Kemajuan dan Aplikasi Terbaru Protokol Konsensus Blockchain

Teknologi Blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, kinerjanya secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi keterlambatan jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.

Artikel ini membahas tentang perkembangan terkini dari protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin keadaan toleran kesalahan Bizantium asinkron (BFT SMR). Saat ini, sMVBA menjadi protokol MVBA asinkron tercepat, dengan perkiraan latensi sebesar 10δ. Artikel ini juga memperkenalkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron dua tahap) dan blok pipeline super cepat, yang menunjukkan peningkatan signifikan dalam hal throughput dan latensi.

Model dan Definisi

Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses mungkin dirusak secara jahat oleh lawan. Proses-proses ini berkomunikasi satu sama lain melalui saluran asinkron, dan penundaan pengiriman pesan dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan pribadi untuk penandatanganan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Blockchain Konsensus

Protokol konsensus blockchain bertujuan untuk memastikan semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi blok, memastikan bahwa blok-blok ini disepakati pada semua node yang jujur melalui protokol konsensus. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi beberapa persyaratan dasar berikut:

• Aktivitas: Dalam eksekusi tak terbatas, terdapat satu blockchain yang telah ditentukan dan memiliki panjang tak terbatas.
• Konsistensi: Jika ada dua blockchain yang telah diputuskan, salah satunya harus menjadi prefiks dari yang lainnya.
• P kualitas: Dalam blockchain yang telah ditentukan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur harus minimal p.

Tantangan protokol konsensus asinkron saat ini

Protokol konsensus asinkron yang cepat saat ini memiliki berbagai cara serangan yang dapat merusak konsistensi dan aktivitasnya. Misalnya, serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan otentikasi, serangan yang menghalangi aktivitas dengan memanfaatkan strategi peningkatan, dan serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi otentikasi pemimpin. Meskipun beberapa mekanisme baru seperti menjalankan beberapa instansi paralel secara bersamaan telah diperkenalkan, masalah ini masih belum sepenuhnya teratasi.

Desain Protokol Baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2)

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, peneliti mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Secara khusus mencakup dua varian:

1. 2PAClean：

   • Mencapai lebih dari 90% throughput dan 9.5δ dari latensi yang diharapkan, kompleksitas pesan adalah O(n²).
   • Meningkatkan efisiensi protokol dengan menghilangkan interaksi dan beban komputasi yang tidak perlu.

2. 2PACBIG：

   • Merupakan protokol konsensus blockchain tercepat dengan kompleksitas pesan saat ini O(n³).
   • Waktu operasi MVBA tunggal tanpa kesalahan adalah 4δ, yang secara signifikan mengurangi latensi.

Jalur Produksi Blok Super Cepat

Peneliti telah mengusulkan desain blok alur baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok alur. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, di bawah penjadwal yang adil, waktu keputusan blok alur bahkan lebih kecil daripada blok non-alur. Mekanisme ini dapat menjamin latensi jalur cepat dalam semua eksekusi dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.

Hasil Kuantitatif

Melalui analisis teori dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki ekspektasi keterlambatan terburuk sebesar 9.5δ, sedangkan dalam kondisi baik (tanpa kegagalan dan penjadwalan setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, ekspektasi keterlambatan sMVBA adalah 10δ, dan dalam kondisi baik adalah 6δ. 2PAClean mengurangi keterlambatan terburuk sebesar 0.5δ dengan tetap mempertahankan keterlambatan kondisi baik yang sama. Selain itu, throughput 2PAClean meningkat sebesar 80% hingga 100% dibandingkan sMVBA berbasis rantai, yang terutama disebabkan oleh penghindaran pembuangan blok yang tidak perlu dan biaya komputasi dalam desain baru.

2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), waktu operasi MVBA per sekali adalah 4δ, lebih cepat daripada semua protokol yang ada. Selain itu, desain blok pipa super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG masing-masing mencapai waktu keputusan blok pipa 4δ dan 3δ, yang lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.

Evaluasi Perhitungan

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, peneliti melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasilnya menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang sangat baik di berbagai kondisi jaringan, terutama dalam lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kesalahan tinggi. 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan optimasi proses pemungutan suara.

Seiring dengan perkembangan teknologi Blockchain yang terus menerus, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam memastikan keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan blok jalur cepat super menunjukkan arah perkembangan protokol konsensus Blockchain di masa depan, yaitu dengan menyederhanakan struktur protokol dan mengoptimalkan proses konsensus untuk mencapai throughput yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah.

Arah Penelitian Masa Depan

1. Protokol optimalisasi: lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan dan beban perhitungan yang tidak perlu.
2. Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan untuk memastikan keandalannya dalam aplikasi nyata.
3. Aplikasi nyata: Menerapkan protokol baru dalam sistem Blockchain nyata, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.

Artikel ini menganalisis secara mendetail kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, serta mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan blok pipeline super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk perkembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teori, tetapi juga menunjukkan kinerja yang luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan pemikiran baru untuk mencapai protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.

Melalui penelitian dan optimasi yang terus menerus, teknologi Blockchain akan memainkan peran yang semakin penting dalam ekonomi digital di masa depan, sementara generasi baru protokol konsensus akan memberikan dasar yang kokoh untuk pengembangan teknologi ini.