Informe de investigación sobre los últimos avances del protocolo de consenso de la cadena de bloques
Este informe explora en profundidad el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de cadena de bloques, centrándose en los últimos avances del protocolo de replicación de máquina de estado tolerante a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). Actualmente, sMVBA se considera el protocolo asíncrono MVBA más rápido, con una latencia esperada de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolos, a saber, 2PAC (consenso asíncrono en 2 fases) y bloques de tubería ultrarrápidos, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
La tecnología de cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido descentralizado, asegura la integridad y consistencia de los datos a través de un mecanismo de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo de los sistemas de cadena de bloques, y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT) tiene ventajas únicas para hacer frente a la latencia de red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Modelos y definiciones
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente dañados por un adversario. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la entrega de mensajes es controlado por el adversario. Cada proceso posee un par de claves públicas y privadas para firmar y verificar, asegurando la autenticidad y la integridad de los mensajes.
Cadena de bloques Consenso
El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo lograr que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. Específicamente, cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Actividad (Liveness): En la ejecución infinita, existe una cadena de bloques decidida de longitud infinita.
Consistencia (Consistency): Si existen dos cadenas de bloques decididas, una de ellas debe ser un prefijo de la otra.
P calidad (P-Quality): En la cadena de bloques ya decidida, la proporción de transacciones ingresadas por nodos honestos debe ser al menos p.
Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono
El protocolo de consenso asíncrono actual enfrenta el desafío de varios tipos de ataques, que pueden comprometer la consistencia y la actividad del protocolo. Por ejemplo, ataques derivados de la falta de verificación de autenticación, ataques que utilizan estrategias de elevación para obstaculizar la actividad, y ataques de consistencia que resultan de una definición relajada de la autenticación del líder. A pesar de que algunos protocolos han introducido nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias, aún no han logrado resolver completamente estos problemas.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 etapas)
Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Concretamente, incluye dos variantes:
2PAClean：
Se logró más del 90% de rendimiento y una latencia esperada de 9.5δ, con una complejidad de mensajes de O(n²).
Se mejoró la eficiencia del protocolo al eliminar interacciones y costos de cálculo innecesarios.
2PACBIG：
Es el protocolo de consenso de cadena de bloques más rápido, con una complejidad de mensaje actual de O(n³).
El tiempo de ejecución único de MVBA sin fallos es de 4δ, lo que reduce significativamente la latencia.
Cadena de bloques de flujo rápido
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en cadena de bloques en línea, que reduce significativamente la latencia de los bloques en línea. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en línea es incluso menor que el de los bloques no en línea bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos fallidos.
Resultados cuantitativos
A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, se espera que 2PAClean tenga un retraso de 9.5δ en el peor de los casos, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) será de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en el mejor de los casos será de 6δ. Por lo tanto, 2PAClean reduce el retraso en el peor de los casos en 0.5δ, manteniendo el mismo retraso en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean mejora entre un 80% y un 100% en comparación con la cadena sMVBA, principalmente debido a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y la sobrecarga de cálculo.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), su tiempo de ejecución de MVBA por instancia es de 4δ, más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tubería ultra rápida permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculos
Para verificar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG demostraron un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. En concreto, 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una latencia más baja mediante la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Con el continuo desarrollo de la tecnología de cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y la mejora del rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultra rápida muestran la dirección del desarrollo de los protocolos de consenso de cadena de bloques en el futuro, es decir, lograr un mayor rendimiento y una menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Direcciones de investigación futura
Optimización del protocolo: simplificar y optimizar aún más la estructura del protocolo, reduciendo la mensajería innecesaria y los costos de cálculo.
Análisis de seguridad: analizar en profundidad la seguridad del nuevo protocolo en diversos escenarios de ataque para garantizar su fiabilidad en aplicaciones prácticas.
Aplicación práctica: aplicar el nuevo protocolo en sistemas de cadena de bloques reales, verificando su rendimiento en un entorno de red real.
Este informe analiza en detalle las ventajas y desventajas actuales de los protocolos de consenso de blockchain asíncrono, y presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y Bloques de flujo ultra rápido. Los nuevos diseños muestran una ventaja significativa en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología de cadena de bloques. Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad en teoría, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr protocolos de consenso de cadena de bloques eficientes y seguros.
A través de la investigación y optimización constantes, la tecnología de la Cadena de bloques desempeñará un papel aún más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de Consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.
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Nuevo avance en el consenso BFT asíncrono: el protocolo 2PAC mejora significativamente el rendimiento de la cadena de bloques
Informe de investigación sobre los últimos avances del protocolo de consenso de la cadena de bloques
Este informe explora en profundidad el estado actual del desarrollo de los protocolos de consenso de cadena de bloques, centrándose en los últimos avances del protocolo de replicación de máquina de estado tolerante a fallos bizantinos asíncronos (BFT SMR). Actualmente, sMVBA se considera el protocolo asíncrono MVBA más rápido, con una latencia esperada de 10δ. El informe también presenta dos nuevos diseños de protocolos, a saber, 2PAC (consenso asíncrono en 2 fases) y bloques de tubería ultrarrápidos, que muestran mejoras significativas en términos de rendimiento y latencia.
La tecnología de cadena de bloques, como una tecnología de libro mayor distribuido descentralizado, asegura la integridad y consistencia de los datos a través de un mecanismo de consenso. El mecanismo de consenso es el núcleo de los sistemas de cadena de bloques, y su rendimiento afecta directamente la escalabilidad y seguridad de la cadena de bloques. El mecanismo de consenso de tolerancia a fallos bizantinos asíncronos (BFT) tiene ventajas únicas para hacer frente a la latencia de red y la falla de nodos parciales, por lo que se ha convertido en un enfoque de investigación clave.
