Derniers progrès et applications du protocole de consensus Blockchain
La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à un mécanisme 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 de tolérance aux pannes byzantines asynchrone (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux délais réseau et à la défaillance partielle des nœuds, devenant ainsi un point focal de la recherche.
Ce rapport examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus Blockchain, en se concentrant sur les derniers progrès du protocole de réplication d'état tolérant aux pannes byzantines asynchrones (BFT SMR). Le protocole asynchrone le plus rapide actuellement est le 2-chain VABA, avec un retard prévu de 9.5δ. Cependant, en raison de vulnérabilités, ce protocole n'a pas réussi à atteindre ses performances prévues. Par conséquent, le sMVBA est devenu le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un retard prévu de 10δ. Le rapport propose également deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir le 2PAC (consensus asynchrone en 2 étapes) et le bloc de pipeline ultra-rapide, montrant des améliorations significatives en termes de débit et de latence.
Modèles et définitions
Dans un modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être compromis de manière malveillante. Ces processus communiquent entre eux par des canaux asynchrones, avec des délais de transmission de messages incontrôlables. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, assurant l'authenticité et l'intégrité des messages.
Blockchain Consensus
Le protocole de consensus de la Blockchain vise à garantir que tous les nœuds honnêtes s'accordent sur l'état de la Blockchain. Chaque nœud reçoit en permanence de nouvelles transactions, les regroupe en blocs et utilise le protocole de consensus pour s'assurer que ces blocs sont acceptés par tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus de la Blockchain doit répondre aux exigences fondamentales suivantes :
Activité : Dans une exécution infinie, il existe une blockchain décidée d'une longueur infinie.
Cohérence : s'il existe deux blockchains décidées, l'une 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
Bien que le protocole VABA à 2 chaînes ait un retard prévu de 9,5 δ, il existe plusieurs méthodes d'attaque qui compromettent sa cohérence et sa vitalité. Par exemple, les attaques résultant du manque de vérification de l'authentification, les attaques qui entravent la vitalité en utilisant des stratégies d'amélioration, ainsi que les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que ce protocole ait introduit certains nouveaux mécanismes, tels que l'exécution parallèle de plusieurs instances parallèles, il n'a toujours pas réussi à résoudre complètement ces problèmes.
Conception du nouveau protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)
Sur la base de 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 inclut deux variantes :
2PAClean :
A réalisé plus de 90 % de débit et un délai d'attente prévu de 9,5δ, avec une complexité de message de O(n²).
En améliorant l'efficacité du protocole en éliminant les interactions et les coûts de calcul inutiles.
2PACBIG :
C'est le protocole de consensus Blockchain le plus rapide avec une complexité de message de O(n³).
Le temps d'exécution unique de MVBA sans défaut est de 4δ, ce qui réduit considérablement la latence.
Super pipeline de Bloc rapide
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 plus court que celui des blocs non en pipeline sous un ordonnanceur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus en panne.
Résultats quantitatifs
À travers l'analyse théorique et les tests pratiques, le délai d'attente attendu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-fair) il est de 6δ. En comparaison, le délai d'attente attendu de sMVBA est de 10δ et dans le meilleur des cas il est de 6δ. Ainsi, 2PAClean réduit le délai d'attente dans le pire des cas de 0,5δ tout en maintenant le même délai d'attente dans le meilleur des cas. De plus, le débit de 2PAClean a augmenté de 80 % à 100 % par rapport à la sMVBA en chaîne, principalement en raison de l'évitement des abandons de blocs inutiles et des frais de calcul dans la nouvelle conception.
2PACBIG en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), son temps d'exécution MVBA est de 4δ, 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 encore les performances du protocole.
Évaluation des calculs
Pour évaluer les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont réalisé une vaste évaluation computationnelle. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions de réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à forte taux de pannes. Plus précisément, 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence de transmission des messages et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG parvient à une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.
Directions de recherche futures
protocole d'optimisation : simplifier et optimiser davantage la structure du protocole, réduire les échanges de messages et les coûts de calcul inutiles.
Analyse de la sécurité : analyser en profondeur la sécurité du nouveau protocole dans divers scénarios d'attaque, afin de garantir sa fiabilité dans les applications pratiques.
Application réelle : appliquer le nouveau protocole à un système de Blockchain réel, valider ses performances dans un environnement réseau réel.
Avec le développement continu 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 atteindre un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.
Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité en théorie, mais ont également montré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles perspectives pour la réalisation de protocoles de consensus Blockchain efficaces et sécurisés. Grâce à une recherche et une optimisation constantes, 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.
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ETHReserveBank
· 08-02 04:58
Ça a mal tourné, petit frère.
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WalletDetective
· 08-01 18:19
Le débit est la clé.
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MainnetDelayedAgain
· 08-01 17:32
C'est effectivement rapide mais pas stable.
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SignatureDenied
· 07-30 09:26
Cette latence n'est pas encore assez courte
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NullWhisperer
· 07-30 09:26
Les performances peuvent encore être plus rapides.
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AirdropBlackHole
· 07-30 09:23
Les défauts techniques ont déçu.
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BankruptcyArtist
· 07-30 09:22
Les améliorations de performance sont trop lentes, non ?
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DevChive
· 07-30 09:22
L'augmentation de la vitesse est vraiment agréable.
