Derniers progrès et applications du protocole de consensus Blockchain
Ce rapport examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus Blockchain, en mettant l'accent sur les derniers développements du protocole de réplication d'état tolérant aux fautes de Byzantine asynchrone (BFT SMR). Le protocole asynchrone le plus rapide est le sMVBA, avec un délai prévu de 10δ. Le rapport présente également deux nouveaux designs de protocole, à savoir 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes) et Bloc à pipeline super rapide, qui présentent des améliorations significatives en termes de débit et de latence.
La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à des mécanismes de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur du système Blockchain, et ses performances influencent directement l'évolutivité et la sécurité de la Blockchain. Le mécanisme de consensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux retards réseau et aux pannes de certains nœuds, devenant ainsi un point focal de recherche.
Modèles et définitions
Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être compromis de manière malveillante. Ces processus communiquent entre eux via des canaux asynchrones, et le délai de transmission des messages est contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.
Blockchain Consensus
Le protocole de consensus Blockchain vise à faire en sorte que tous les nœuds honnêtes parviennent à un accord sur l'état de la Blockchain. Chaque nœud reçoit en continu de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant par le biais du protocole de consensus que ces blocs soient concordants sur tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus Blockchain doit répondre à des exigences fondamentales telles que l'activité, la cohérence et la qualité P.
Défis actuels du protocole de consensus asynchrone
Le protocole de consensus asynchrone actuel présente diverses méthodes d'attaque qui peuvent compromettre sa cohérence et sa vitalité. Par exemple, les attaques résultant d'un manque d'authentification, les attaques qui entravent la vitalité en utilisant des stratégies d'élévation, ainsi que les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que certains nouveaux mécanismes, tels que l'exécution parallèle de plusieurs instances parallèles, aient été introduits, ces problèmes n'ont pas encore été complètement résolus.
Nouveau design de protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)
Sur la base de l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de Consensus. Il comprend spécifiquement deux variantes :
2PAClean :
A réalisé un débit de +90 % et un retard attendu de 9,5 δ, avec une complexité de message de O(n²).
En éliminant les interactions et les coûts de calcul inutiles, l'efficacité du protocole a été améliorée.
2PACBIG：
C'est le protocole de consensus Blockchain le plus rapide avec une complexité d'information de O(n³).
Le temps d'exécution unique de MVBA sans défaillance est de 4δ, ce qui réduit considérablement la latence.
Pipeline de Bloc Ultra Rapide
Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline, réduisant significativement la latence des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline dans un ordonnanceur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus en panne.
Résultats quantitatifs
À travers une analyse théorique et des tests pratiques, le délai d'attente prévu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans de bonnes conditions (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-équitable) il est de 6δ. En comparaison, le délai d'attente prévu de sMVBA est de 10δ, et dans de bonnes conditions il est de 6δ. 2PAClean a réduit le délai dans le pire des cas de 0,5δ tout en maintenant le même délai dans de bonnes conditions. De plus, le débit de 2PAClean est amélioré de 80 % à 100 % par rapport au sMVBA en chaîne.
2PACBIG, en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. La conception de blocs en pipeline ultra-rapide permet à s2PAClean et s2PACBIG d'atteindre respectivement des temps de décision de blocs en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant ainsi encore les performances du protocole.
Évaluation des calculs
Pour vérifier les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont effectué une vaste évaluation computationnelle. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à taux de défaillance élevé. 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence de messagerie et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG atteint une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.
Directions de recherche futures
protocole d'optimisation : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les messages et les coûts de calcul inutiles.
Analyse de la sécurité : analyser en profondeur la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin de garantir sa fiabilité dans les applications pratiques.
Application réelle : appliquer le nouveau protocole dans des systèmes Blockchain réels pour vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.
Avec le développement continu de la technologie Blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration des performances. La conception de 2PAC et des blocs de pipeline ultra-rapides démontre la direction future du développement des protocoles de consensus Blockchain, à savoir, en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus pour réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible.
Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité sur le plan théorique, mais ont également démontré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles perspectives pour la mise en œuvre de protocoles de consensus Blockchain efficaces et sécurisés. Grâce à des recherches et des optimisations continues, la technologie Blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique future, et la nouvelle génération de protocoles de consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.
