оптимизация процесса согласования для достижения большей пропускной способности и меньшей задержки.

Будущие направления исследований

Будущие исследования могут дополнительно исследовать следующие направления:

1. Оптимизация Протокола: дальнейшее упрощение и оптимизация структуры протокола, снижение ненужной передачи сообщений и вычислительных затрат.
2. Анализ безопасности: углубленный анализ безопасности нового протокола в различных сценариях атак, чтобы гарантировать его надежность в реальном применении.
3. Практическое применение: применение нового протокола в реальных системах Блокчейн для проверки его производительности в настоящей сетевой среде.

Данный отчет подробно анализирует преимущества и недостатки современных асинхронных Блокчейн Соглашений и предлагает два новых проектирования протоколов, а именно 2PAC и сверхбыструю конвейерную блокировку. Новые разработки демонстрируют значительные преимущества в повышении пропускной способности и снижении задержек, предоставляя важные ссылки для будущего развития Блокчейн технологий. Эти новые протоколы не только теоретически доказали свое превосходство, но и продемонстрировали выдающуюся производительность в практических испытаниях, предоставляя новые идеи для достижения эффективных и безопасных Блокчейн Соглашений.

Путем постоянных исследований и оптимизации, Блокчейн-технология сыграет более важную роль в будущем цифровой экономики, а новое поколение Соглашений Протоколов предоставит прочную основу для развития этой технологии.