Modelos y definiciones
En el modelo BFT asíncrono, el sistema está compuesto por n = 3f + 1 procesos, donde f procesos pueden ser maliciosamente dañados por un adversario. Estos procesos se comunican entre sí a través de canales asíncronos, y el retraso en la entrega de mensajes es controlado por el adversario. Cada proceso posee un par de claves públicas y privadas para firmar y verificar, asegurando la autenticidad y la integridad de los mensajes.
Cadena de bloques Consenso
El protocolo de consenso de la cadena de bloques tiene como objetivo lograr que todos los nodos honestos lleguen a un acuerdo sobre el estado de la cadena de bloques. Específicamente, cada nodo recibe continuamente nuevas transacciones y las empaqueta en bloques, asegurando a través del protocolo de consenso que estos bloques sean acordados en todos los nodos honestos. El protocolo de consenso de la cadena de bloques debe cumplir con los siguientes requisitos básicos:
Desafíos actuales del protocolo de consenso asíncrono
El protocolo de consenso asíncrono actual enfrenta el desafío de varios tipos de ataques, que pueden comprometer la consistencia y la actividad del protocolo. Por ejemplo, ataques derivados de la falta de verificación de autenticación, ataques que utilizan estrategias de elevación para obstaculizar la actividad, y ataques de consistencia que resultan de una definición relajada de la autenticación del líder. A pesar de que algunos protocolos han introducido nuevos mecanismos, como la ejecución paralela de múltiples instancias, aún no han logrado resolver completamente estos problemas.
Nuevo diseño de protocolo: 2PAC (Consenso asíncrono en 2 etapas)
Basado en el análisis de los protocolos existentes, los investigadores propusieron el protocolo 2PAC. Este protocolo mejora significativamente el rendimiento al simplificar y optimizar el proceso de consenso. Concretamente, incluye dos variantes:
2PAClean：
2PACBIG：
Cadena de bloques de flujo rápido
Los investigadores han propuesto un nuevo diseño de bloque en cadena de bloques en línea, que reduce significativamente la latencia de los bloques en línea. Al introducir un mecanismo de ruta rápida, el tiempo de decisión de los bloques en línea es incluso menor que el de los bloques no en línea bajo un programador justo. Este mecanismo garantiza la latencia de la ruta rápida en todas las ejecuciones y no se ve afectado por el comportamiento de procesos fallidos.
Resultados cuantitativos
A través de análisis teóricos y pruebas prácticas, se espera que 2PAClean tenga un retraso de 9.5δ en el peor de los casos, mientras que en el mejor de los casos (sin fallos y con un programador semijusto) será de 6δ. En comparación, el retraso esperado de sMVBA es de 10δ, y en el mejor de los casos será de 6δ. Por lo tanto, 2PAClean reduce el retraso en el peor de los casos en 0.5δ, manteniendo el mismo retraso en el mejor de los casos. Además, el rendimiento de 2PAClean mejora entre un 80% y un 100% en comparación con la cadena sMVBA, principalmente debido a que el nuevo diseño evita la eliminación innecesaria de bloques y la sobrecarga de cálculo.
2PACBIG como un protocolo con una complejidad de mensaje de O(n³), su tiempo de ejecución de MVBA por instancia es de 4δ, más rápido que todos los protocolos existentes. Además, el diseño de bloques en tubería ultra rápida permite que s2PAClean y s2PACBIG logren tiempos de decisión de bloques en tubería de 4δ y 3δ respectivamente, mejorando aún más el rendimiento del protocolo.
Evaluación de cálculos
Para verificar el rendimiento del nuevo protocolo, los investigadores realizaron una amplia evaluación computacional. Los resultados mostraron que 2PAClean y 2PACBIG demostraron un rendimiento excepcional en diversas condiciones de red, especialmente en entornos de alta latencia y alta tasa de fallos. En concreto, 2PAClean logró un buen equilibrio entre la latencia de mensajería y la complejidad computacional, mientras que 2PACBIG logró una latencia más baja mediante la paralelización y la optimización del proceso de votación.
Con el continuo desarrollo de la tecnología de cadena de bloques, el protocolo de consenso BFT asíncrono desempeñará un papel cada vez más importante en la garantía de la seguridad y la mejora del rendimiento. El diseño de 2PAC y los bloques de tubería ultra rápida muestran la dirección del desarrollo de los protocolos de consenso de cadena de bloques en el futuro, es decir, lograr un mayor rendimiento y una menor latencia mediante la simplificación de la estructura del protocolo y la optimización del proceso de consenso.
Direcciones de investigación futura
Este informe analiza en detalle las ventajas y desventajas actuales de los protocolos de consenso de blockchain asíncrono, y presenta dos nuevos diseños de protocolo, a saber, 2PAC y Bloques de flujo ultra rápido. Los nuevos diseños muestran una ventaja significativa en la mejora del rendimiento y la reducción de la latencia, proporcionando una referencia importante para el desarrollo futuro de la tecnología de cadena de bloques. Estos nuevos protocolos no solo han demostrado su superioridad en teoría, sino que también han mostrado un rendimiento excepcional en pruebas prácticas, ofreciendo nuevas ideas para lograr protocolos de consenso de cadena de bloques eficientes y seguros.
A través de la investigación y optimización constantes, la tecnología de la Cadena de bloques desempeñará un papel aún más importante en la economía digital del futuro, y la nueva generación de protocolos de Consenso proporcionará una base sólida para el desarrollo de esta tecnología.