Derniers avancements et applications du protocole de consensus de la blockchain

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, ce qui en fait un point de recherche clé.

Cet article examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus Blockchain, en mettant l'accent sur les dernières avancées du protocole de réplication d'état tolérant aux pannes byzantines asynchrones (BFT SMR). Actuellement, sMVBA est devenu le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un délai prévu de 10δ. L'article propose également deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir 2PAC (consensus asynchrone en 2 étapes) et les blocs de pipeline ultra-rapides, montrant des améliorations significatives en termes de débit et de latence.

Modèle et définition

Dans le modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être compromis de manière malveillante par un adversaire. Ces processus communiquent entre eux par des canaux asynchrones, le délai de transmission des messages étant contrôlé par l'adversaire. Chaque processus possède une paire de clés publique et privée pour la signature et la vérification, garantissant l'authenticité et l'intégrité des messages.

Blockchain Consensus

Le protocole de consensus de la 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, garantissant que ces blocs soient convenus par tous les nœuds honnêtes grâce au protocole de consensus. Le protocole de consensus de la Blockchain doit répondre aux exigences fondamentales suivantes :

• Activité : Dans une exécution infinie, il existe une blockchain décidée infiniment longue.
• Cohérence : s'il existe deux chaînes de blocs décidées, l'une d'elles doit être le préfixe de l'autre.
• Qualité P : Dans une blockchain décidée, la proportion de transactions saisies par des nœuds honnêtes doit être d'au moins p.

Défis actuels du protocole de consensus asynchrone

Les protocoles de consensus asynchrone relativement rapides actuels présentent plusieurs vecteurs d'attaque qui peuvent compromettre leur cohérence et leur vitalité. Par exemple, les attaques résultant d'un manque de vérification de l'authentification, les attaques qui entravent la vitalité en utilisant des stratégies d'élévation, ainsi que les attaques sur la cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que de nouveaux mécanismes aient été introduits, tels que le fonctionnement parallèle de plusieurs instances, ces problèmes n'ont pas encore été complètement résolus.

Conception du nouveau protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)

Basé sur 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. Cela comprend deux variantes :

1. 2PAClean :

   • A réalisé plus de 90 % de débit et un délai prévu de 9,5δ, la complexité des messages étant O(n²).
   • L'efficacité du protocole a été améliorée en éliminant les interactions et les frais de calcul inutiles.

2. 2PACBIG :

   • C'est le protocole de consensus Blockchain le plus rapide avec une complexité de message de O(n³).
   • Le temps d'exécution unique du MVBA sans erreur est de 4δ, ce qui réduit considérablement la latence.

Super pipeline Bloc

Les chercheurs ont proposé un nouveau design de bloc en pipeline, réduisant considérablement 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 sous un planificateur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas influencé par le comportement des processus défaillants.

Résultats quantitatifs

Grâce à l'analyse théorique et aux tests pratiques, le délai attendu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans de bonnes conditions (sans défaillance et avec un ordonnanceur semi-équitable), il est de 6δ. En comparaison, le délai attendu 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 à la sMVBA en chaîne, principalement en raison de l'évitement des pertes de blocs inutiles et des charges de calcul dans le nouveau design.

2PACBIG en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), son temps d'exécution MVBA unique est de 4δ, ce qui est plus rapide que tous les protocoles existants. De plus, 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 davantage la performance du protocole.

Évaluation des calculs

Pour évaluer les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont effectué une évaluation computationnelle approfondie. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG présentent 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 le retard de transmission des messages et la complexité de calcul, tandis que 2PACBIG atteint une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.

Avec le développement constant 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 montre la direction future du développement des protocoles de consensus Blockchain, à savoir réaliser un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.

Directions de recherche futures

1. protocole optimisé : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les transmissions de messages et les frais de calcul inutiles.
2. Analyse de la sécurité : analyse approfondie de la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin d'assurer sa fiabilité dans les applications réelles.
3. Application réelle : appliquer le nouveau protocole à un système Blockchain réel, vérifier ses performances dans un environnement réseau réel.

Cet article analyse en détail les avantages et les inconvénients des protocoles de consensus asynchrones de blockchain actuels et propose deux nouvelles conceptions de protocoles, à savoir 2PAC et les blocs de pipeline ultra-rapides. Les nouvelles conceptions montrent des avantages significatifs en termes d'augmentation du débit et de réduction de la latence, fournissant une référence importante pour le développement futur de la technologie blockchain. 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 idées pour réaliser des protocoles de consensus blockchain efficaces et sécurisés.

Grâce à des recherches et à des optimisations continues, la technologie Blockchain jouera un rôle de plus en plus important dans l'économie numérique future, tandis que la nouvelle génération de protocoles de consensus fournira une base solide pour le développement de cette technologie.