Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques
Este informe explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, centrándose en el análisis de los últimos avances en el protocolo de replicación de máquinas de estados tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). Actualmente, el protocolo asíncrono más rápido es sMVBA, con una latencia esperada de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tubo ultrarrápidos, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
La tecnología de cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido y descentralizado, garantiza la integridad y 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 seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT) tiene ventajas únicas en la gestión de la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Modelo y definición
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la entrega de mensajes es controlado por el adversario. Cada proceso posee un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad y la 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. Cada nodo recibe constantemente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean consensuados en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con requisitos básicos como la actividad, la consistencia y la calidad P.
Desafíos del protocolo de consenso asíncrono actual
Los protocolos de consenso asíncronos actuales presentan diversas formas de ataque que pueden comprometer su consistencia y vitalidad. Por ejemplo, ataques derivados de la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la vitalidad mediante estrategias de elevación, y ataques de consistencia que resultan de una definición relajada de la autenticación del líder. A pesar de la introducción de algunos nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias, aún no se han resuelto completamente estos problemas.
Nuevo diseño del 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 más del 90% de rendimiento y una latencia esperada de 9.5δ, con una complejidad de mensaje 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 mensaje de O(n³).
El tiempo de ejecución de una sola MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce enormemente la latencia.
Super rápido Bloquear de línea de producción
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloques en pipeline que reduce significativamente la latencia de los bloques en pipeline. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en pipeline es incluso menor que el de los bloques no en pipeline bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos fallidos.
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 caso favorable (sin fallos y con un programador semijusto) es de 6δ. En comparación, la latencia esperada de sMVBA es de 10δ, y en el caso favorable es de 6δ. 2PAClean reduce la latencia del peor caso en 0.5δ manteniendo la misma latencia en el caso favorable. Además, el rendimiento de 2PAClean mejora entre un 80% y un 100% en comparación con el sMVBA en cadena.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. El diseño de bloques en tubería ultrarrápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculo
Para verificar 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. 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia en la mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una menor latencia a través de la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Dirección de investigación futura
Protocolo optimizado: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la mensajería innecesaria y los costos de cálculo.
Análisis de seguridad: análisis profundo de la seguridad del nuevo protocolo en diversos 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.
Con el constante desarrollo de la tecnología de la cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono jugará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y el aumento del rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultra rápida muestran la dirección futura del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, es decir, lograr un mayor rendimiento y menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad en teoría, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, proporcionando 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 cadena de bloques desempeñará un papel aún 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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El protocolo 2PAC lidera un nuevo avance en el consenso BFT asíncrono: mayor velocidad y mayor capacidad de procesamiento.
Últimos avances y aplicaciones del protocolo de consenso de la cadena de bloques
Este informe explora el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, centrándose en el análisis de los últimos avances en el protocolo de replicación de máquinas de estados tolerantes a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). Actualmente, el protocolo asíncrono más rápido es sMVBA, con una latencia esperada de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC (consenso asíncrono de 2 fases) y bloques de tubo ultrarrápidos, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
La tecnología de cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido y descentralizado, garantiza la integridad y 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 seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT) tiene ventajas únicas en la gestión de la latencia de la red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Modelo y definición
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente comprometidos. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la entrega de mensajes es controlado por el adversario. Cada proceso posee un par de claves pública y privada para firmar y verificar, asegurando la autenticidad y la 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. Cada nodo recibe constantemente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean consensuados en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con requisitos básicos como la actividad, la consistencia y la calidad P.
Desafíos del protocolo de consenso asíncrono actual
Los protocolos de consenso asíncronos actuales presentan diversas formas de ataque que pueden comprometer su consistencia y vitalidad. Por ejemplo, ataques derivados de la falta de verificación de autenticación, ataques que obstaculizan la vitalidad mediante estrategias de elevación, y ataques de consistencia que resultan de una definición relajada de la autenticación del líder. A pesar de la introducción de algunos nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias, aún no se han resuelto completamente estos problemas.
Nuevo diseño del 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 rápido Bloquear de línea de producción
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloques en pipeline que reduce significativamente la latencia de los bloques en pipeline. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en pipeline es incluso menor que el de los bloques no en pipeline bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos fallidos.
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 caso favorable (sin fallos y con un programador semijusto) es de 6δ. En comparación, la latencia esperada de sMVBA es de 10δ, y en el caso favorable es de 6δ. 2PAClean reduce la latencia del peor caso en 0.5δ manteniendo la misma latencia en el caso favorable. Además, el rendimiento de 2PAClean mejora entre un 80% y un 100% en comparación con el sMVBA en cadena.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), tiene un tiempo de ejecución de MVBA de 4δ, que es más rápido que todos los protocolos existentes. El diseño de bloques en tubería ultrarrápido permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculo
Para verificar 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. 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia en la mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una menor latencia a través de la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Dirección de investigación futura
Con el constante desarrollo de la tecnología de la cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono jugará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y el aumento del rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultra rápida muestran la dirección futura del desarrollo de los protocolos de consenso de la cadena de bloques, es decir, lograr un mayor rendimiento y menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad en teoría, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, proporcionando 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 cadena de bloques desempeñará un papel aún 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.