Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain
Teknologi blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, kinerjanya secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi keterlambatan jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.
Laporan ini membahas tentang perkembangan terkini protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status toleran kesalahan Bizantium asinkron (BFT SMR). Protokol asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, tetapi karena adanya celah, diharapkan latensi 9.5δ tidak dapat tercapai. Oleh karena itu, sMVBA menjadi protokol MVBA asinkron tercepat saat ini, dengan latensi yang diharapkan sebesar 10δ. Laporan ini juga mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron 2 tahap) dan blok pipeline super cepat, yang menunjukkan perbaikan signifikan dalam hal throughput dan latensi.
Model dan Definisi
Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses dapat dirusak secara jahat oleh lawan. Proses-proses ini saling berkomunikasi melalui saluran asinkron, dan penundaan pengiriman pesan dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.
Blockchain Konsensus
Protokol konsensus blockchain bertujuan agar semua node yang jujur mencapai kesepakatan mengenai status blockchain. Secara spesifik, setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi blok, melalui protokol konsensus untuk memastikan bahwa blok-blok ini disepakati di semua node yang jujur. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi beberapa persyaratan dasar berikut:
Aktivitas (Liveness): Dalam eksekusi tak terbatas, terdapat sebuah blockchain yang telah ditentukan yang panjangnya tak terbatas.
Konsistensi: Jika terdapat dua blockchain yang telah diputuskan, maka salah satunya harus menjadi prefix dari yang lainnya.
P-Quality (P-Quality): Dalam blockchain yang telah diputuskan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur harus setidaknya p.
Tantangan protokol konsensus asinkron saat ini
Protokol konsensus asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, dengan latensi yang diharapkan sebesar 9,5δ. Namun, kami menemukan bahwa protokol ini memiliki berbagai cara serangan yang merusak konsistensi dan aktivitasnya. Misalnya, serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan otentikasi, serangan yang menghalangi aktivitas dengan memanfaatkan strategi peningkatan, serta serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi otentikasi pemimpin. Meskipun 2-chain VABA memperkenalkan beberapa mekanisme baru, seperti menjalankan beberapa instansi paralel secara bersamaan, masih belum dapat sepenuhnya menyelesaikan masalah-masalah ini.
Desain Protokol Baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2)
Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, kami mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Secara khusus mencakup dua varian:
2PAClean：
Mencapai +90% throughput dan latensi yang diharapkan 9.5δ, kompleksitas pesan adalah O(n²).
Meningkatkan efisiensi protokol dengan menghilangkan interaksi dan biaya komputasi yang tidak perlu.
2PACBIG：
Merupakan protokol konsensus blockchain tercepat dengan kompleksitas pesan saat ini O(n³).
Waktu operasi MVBA tunggal tanpa kesalahan adalah 4δ, yang secara signifikan mengurangi latensi.
Jalur Aliran Blok Super Cepat
Kami mengusulkan desain blok pipeline baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok pipeline. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, waktu keputusan blok pipeline bahkan lebih kecil daripada blok non-pipeline di bawah penjadwal yang adil. Mekanisme ini menjamin latensi jalur cepat dalam semua eksekusi, dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.
Hasil Kuantitatif
Melalui analisis teori dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki perkiraan keterlambatan terburuk sebesar 9.5δ, sedangkan dalam kondisi baik (tanpa kegagalan dan penjadwal setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, keterlambatan yang diharapkan dari sMVBA adalah 10δ, dan dalam kondisi baik adalah 6δ. Oleh karena itu, 2PAClean berhasil mengurangi keterlambatan terburuk sebesar 0.5δ sambil mempertahankan keterlambatan dalam kondisi baik yang sama. Selain itu, throughput 2PAClean dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai meningkat 80% hingga 100%, yang terutama disebabkan oleh desain baru yang menghindari pembuangan blok yang tidak perlu dan beban komputasi.
2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), memiliki waktu eksekusi MVBA tunggal sebesar 4δ, lebih cepat dibandingkan dengan semua protokol yang ada. Selain itu, desain blok pipeline super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG untuk mencapai waktu keputusan blok pipeline sebesar 4δ dan 3δ masing-masing, lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.
Evaluasi Perhitungan
Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, kami melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasil menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang sangat baik di berbagai kondisi jaringan, terutama dalam lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kegagalan tinggi. Secara spesifik, 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan optimasi proses pemungutan suara.
Seiring dengan perkembangan teknologi Blockchain yang terus menerus, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam memastikan keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan Blok pipeline super cepat menunjukkan arah pengembangan protokol konsensus Blockchain di masa depan, yaitu dengan menyederhanakan struktur protokol dan mengoptimalkan proses konsensus untuk mencapai throughput yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah.
Arah Penelitian Masa Depan
Penelitian di masa depan dapat mengeksplorasi beberapa arah berikut:
Protokol dioptimalkan: lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan dan biaya komputasi yang tidak perlu.
Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan untuk memastikan keandalannya dalam aplikasi praktis.
Aplikasi nyata: Menerapkan protokol baru ke dalam sistem Blockchain nyata, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.
Laporan ini menganalisis secara mendetail kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, dan mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan blok aliran super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan yang signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk pengembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teori, tetapi juga menunjukkan kinerja yang luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan ide baru untuk mencapai protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.
Melalui penelitian dan optimasi yang berkelanjutan, kami memiliki alasan untuk percaya bahwa teknologi Blockchain akan memainkan peran yang lebih penting dalam ekonomi digital di masa depan, dan protokol konsensus generasi baru akan memberikan dasar yang kokoh bagi perkembangan teknologi ini.