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Le protocole 2PAC ouvre de nouvelles percées dans le consensus BFT asynchrone : vitesse accrue et débit plus élevé.
Derniers progrès et applications du protocole de consensus Blockchain
Ce rapport examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus Blockchain, en mettant l'accent sur les derniers développements du protocole de réplication d'état tolérant aux fautes de Byzantine asynchrone (BFT SMR). Le protocole asynchrone le plus rapide est le sMVBA, avec un délai prévu de 10δ. Le rapport présente également deux nouveaux designs de protocole, à savoir 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes) et Bloc à pipeline super rapide, qui présentent des améliorations significatives en termes de débit et de latence.
La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à des mécanismes de consensus. Le mécanisme de consensus est au cœur du système Blockchain, et ses performances influencent directement l'évolutivité et la sécurité de la Blockchain. Le mécanisme de consensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux retards réseau et aux pannes de certains nœuds, devenant ainsi un point focal de recherche.
Modèles et définitions
Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être compromis de manière malveillante. Ces processus communiquent entre eux via des canaux asynchrones, et le délai de transmission des messages est contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.
Blockchain Consensus
Le protocole de consensus Blockchain vise à faire en sorte que tous les nœuds honnêtes parviennent à un accord sur l'état de la Blockchain. Chaque nœud reçoit en continu de nouvelles transactions et les regroupe en blocs, en s'assurant par le biais du protocole de consensus que ces blocs soient concordants sur tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus Blockchain doit répondre à des exigences fondamentales telles que l'activité, la cohérence et la qualité P.
Défis actuels du protocole de consensus asynchrone
Le protocole de consensus asynchrone actuel présente diverses méthodes d'attaque qui peuvent compromettre sa cohérence et sa vitalité. Par exemple, les attaques résultant d'un manque d'authentification, les attaques qui entravent la vitalité en utilisant des stratégies d'élévation, ainsi que les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que certains nouveaux mécanismes, tels que l'exécution parallèle de plusieurs instances parallèles, aient été introduits, ces problèmes n'ont pas encore été complètement résolus.
Nouveau design de protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)
Sur la base de l'analyse des protocoles existants, les chercheurs ont proposé le protocole 2PAC. Ce protocole améliore considérablement les performances en simplifiant et en optimisant le processus de Consensus. Il comprend spécifiquement deux variantes :
2PAClean :
2PACBIG：
Pipeline de Bloc Ultra Rapide
Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline, réduisant significativement la latence des blocs en pipeline. En introduisant un mécanisme de chemin rapide, le temps de décision des blocs en pipeline est même inférieur à celui des blocs non en pipeline dans un ordonnanceur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus en panne.
Résultats quantitatifs
À travers une analyse théorique et des tests pratiques, le délai d'attente prévu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans de bonnes conditions (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-équitable) il est de 6δ. En comparaison, le délai d'attente prévu de sMVBA est de 10δ, et dans de bonnes conditions il est de 6δ. 2PAClean a réduit le délai dans le pire des cas de 0,5δ tout en maintenant le même délai dans de bonnes conditions. De plus, le débit de 2PAClean est amélioré de 80 % à 100 % par rapport au sMVBA en chaîne.
2PACBIG, en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), a un temps d'exécution MVBA unique de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. La conception de blocs en pipeline ultra-rapide permet à s2PAClean et s2PACBIG d'atteindre respectivement des temps de décision de blocs en pipeline de 4δ et 3δ, améliorant ainsi encore les performances du protocole.
Évaluation des calculs
Pour vérifier les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont effectué une vaste évaluation computationnelle. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à taux de défaillance élevé. 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence de messagerie et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG atteint une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.
Directions de recherche futures
Avec le développement continu de la technologie Blockchain, le protocole de consensus BFT asynchrone jouera un rôle de plus en plus important dans la garantie de la sécurité et l'amélioration des performances. La conception de 2PAC et des blocs de pipeline ultra-rapides démontre la direction future du développement des protocoles de consensus Blockchain, à savoir, en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus pour réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible.
Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité sur le plan théorique, mais ont également démontré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles perspectives pour la mise en œuvre de protocoles de consensus Blockchain efficaces et sécurisés. Grâce à des recherches et des optimisations continues, la technologie Blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique future, et la nouvelle génération de protocoles de consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.