行業研究報告：區塊鏈共識協議的最新進展與應用

WEEX 唯客博客，  素材來源：Matthieu Rambaud, Télécom Paris 改編作者：佚名，幣界網   報告摘要 本報告探討了區塊鏈共識協議的發展現狀，重點分析了非同步拜占庭容錯狀態機複製（BFT SMR）協議的最新進展。當前最為快速的非同步協議是2-chain VABA，但由於其存在漏洞，使得其9.5δ的預期延遲未能實現。因此，sMVBA成為目前最快的非同步MVBA協議，預期延遲為10δ。報告還提出了兩種新的協議設計，即2PAC（2階段非同步共識）和超快速流水線區塊，展現了在吞吐量和延遲方面的顯著改進。 區塊鏈技術作為一種去中心化的分散式賬本技術，通過共識機制確保數據的完整性和一致性。共識機制是區塊鏈系統的核心，其性能直接影響區塊鏈的可擴展性和安全性。非同步拜占庭容錯（BFT）共識機制在應對網路延遲和部分節點失效方面具有獨特優勢，因此成為研究的重點。 模型與定義 在非同步BFT模型中，系統由n = 3f + 1個進程組成，其中f個進程可能被對手惡意破壞。這些進程通過非同步通道相互通信，消息的傳遞延遲由對手控制。每個進程擁有一對公私鑰用於簽名和驗證，確保消息的真實性和完整性。 區塊鏈共識 區塊鏈共識協議旨在使得所有誠實節點就區塊鏈的狀態達成一致。具體來說，每個節點不斷接收新的交易，並將其打包成區塊，通過共識協議確保這些區塊在所有誠實節點上達成一致。區塊鏈共識協議需要滿足以下幾個基本要求： 活性（Liveness）：在無限執行中，存在一條無限長的已決定區塊鏈。 一致性（Consistency）：如果存在兩條已決定區塊鏈，則其中一條必須是另一條的前綴。 P質量（P-Quality）：在已決定區塊鏈中，由誠實節點輸入的交易佔比至少為p。 當前非同步共識協議的挑戰 當前最為快速的非同步共識協議是2-chain VABA，其預期延遲為9.5δ。然而，我們發現該協議存在多種攻擊方式，破壞了其一致性和活性。例如，缺乏檢查認證導致的攻擊，利用提升策略阻礙活性的攻擊，以及放寬領導者認證定義導致的一致性攻擊等。儘管2-chain VABA引入了一些新的機制，如多平行實例并行運行，但仍未能完全解決這些問題。 新協議設計：2PAC（2階段非同步共識） 基於對現有協議的分析，我們提出了2PAC協議。該協議通過簡化和優化共識過程，顯著提高了性能。具體包括兩個變種： 2PAClean： 實現了+90%的吞吐量和9.5δ的預期延遲，消息複雜度為O(n²)。 通過消除不必要的交互和計算開銷，提高了協議的效率。 2PACBIG： 是目前消息複雜度為O(n³)的最快區塊鏈共識協議。 無故障的單次MVBA運行時間為4δ，極大地降低了延遲。 超快速流水線區塊 我們提出了一種新的流水線區塊設計，顯著減少了流水線區塊的延遲。通過引入快速路徑機制，在公平調度器下，流水線區塊的決策時間甚至比非流水線區塊還要小。該機制在所有執行中都能保證快速路徑的延遲，並且不受故障進程的行為影響。 量化結果 通過理論分析和實際測試，2PAClean在最壞情況下的預期延遲為9.5δ，而在良好情況下（無故障且調度器半公平）則為6δ。相比之下，sMVBA的預期延遲為10δ，良好情況下為6δ。因此，2PAClean在保持相同良好情況延遲的前提下，將最壞情況延遲減少了0.5δ。此外，2PAClean的吞吐量相比鏈式sMVBA提高了80%至100%，主要歸因於新設計中避免了不必要的區塊丟棄和計算開銷。 2PACBIG作為消息複雜度為O(n³)的協議，其單次MVBA運行時間為4δ，比現有的所有協議都更快。此外，超快速流水線區塊設計使得s2PAClean和s2PACBIG分別實現了4δ和3δ的流水線區塊決策時間，進一步提升了協議的性能。 計算評估 為了驗證新協議的性能，我們進行了廣泛的計算評估。結果顯示，2PAClean和2PACBIG在各種網路條件下都表現出優異的性能，特別是在高延遲和高故障率的環境中。具體來說，2PAClean在消息傳遞延遲和計算複雜度之間實現了良好的平衡，而2PACBIG則通過并行化和優化投票過程，實現了更低的延遲。 隨著區塊鏈技術的不斷發展，非同步BFT共識協議將在保障安全性和提高性能方面發揮越來越重要的作用。2PAC和超快速流水線區塊的設計展示了未來區塊鏈共識協議的發展方向，即通過簡化協議結構和優化共識過程，實現更高的吞吐量和更低的延遲。 未來的研究可以進一步探索以下幾個方向： 協議優化：進一步簡化和優化協議結構，減少不必要的消息傳遞和計算開銷。 安全性分析：深入分析新協議在各種攻擊場景下的安全性，確保其在實際應用中的可靠性。 實際應用：將新協議應用於實際的區塊鏈系統中，驗證其在真實網路環境中的性能。 本報告詳細分析了當前非同步區塊鏈共識協議的優缺點，並提出了兩種新的協議設計，即2PAC和超快速流水線區塊。新設計在提高吞吐量和減少延遲方面表現出顯著優勢，為未來的區塊鏈技術發展提供了重要參考。這些新協議不僅在理論上證明了其優越性，還在實際測試中展示了卓越的性能，為實現高效、安全的區塊鏈共識協議提供了新的思路。 通過不斷的研究和優化，我們有理由相信，區塊鏈技術將在未來的數字經濟中發揮更加重要的作用，而新一代的共識協議將為這一技術的發展提供堅實的基礎。 WEEX唯客交易所官網：weex.com