ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進展と応用

本報告はブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展状況を探討し、非同期バイザンティンフォールトトレランス状態機複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を重点的に分析しています。現在最も速い非同期プロトコルはsMVBAで、期待遅延は10δです。報告はまた、2つの新しいプロトコル設計、すなわち2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックを提案し、スループットと遅延において顕著な改善を示しています。

ブロックチェーン技術は、分散型の分布型台帳技術として、コンセンサス機構を通じてデータの完全性と一貫性を確保します。コンセンサス機構はブロックチェーンシステムのコアであり、その性能はブロックチェーンのスケーラビリティとセキュリティに直接影響します。非同期ビザンチン耐障害（BFT）コンセンサス機構は、ネットワーク遅延や部分ノードの障害に対処する際に独自の利点を持っているため、研究の重点となっています。

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モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1のプロセスで構成されており、その中のf個のプロセスは悪意を持って破壊される可能性があります。これらのプロセスは非同期チャネルを介して相互に通信し、メッセージの伝達遅延は対抗者によって制御されます。各プロセスは、メッセージの真実性と完全性を保証するために署名と検証に使用される一対の公開鍵と秘密鍵を持っています。

ブロックチェーンコンセンサス

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、すべての誠実なノードがブロックチェーンの状態について合意に達することを目的としています。各ノードは新しい取引を継続的に受信し、それをブロックにパッケージ化し、コンセンサスプロトコルを通じてこれらのブロックがすべての誠実なノードで合意に達することを保証します。ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、活性、一貫性、そしてP品質などの基本要件を満たす必要があります。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

現在の非同期コンセンサスプロトコルには、整合性と活性を損なう可能性のあるさまざまな攻撃手法が存在します。たとえば、検証の欠如による攻撃、活性を妨げるための優先戦略を利用した攻撃、リーダーの認証定義の緩和による整合性攻撃などです。いくつかの新しいメカニズム、たとえば複数の並行インスタンスの並行実行が導入されたにもかかわらず、これらの問題を完全には解決できていません。

新プロトコル設計：2PAC（2段階非同期コンセンサス）

既存のプロトコルの分析に基づいて、研究者は2PACプロトコルを提案しました。このプロトコルは、コンセンサスプロセスを簡素化および最適化することで、パフォーマンスを大幅に向上させます。具体的には、2つのバリエーションが含まれています：

1. 2PACleanの:

   • +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑性はO(n²)です。
   • 不要なインタラクションと計算コストを排除することで、プロトコルの効率を向上させました。

2. 2パックビッグ:

   • 現在のメッセージの複雑さがO(n³)の最速のブロックチェーンコンセンサスプロトコルです。
   • 障害のない単一MVBAの実行時間は4δであり、レイテンシを大幅に低減しました。

超高速パイプラインブロック

研究者は、新しいパイプラインブロック設計を提案し、パイプラインブロックの遅延を大幅に削減しました。高速パス機構を導入することにより、公平スケジューラの下で、パイプラインブロックの意思決定時間は非パイプラインブロックよりも短くなることさえあります。この機構は、すべての実行において高速パスの遅延を保証し、故障プロセスの動作に影響されることはありません。

結果を定量化する

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanは最悪のケースでの期待遅延が9.5δであり、良好なケース（故障なしかつスケジューラーが半公平）では6δであることがわかりました。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δで、良好なケースでは6δです。2PACleanは同じ良好なケースの遅延を維持しながら、最悪のケースでの遅延を0.5δ削減しました。さらに、2PACleanのスループットはチェーン型sMVBAに比べて80%から100%向上しました。

2PACBIGは、メッセージの複雑度がO(n³)のプロトコルとして、その単一MVBAの実行時間は4δであり、既存のすべてのプロトコルよりも速いです。超高速パイプラインブロック設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのパイプラインブロック決定時間を実現し、プロトコルの性能をさらに向上させました。

評価を計算する

新しいプロトコルの性能を検証するために、研究者は広範囲な計算評価を行いました。結果は、2PACleanと2PACBIGがさまざまなネットワーク条件下で優れた性能を示し、特に高遅延および高故障率の環境で顕著であることを示しています。2PACleanはメッセージ伝達遅延と計算複雑度の間で良好なバランスを実現し、2PACBIGは並列化と投票プロセスの最適化を通じて、より低い遅延を達成しました。

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今後の研究の方向性

1. プロトコルの最適化：プロトコルの構造をさらに簡素化し最適化し、不必要なメッセージの送受信や計算コストを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルがさまざまな攻撃シナリオにおけるセキュリティを深く分析し、実際のアプリケーションにおける信頼性を確保します。
3. 実際の応用：新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、リアルなネットワーク環境での性能を検証します。

ブロックチェーン技術の不断の発展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは安全性を確保し、性能を向上させる上でますます重要な役割を果たすことになるでしょう。2PACと超高速パイプラインブロックの設計は、将来のブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展方向を示しており、プロトコル構造の簡素化とコンセンサスプロセスの最適化を通じて、より高いスループットとより低いレイテンシを実現します。

これらの新しいプロトコルは、理論的にその優位性を証明しただけでなく、実際のテストでも卓越した性能を示し、高効率で安全なブロックチェーンコンセンサスプロトコルの実現に新しい視点を提供しました。継続的な研究と最適化を通じて、ブロックチェーン技術は今後のデジタル経済においてより重要な役割を果たし、新世代のコンセンサスプロトコルがこの技術の発展にしっかりとした基盤を提供するでしょう。