Desenvolvimento do protocolo de consenso de Blockchain e discussão sobre novos designs

A tecnologia Blockchain, como representante de um livro-razão descentralizado e distribuído, tem seu núcleo na mecânica de Consenso. Este artigo explora em profundidade os últimos avanços do protocolo de replicação de máquinas de estado de tolerância a falhas bizantinas assíncronas (BFT SMR) e propõe dois desenhos de protocolo inovadores.

Visão Geral do Protocolo de Consenso Assíncrono Atual

Atualmente, o protocolo sMVBA é o protocolo MVBA assíncrono mais rápido, com uma latência esperada de 10δ. Embora o VABA de 2 cadeias tenha afirmado alcançar uma latência esperada de 9.5δ, a sua performance real não conseguiu atingir esse valor devido a várias vulnerabilidades de segurança.

Novo protocolo de design

1. 2PAC (Consenso Assíncrono em 2 Fases)

Baseando-se em uma análise aprofundada dos protocolos existentes, propomos o protocolo 2PAC, cujas principais variantes incluem:

• 2PAClean: conseguiu um aumento de throughput superior a 90%, com uma latência esperada de 9.5δ e uma complexidade de mensagem de O(n²).
• 2PACBIG：Atualmente, a complexidade da mensagem é O(n³) do protocolo de consenso de Blockchain mais rápido, com um tempo de execução única do MVBA de apenas 4δ em condições sem falhas.

2. Ultra-rápida linha de montagem Bloco

Este design inovador reduz significativamente a latência dos blocos em pipeline. Sob um escalonador justo, o tempo de decisão dos blocos em pipeline pode até ser inferior ao dos blocos não em pipeline. Este mecanismo garante a latência do caminho rápido em todos os processos de execução, não sendo afetado por processos com falhas.

Avaliação de Desempenho

Análise teórica e testes práticos mostram que:

• 2PAClean tem um atraso esperado de 9.5δ no pior cenário e de 6δ no melhor cenário.
• O tempo de execução do MVBA único de 2PACBIG é de 4δ, superior a todos os protocolos existentes.
• O design de bloco de linha de produção ultra-rápido permite que o s2PAClean e o s2PACBIG alcancem tempos de decisão de bloco em linha de produção de 4δ e 3δ, respetivamente.

Os resultados da avaliação de cálculo mostram que 2PAClean e 2PACBIG se destacam 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 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

1. Protocolo otimizado: simplificar ainda mais a estrutura do protocolo, reduzindo a troca de mensagens desnecessárias e o custo computacional.
2. Análise de segurança: estudo aprofundado da segurança do novo protocolo em diversos cenários de ataque.
3. 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 aponta a direção para o desenvolvimento futuro dos protocolos de consenso Blockchain: através da simplificação da estrutura do protocolo e da otimização do processo de consenso, alcançando maior throughput e menor latência.

Essas inovações 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 blockchain eficientes e seguros. Com a profundidade da pesquisa e a otimização da tecnologia, o blockchain tem o potencial de desempenhar um papel ainda mais crucial na futura economia digital, enquanto a nova geração de protocolos de consenso estabelecerá uma base sólida para o desenvolvimento dessa tecnologia.