Progresso e Aplicações do Protocolo de Consenso Blockchain
Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso de Blockchain, com ênfase na análise dos mais recentes avanços no protocolo de replicação de máquinas de estado com tolerância a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido atualmente é o sMVBA, com uma latência esperada de 10δ. O relatório também apresenta dois novos designs de protocolo, a saber, 2PAC (consenso assíncrono de 2 fases) e Bloco de pipeline ultrarrápido, que demonstram melhorias significativas em termos de throughput e latência.
A tecnologia Blockchain, como um tipo de tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados por meio de mecanismos de Consenso. O mecanismo de Consenso é o núcleo do sistema Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança da Blockchain. O mecanismo de Consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na abordagem de latências de rede e falhas de nós, tornando-se, assim, o foco da pesquisa.
Modelos e definições
No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, dos quais f processos podem ser maliciosamente comprometidos. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, onde o atraso na entrega de mensagens é controlado 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 do Blockchain visa garantir que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado do Blockchain. Cada nó está constantemente a receber novas transações e a agrupá-las em blocos, assegurando através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados em todos os nós honestos. O protocolo de consenso do Blockchain precisa cumprir requisitos básicos como ativação, consistência e qualidade P.
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
Atualmente, o protocolo de consenso assíncrono apresenta várias formas de ataque que podem comprometer sua consistência e atividade. Por exemplo, ataques que exploram a falta de verificação de autenticação, ataques que impedem a atividade através de estratégias de elevação e ataques de consistência causados pela flexibilização da definição de autenticação de líderes, entre outros. Embora algumas novas mecânicas tenham sido introduzidas, como a execução paralela de múltiplas instâncias, ainda não conseguiram 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 através da simplificação e otimização do processo de consenso. Inclui especificamente duas variantes:
2PAClean：
Implementou uma taxa de transferência de +90% e uma latência esperada de 9.5δ, com complexidade de mensagem O(n²).
A eficiência do protocolo foi melhorada através da eliminação de interações e custos computacionais desnecessários.
2PACBIG：
É o protocolo de consenso de Blockchain mais rápido atualmente com complexidade de mensagem O(n³).
O tempo de execução de uma única MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.
Ultra Rápida Linha de Produção de Blocos
Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência do bloco em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão do bloco em pipeline é até menor do que o do bloco não em pipeline, sob um agendador justo. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falha.
Resultados de quantificação
Através de análise teórica e testes práticos, o 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior caso, enquanto no bom caso (sem falhas e com escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, sendo de 6δ no bom caso. O 2PAClean reduziu a latência do pior caso em 0.5δ, mantendo a mesma latência em bom caso. Além disso, o throughput do 2PAClean melhorou entre 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia.
2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução de MVBA de 4δ, que é mais rápido do que todos os protocolos existentes. O design de bloco em pipeline super-rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Avaliação de Cálculo
Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma ampla avaliação computacional. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram desempenho excelente em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. O 2PAClean alcançou um bom equilíbrio entre a latência na transmissão de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG conseguiu uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.
Direções futuras de pesquisa
otimização de protocolo: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a troca de mensagens e os custos de cálculo desnecessários.
Análise de segurança: Analisar profundamente a segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo a sua fiabilidade na aplicação prática.
Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, validando o seu desempenho em ambientes de rede reais.
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 ultrarrápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançar uma maior capacidade de processamento e uma menor latência.
Estes novos protocolos não só provaram a sua superioridade em teoria, como também demonstraram um 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 futura economia digital, e a nova geração de protocolos de consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.
Ver original
Esta página pode conter conteúdo de terceiros, que é fornecido apenas para fins informativos (não para representações/garantias) e não deve ser considerada como um endosso de suas opiniões pela Gate nem como aconselhamento financeiro ou profissional. Consulte a Isenção de responsabilidade para obter detalhes.
O protocolo 2PAC leva a um novo avanço no consenso assíncrono BFT: maior velocidade e maior throughput.
Progresso e Aplicações do Protocolo de Consenso Blockchain
Este relatório explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso de Blockchain, com ênfase na análise dos mais recentes avanços no protocolo de replicação de máquinas de estado com tolerância a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). O protocolo assíncrono mais rápido atualmente é o sMVBA, com uma latência esperada de 10δ. O relatório também apresenta dois novos designs de protocolo, a saber, 2PAC (consenso assíncrono de 2 fases) e Bloco de pipeline ultrarrápido, que demonstram melhorias significativas em termos de throughput e latência.
A tecnologia Blockchain, como um tipo de tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, garante a integridade e a consistência dos dados por meio de mecanismos de Consenso. O mecanismo de Consenso é o núcleo do sistema Blockchain, e seu desempenho afeta diretamente a escalabilidade e a segurança da Blockchain. O mecanismo de Consenso de Tolerância a Falhas Bizantinas Assíncronas (BFT) possui vantagens únicas na abordagem de latências de rede e falhas de nós, tornando-se, assim, o foco da pesquisa.
Modelos e definições
No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, dos quais f processos podem ser maliciosamente comprometidos. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, onde o atraso na entrega de mensagens é controlado 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 do Blockchain visa garantir que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado do Blockchain. Cada nó está constantemente a receber novas transações e a agrupá-las em blocos, assegurando através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados em todos os nós honestos. O protocolo de consenso do Blockchain precisa cumprir requisitos básicos como ativação, consistência e qualidade P.
Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono
Atualmente, o protocolo de consenso assíncrono apresenta várias formas de ataque que podem comprometer sua consistência e atividade. Por exemplo, ataques que exploram a falta de verificação de autenticação, ataques que impedem a atividade através de estratégias de elevação e ataques de consistência causados pela flexibilização da definição de autenticação de líderes, entre outros. Embora algumas novas mecânicas tenham sido introduzidas, como a execução paralela de múltiplas instâncias, ainda não conseguiram 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 através da simplificação e otimização do processo de consenso. Inclui especificamente duas variantes:
2PAClean：
2PACBIG：
Ultra Rápida Linha de Produção de Blocos
Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência do bloco em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão do bloco em pipeline é até menor do que o do bloco não em pipeline, sob um agendador justo. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falha.
Resultados de quantificação
Através de análise teórica e testes práticos, o 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior caso, enquanto no bom caso (sem falhas e com escalonador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, sendo de 6δ no bom caso. O 2PAClean reduziu a latência do pior caso em 0.5δ, mantendo a mesma latência em bom caso. Além disso, o throughput do 2PAClean melhorou entre 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia.
2PACBIG, como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução de MVBA de 4δ, que é mais rápido do que todos os protocolos existentes. O design de bloco em pipeline super-rápido permite que s2PAClean e s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em pipeline de 4δ e 3δ, respectivamente, melhorando ainda mais o desempenho do protocolo.
Avaliação de Cálculo
Para validar o desempenho do novo protocolo, os pesquisadores realizaram uma ampla avaliação computacional. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG apresentaram desempenho excelente em várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. O 2PAClean alcançou um bom equilíbrio entre a latência na transmissão de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG conseguiu uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.
Direções futuras de pesquisa
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 ultrarrápido demonstra a direção futura do desenvolvimento dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançar uma maior capacidade de processamento e uma menor latência.
Estes novos protocolos não só provaram a sua superioridade em teoria, como também demonstraram um 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 futura economia digital, e a nova geração de protocolos de consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.