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行业研究报告:区块链共识协议的最新进展与应用

来源: 时间:2024-07-08 16:33

素材来源:Matthieu Rambaud,Télécom Paris

改编作者:佚名,币界网

报告摘要

本报告探讨了区块链共识协议的发展现状,重点分析了异步拜占庭容错状态机复制(BFT SMR)协议的最新进展。当前最为快速的异步协议是2-chain VABA,但由于其存在漏洞,使得其9.5δ的预期延迟未能实现。因此,sMVBA成为目前最快的异步MVBA协议,预期延迟为10δ。报告还提出了两种新的协议设计,即2PAC(2阶段异步共识)和超快速流水线区块,展现了在吞吐量和延迟方面的显著改进。

区块链技术作为一种去中心化的分布式账本技术,通过共识机制确保数据的完整性和一致性。共识机制是区块链系统的核心,其性能直接影响区块链的可扩展性和安全性。异步拜占庭容错(BFT)共识机制在应对网络延迟和部分节点失效方面具有独特优势,因此成为研究的重点。

模型与定义

在异步BFT模型中,系统由n=3f+1个进程组成,其中f个进程可能被对手恶意破坏。这些进程通过异步通道相互通信,消息的传递延迟由对手控制。每个进程拥有一对公私钥用于签名和验证,确保消息的真实性和完整性。

区块链共识

区块链共识协议旨在使得所有诚实节点就区块链的状态达成一致。具体来说,每个节点不断接收新的交易,并将其打包成区块,通过共识协议确保这些区块在所有诚实节点上达成一致。区块链共识协议需要满足以下几个基本要求:

活性(Liveness):在无限执行中,存在一条无限长的已决定区块链。

一致性(Consistency):如果存在两条已决定区块链,则其中一条必须是另一条的前缀。

P质量(P-Quality):在已决定区块链中,由诚实节点输入的交易占比至少为p。

当前异步共识协议的挑战

当前最为快速的异步共识协议是2-chain VABA,其预期延迟为9.5δ。然而,我们发现该协议存在多种攻击方式,破坏了其一致性和活性。例如,缺乏检查认证导致的攻击,利用提升策略阻碍活性的攻击,以及放宽领导者认证定义导致的一致性攻击等。尽管2-chain VABA引入了一些新的机制,如多平行实例并行运行,但仍未能完全解决这些问题。

新协议设计:2PAC(2阶段异步共识)

基于对现有协议的分析,我们提出了2PAC协议。该协议通过简化和优化共识过程,显著提高了性能。具体包括两个变种:

2PAClean:

实现了+90%的吞吐量和9.5δ的预期延迟,消息复杂度为O(n²)。

通过消除不必要的交互和计算开销,提高了协议的效率。

2PACBIG:

是目前消息复杂度为O(n³)的最快区块链共识协议。

无故障的单次MVBA运行时间为4δ,极大地降低了延迟。

超快速流水线区块

我们提出了一种新的流水线区块设计,显著减少了流水线区块的延迟。通过引入快速路径机制,在公平调度器下,流水线区块的决策时间甚至比非流水线区块还要小。该机制在所有执行中都能保证快速路径的延迟,并且不受故障进程的行为影响。

量化结果

通过理论分析和实际测试,2PAClean在最坏情况下的预期延迟为9.5δ,而在良好情况下(无故障且调度器半公平)则为6δ。相比之下,sMVBA的预期延迟为10δ,良好情况下为6δ。因此,2PAClean在保持相同良好情况延迟的前提下,将最坏情况延迟减少了0.5δ。此外,2PAClean的吞吐量相比链式sMVBA提高了80%至100%,主要归因于新设计中避免了不必要的区块丢弃和计算开销。

2PACBIG作为消息复杂度为O(n³)的协议,其单次MVBA运行时间为4δ,比现有的所有协议都更快。此外,超快速流水线区块设计使得s2PAClean和s2PACBIG分别实现了4δ和3δ的流水线区块决策时间,进一步提升了协议的性能。

计算评估

为了验证新协议的性能,我们进行了广泛的计算评估。结果显示,2PAClean和2PACBIG在各种网络条件下都表现出优异的性能,特别是在高延迟和高故障率的环境中。具体来说,2PAClean在消息传递延迟和计算复杂度之间实现了良好的平衡,而2PACBIG则通过并行化和优化投票过程,实现了更低的延迟。

随着区块链技术的不断发展,异步BFT共识协议将在保障安全性和提高性能方面发挥越来越重要的作用。2PAC和超快速流水线区块的设计展示了未来区块链共识协议的发展方向,即通过简化协议结构和优化共识过程,实现更高的吞吐量和更低的延迟。

未来的研究可以进一步探索以下几个方向:

协议优化:进一步简化和优化协议结构,减少不必要的消息传递和计算开销。

安全性分析:深入分析新协议在各种攻击场景下的安全性,确保其在实际应用中的可靠性。

实际应用:将新协议应用于实际的区块链系统中,验证其在真实网络环境中的性能。

本报告详细分析了当前异步区块链共识协议的优缺点,并提出了两种新的协议设计,即2PAC和超快速流水线区块。新设计在提高吞吐量和减少延迟方面表现出显著优势,为未来的区块链技术发展提供了重要参考。这些新协议不仅在理论上证明了其优越性,还在实际测试中展示了卓越的性能,为实现高效、安全的区块链共识协议提供了新的思路。

通过不断的研究和优化,我们有理由相信,区块链技术将在未来的数字经济中发挥更加重要的作用,而新一代的共识协议将为这一技术的发展提供坚实的基础。


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