Últimos avanços e aplicações do protocolo de consenso de blockchain

A tecnologia Blockchain, como uma tecnologia de livro-razão distribuído descentralizado, assegura a integridade e a consistência dos dados através 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 gestão de atrasos de rede e falhas de nós, tornando-se assim um foco de pesquisa.

Este artigo explora o estado atual do desenvolvimento de protocolos de consenso em Blockchain, com foco na análise dos mais recentes avanços do protocolo de replicação de máquinas de estado com tolerância a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR). Atualmente, sMVBA tornou-se o protocolo assíncrono MVBA mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. O artigo também apresenta dois novos designs de protocolo, a saber, 2PAC (consenso assíncrono em 2 fases) e blocos de pipeline super rápidos, que demonstram melhorias significativas em termos de throughput e latência.

Modelo e Definição

No modelo BFT assíncrono, o sistema é composto por n = 3f + 1 processos, onde f processos podem ser maliciosamente comprometidos pelo adversário. Esses processos se comunicam entre si através de canais assíncronos, e o atraso na entrega das 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 da Blockchain tem como objetivo fazer com que todos os nós honestos cheguem a um acordo sobre o estado da Blockchain. Cada nó recebe continuamente novas transações e as empacota em blocos, garantindo através do protocolo de consenso que esses blocos sejam acordados em todos os nós honestos. O protocolo de consenso da Blockchain precisa atender aos seguintes requisitos básicos:

• Atividade: existe uma blockchain decidida de comprimento infinito em execução infinita.
• Consistência: se existirem duas cadeias de blocos decididas, uma delas deve ser um prefixo da outra.
• Qualidade P: Em uma blockchain já decidida, a proporção de transações inseridas por nós honestos é de pelo menos p.

Desafios atuais do protocolo de consenso assíncrono

Atualmente, os protocolos de consenso assíncronos mais rápidos estão sujeitos a várias formas de ataque, que podem comprometer sua consistência e vitalidade. Por exemplo, ataques devido à falta de verificação de autenticação, ataques que utilizam estratégias de elevação para obstruir a vitalidade, e ataques de consistência resultantes de uma definição relaxada da autenticação do líder, entre outros. Embora tenham sido introduzidos alguns novos mecanismos, como a execução paralela de múltiplas instâncias, ainda não foi possível resolver completamente esses problemas.

Novo protocolo de design: 2PAC (Consenso assíncrono em 2 fases)

Baseado na análise dos protocolos existentes, os pesquisadores propuseram o protocolo 2PAC. Este protocolo melhora significativamente o desempenho ao simplificar e otimizar o processo de consenso. Inclui especificamente duas variantes:

1. 2PAClean：

   • Alcançou uma taxa de transferência de +90% e uma latência esperada de 9,5δ, com complexidade de mensagem de O(n²).
   • A eficiência do protocolo foi aumentada ao eliminar interações desnecessárias e custos computacionais.

2. 2PACBIG：

   • É o protocolo de consenso de Blockchain mais rápido, com uma complexidade de mensagem de O(n³).
   • O tempo de execução de uma única MVBA sem falhas é de 4δ, reduzindo significativamente a latência.

Super rápida linha de Blocos

Os pesquisadores propuseram um novo design de bloco em pipeline, que reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Ao introduzir um mecanismo de caminho rápido, o tempo de decisão dos blocos em pipeline é até menor do que o dos blocos não em pipeline sob um escalonador justo. Esse mecanismo garante a latência do caminho rápido em todas as execuções e não é afetado pelo comportamento de processos com falhas.

Resultados Quantitativos

Através de análise teórica e testes práticos, o 2PAClean tem uma latência esperada de 9.5δ no pior cenário, enquanto no bom cenário (sem falhas e agendador semi-justo) é de 6δ. Em comparação, a latência esperada do sMVBA é de 10δ, e no bom cenário é de 6δ. O 2PAClean, mantendo a mesma latência em bom cenário, reduziu a latência no pior cenário em 0.5δ. Além disso, a taxa de transferência do 2PAClean aumentou entre 80% a 100% em comparação com o sMVBA em cadeia, principalmente devido ao novo design que evita o descarte desnecessário de blocos e sobrecarga computacional.

2PACBIG como um protocolo com complexidade de mensagem O(n³), tem um tempo de execução de MVBA de 4δ, mais rápido do que todos os protocolos existentes. Além disso, o design de blocos 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 extensa avaliação computacional. Os resultados mostraram que o 2PAClean e o 2PACBIG demonstraram um desempenho excepcional sob várias condições de rede, especialmente em ambientes de alta latência e alta taxa de falhas. O 2PAClean conseguiu um bom equilíbrio entre a latência de mensagens e a complexidade computacional, enquanto o 2PACBIG alcançou uma latência mais baixa através da paralelização e otimização do processo de votação.

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 do bloco de linha de montagem super rápida demonstra a direção do desenvolvimento futuro dos protocolos de consenso Blockchain, ou seja, através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançando maior capacidade de processamento e menor latência.

Direções de pesquisa futuras

1. Protocolo otimizado: simplificar e otimizar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a comunicação e os custos computacionais desnecessários.
2. Análise de segurança: análise aprofundada da segurança do novo protocolo em vários cenários de ataque, garantindo sua confiabilidade em aplicações práticas.
3. Aplicação prática: aplicar o novo protocolo em sistemas de Blockchain reais, validando o seu desempenho em ambientes de rede reais.

Este artigo analisa detalhadamente as vantagens e desvantagens dos atuais protocolos de consenso assíncronos de Blockchain e propõe dois novos desenhos de protocolo, nomeadamente 2PAC e Bloco de Pipeline Super Rápido. Os novos desenhos demonstram vantagens significativas na melhoria da taxa de transferência e na redução da latência, fornecendo uma referência importante para o desenvolvimento futuro da tecnologia Blockchain. Estes novos protocolos não apenas provaram sua superioridade em teoria, mas também demonstraram desempenho excepcional em testes práticos, oferecendo novas ideias para a implementação 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 economia digital do futuro, enquanto a nova geração de protocolos de Consenso fornecerá uma base sólida para o desenvolvimento desta tecnologia.