Innovation du protocole 2PAC : réalisation de 9,5δ de latence et augmentation de 90 % du débit dans le consensus Blockchain
Derniers progrès et applications du protocole de consensus Blockchain
La technologie Blockchain, en tant que technologie de registre distribué décentralisé, garantit l'intégrité et la cohérence des données grâce à un mécanisme 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 de tolérance aux pannes byzantines asynchrone (BFT) présente des avantages uniques pour faire face aux délais réseau et à la défaillance partielle des nœuds, devenant ainsi un point focal de la recherche.
Ce rapport examine l'état actuel du développement des protocoles de consensus Blockchain, en se concentrant sur les derniers progrès du protocole de réplication d'état tolérant aux pannes byzantines asynchrones (BFT SMR). Le protocole asynchrone le plus rapide actuellement est le 2-chain VABA, avec un retard prévu de 9.5δ. Cependant, en raison de vulnérabilités, ce protocole n'a pas réussi à atteindre ses performances prévues. Par conséquent, le sMVBA est devenu le protocole MVBA asynchrone le plus rapide, avec un retard prévu de 10δ. Le rapport propose également deux nouvelles conceptions de protocole, à savoir le 2PAC (consensus asynchrone en 2 étapes) et le bloc de pipeline ultra-rapide, montrant des améliorations significatives en termes de débit et de latence.
Modèles et définitions
Dans un modèle BFT asynchrone, le système est composé de n = 3f + 1 processus, où f processus peuvent être compromis de manière malveillante. Ces processus communiquent entre eux par des canaux asynchrones, avec des délais de transmission de messages incontrôlables. Chaque processus possède une paire de clés publiques et privées pour la signature et la vérification, assurant l'authenticité et l'intégrité des messages.
Blockchain Consensus
Le protocole de consensus de la Blockchain vise à garantir que tous les nœuds honnêtes s'accordent sur l'état de la Blockchain. Chaque nœud reçoit en permanence de nouvelles transactions, les regroupe en blocs et utilise le protocole de consensus pour s'assurer que ces blocs sont acceptés par tous les nœuds honnêtes. Le protocole de consensus de la Blockchain doit répondre aux exigences fondamentales suivantes :
Défis actuels du protocole de consensus asynchrone
Bien que le protocole VABA à 2 chaînes ait un retard prévu de 9,5 δ, il existe plusieurs méthodes d'attaque qui compromettent sa cohérence et sa vitalité. Par exemple, les attaques résultant du manque de vérification de l'authentification, les attaques qui entravent la vitalité en utilisant des stratégies d'amélioration, ainsi que les attaques de cohérence dues à un assouplissement de la définition de l'authentification des leaders, etc. Bien que ce protocole ait introduit certains nouveaux mécanismes, tels que l'exécution parallèle de plusieurs instances parallèles, il n'a toujours pas réussi à résoudre complètement ces problèmes.
Conception du nouveau protocole : 2PAC (Consensus asynchrone en 2 étapes)
Sur la base de 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 inclut deux variantes :
2PAClean :
2PACBIG :
Super pipeline de Bloc rapide
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 plus court que celui des blocs non en pipeline sous un ordonnanceur équitable. Ce mécanisme garantit la latence du chemin rapide dans toutes les exécutions et n'est pas affecté par le comportement des processus en panne.
Résultats quantitatifs
À travers l'analyse théorique et les tests pratiques, le délai d'attente attendu de 2PAClean dans le pire des cas est de 9,5δ, tandis que dans le meilleur des cas (sans pannes et avec un ordonnanceur semi-fair) il est de 6δ. En comparaison, le délai d'attente attendu de sMVBA est de 10δ et dans le meilleur des cas il est de 6δ. Ainsi, 2PAClean réduit le délai d'attente dans le pire des cas de 0,5δ tout en maintenant le même délai d'attente dans le meilleur des cas. De plus, le débit de 2PAClean a augmenté de 80 % à 100 % par rapport à la sMVBA en chaîne, principalement en raison de l'évitement des abandons de blocs inutiles et des frais de calcul dans la nouvelle conception.
2PACBIG en tant que protocole avec une complexité de message de O(n³), son temps d'exécution MVBA est de 4δ, 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 encore les performances du protocole.
Évaluation des calculs
Pour évaluer les performances du nouveau protocole, les chercheurs ont réalisé une vaste évaluation computationnelle. Les résultats montrent que 2PAClean et 2PACBIG affichent d'excellentes performances dans diverses conditions de réseau, en particulier dans des environnements à forte latence et à forte taux de pannes. Plus précisément, 2PAClean réalise un bon équilibre entre la latence de transmission des messages et la complexité computationnelle, tandis que 2PACBIG parvient à une latence plus faible grâce à la parallélisation et à l'optimisation du processus de vote.
Directions de recherche futures
Avec le développement continu 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 atteindre un débit plus élevé et une latence plus faible en simplifiant la structure du protocole et en optimisant le processus de consensus.
Ces nouveaux protocoles ont non seulement prouvé leur supériorité en théorie, mais ont également montré des performances exceptionnelles lors des tests pratiques, offrant de nouvelles perspectives pour la réalisation de protocoles de consensus Blockchain efficaces et sécurisés. Grâce à une recherche et une optimisation constantes, 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.