Lihat Asli
Halaman ini mungkin berisi konten pihak ketiga, yang disediakan untuk tujuan informasi saja (bukan pernyataan/jaminan) dan tidak boleh dianggap sebagai dukungan terhadap pandangannya oleh Gate, atau sebagai nasihat keuangan atau profesional. Lihat Penafian untuk detailnya.
2PAC protokol: Mewujudkan konsensus blockchain asinkron yang lebih cepat dan efisien
Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain
Teknologi blockchain sebagai teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, kinerjanya secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi keterlambatan jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.
Laporan ini membahas tentang perkembangan terkini protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status toleran kesalahan Bizantium asinkron (BFT SMR). Protokol asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, tetapi karena adanya celah, diharapkan latensi 9.5δ tidak dapat tercapai. Oleh karena itu, sMVBA menjadi protokol MVBA asinkron tercepat saat ini, dengan latensi yang diharapkan sebesar 10δ. Laporan ini juga mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron 2 tahap) dan blok pipeline super cepat, yang menunjukkan perbaikan signifikan dalam hal throughput dan latensi.
Model dan Definisi
Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses dapat dirusak secara jahat oleh lawan. Proses-proses ini saling berkomunikasi melalui saluran asinkron, dan penundaan pengiriman pesan dikendalikan oleh lawan. Setiap proses memiliki sepasang kunci publik dan privat untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.
Blockchain Konsensus
Protokol konsensus blockchain bertujuan agar semua node yang jujur mencapai kesepakatan mengenai status blockchain. Secara spesifik, setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi blok, melalui protokol konsensus untuk memastikan bahwa blok-blok ini disepakati di semua node yang jujur. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi beberapa persyaratan dasar berikut:
Tantangan protokol konsensus asinkron saat ini
Protokol konsensus asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, dengan latensi yang diharapkan sebesar 9,5δ. Namun, kami menemukan bahwa protokol ini memiliki berbagai cara serangan yang merusak konsistensi dan aktivitasnya. Misalnya, serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan otentikasi, serangan yang menghalangi aktivitas dengan memanfaatkan strategi peningkatan, serta serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi otentikasi pemimpin. Meskipun 2-chain VABA memperkenalkan beberapa mekanisme baru, seperti menjalankan beberapa instansi paralel secara bersamaan, masih belum dapat sepenuhnya menyelesaikan masalah-masalah ini.
Desain Protokol Baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2)
Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, kami mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Secara khusus mencakup dua varian:
2PAClean：
2PACBIG：
Jalur Aliran Blok Super Cepat
Kami mengusulkan desain blok pipeline baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok pipeline. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, waktu keputusan blok pipeline bahkan lebih kecil daripada blok non-pipeline di bawah penjadwal yang adil. Mekanisme ini menjamin latensi jalur cepat dalam semua eksekusi, dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.
Hasil Kuantitatif
Melalui analisis teori dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki perkiraan keterlambatan terburuk sebesar 9.5δ, sedangkan dalam kondisi baik (tanpa kegagalan dan penjadwal setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, keterlambatan yang diharapkan dari sMVBA adalah 10δ, dan dalam kondisi baik adalah 6δ. Oleh karena itu, 2PAClean berhasil mengurangi keterlambatan terburuk sebesar 0.5δ sambil mempertahankan keterlambatan dalam kondisi baik yang sama. Selain itu, throughput 2PAClean dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai meningkat 80% hingga 100%, yang terutama disebabkan oleh desain baru yang menghindari pembuangan blok yang tidak perlu dan beban komputasi.
2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), memiliki waktu eksekusi MVBA tunggal sebesar 4δ, lebih cepat dibandingkan dengan semua protokol yang ada. Selain itu, desain blok pipeline super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG untuk mencapai waktu keputusan blok pipeline sebesar 4δ dan 3δ masing-masing, lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.
Evaluasi Perhitungan
Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, kami melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasil menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang sangat baik di berbagai kondisi jaringan, terutama dalam lingkungan dengan latensi tinggi dan tingkat kegagalan tinggi. Secara spesifik, 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan optimasi proses pemungutan suara.
Seiring dengan perkembangan teknologi Blockchain yang terus menerus, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam memastikan keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan Blok pipeline super cepat menunjukkan arah pengembangan protokol konsensus Blockchain di masa depan, yaitu dengan menyederhanakan struktur protokol dan mengoptimalkan proses konsensus untuk mencapai throughput yang lebih tinggi dan latensi yang lebih rendah.
Arah Penelitian Masa Depan
Penelitian di masa depan dapat mengeksplorasi beberapa arah berikut:
Protokol dioptimalkan: lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, mengurangi pengiriman pesan dan biaya komputasi yang tidak perlu.
Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan untuk memastikan keandalannya dalam aplikasi praktis.
Aplikasi nyata: Menerapkan protokol baru ke dalam sistem Blockchain nyata, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang sebenarnya.
Laporan ini menganalisis secara mendetail kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, dan mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan blok aliran super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan yang signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk pengembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teori, tetapi juga menunjukkan kinerja yang luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan ide baru untuk mencapai protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.
Melalui penelitian dan optimasi yang berkelanjutan, kami memiliki alasan untuk percaya bahwa teknologi Blockchain akan memainkan peran yang lebih penting dalam ekonomi digital di masa depan, dan protokol konsensus generasi baru akan memberikan dasar yang kokoh bagi perkembangan teknologi ini.