Tiến triển và ứng dụng mới nhất của giao thức nhận thức chung Blockchain
Công nghệ Blockchain, như một loại công nghệ sổ cái phân tán phi tập trung, đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu thông qua cơ chế nhận thức chung. Cơ chế nhận thức chung là cốt lõi của hệ thống blockchain, hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mở rộng và độ an toàn của blockchain. Cơ chế nhận thức chung BFT (tolerant Byzantine fault) có những ưu điểm độc đáo trong việc đối phó với độ trễ mạng và sự cố của một số nút, do đó trở thành trọng tâm nghiên cứu.
Báo cáo này khám phá tình trạng phát triển của giao thức nhận thức chung blockchain, phân tích sâu về những tiến bộ gần đây của giao thức sao chép trạng thái kháng lỗi Byzantine bất đồng bộ (BFT SMR). Giao thức bất đồng bộ nhanh nhất hiện tại là 2-chain VABA, với độ trễ dự kiến là 9.5δ. Tuy nhiên, do tồn tại lỗ hổng, giao thức này đã không đạt được hiệu suất như mong đợi. Do đó, sMVBA đã trở thành giao thức MVBA bất đồng bộ nhanh nhất hiện nay, với độ trễ dự kiến là 10δ. Báo cáo cũng đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC (nhận thức chung bất đồng bộ 2 giai đoạn) và khối siêu nhanh theo dòng, cho thấy sự cải tiến đáng kể về thông lượng và độ trễ.
Mô hình và định nghĩa
Trong mô hình BFT bất đồng bộ, hệ thống bao gồm n = 3f + 1 tiến trình, trong đó f tiến trình có thể bị phá hoại một cách ác ý. Những tiến trình này giao tiếp với nhau qua các kênh bất đồng bộ, độ trễ trong việc truyền tải tin nhắn không thể kiểm soát. Mỗi tiến trình sở hữu một cặp khóa công khai và riêng tư để ký và xác minh, đảm bảo tính xác thực và toàn vẹn của tin nhắn.
Blockchain Nhận thức chung
Giao thức nhận thức chung Blockchain nhằm mục đích giúp tất cả các nút trung thực đạt được sự đồng thuận về trạng thái của Blockchain. Mỗi nút liên tục nhận các giao dịch mới, đóng gói chúng thành các khối, và thông qua giao thức nhận thức chung đảm bảo rằng các khối này đạt được sự nhất trí trên tất cả các nút trung thực. Giao thức nhận thức chung Blockchain cần đáp ứng một số yêu cầu cơ bản sau:
Hoạt tính: Trong việc thực thi vô hạn, tồn tại một chuỗi khối đã được quyết định có chiều dài vô hạn.
Tính nhất quán: Nếu tồn tại hai chuỗi Blockchain đã được quyết định, thì một trong hai chuỗi đó phải là tiền tố của chuỗi còn lại.
Chất lượng P: Trong blockchain đã được quyết định, tỷ lệ giao dịch do các nút trung thực nhập vào ít nhất là p.
Thách thức của giao thức nhận thức chung bất đồng bộ hiện tại
Mặc dù giao thức VABA 2-chain có độ trễ dự kiến là 9.5δ, nhưng vẫn tồn tại nhiều phương thức tấn công làm suy giảm tính nhất quán và tính khả thi của nó. Ví dụ, các cuộc tấn công do thiếu kiểm tra xác thực, các cuộc tấn công sử dụng chiến lược nâng cao để cản trở tính khả thi, và các cuộc tấn công về tính nhất quán do nới lỏng định nghĩa xác thực lãnh đạo, v.v. Mặc dù giao thức này đã giới thiệu một số cơ chế mới như nhiều phiên bản song song chạy đồng thời, nhưng vẫn chưa giải quyết triệt để những vấn đề này.
Thiết kế giao thức mới: 2PAC (Nhận thức chung không đồng bộ 2 giai đoạn)
Dựa trên phân tích các giao thức hiện có, các nhà nghiên cứu đã đề xuất giao thức 2PAC. Giao thức này nâng cao hiệu suất một cách đáng kể bằng cách đơn giản hóa và tối ưu hóa quá trình nhận thức chung. Cụ thể bao gồm hai biến thể:
2PAClean：
Đạt được +90% thông lượng và độ trễ mong đợi 9.5δ, độ phức tạp thông điệp là O(n²).
Bằng cách loại bỏ những tương tác và chi phí tính toán không cần thiết, đã nâng cao hiệu quả của giao thức.
2PACBIG：
Là giao thức nhận thức chung Blockchain nhanh nhất hiện nay với độ phức tạp thông báo là O(n³).
Thời gian chạy MVBA một lần không có lỗi là 4δ, giảm thiểu độ trễ một cách đáng kể.
Siêu nhanh dòng chảy khối
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế khối ống mới, giảm đáng kể độ trễ của khối ống. Bằng cách giới thiệu cơ chế đường dẫn nhanh, dưới trình lập lịch công bằng, thời gian quyết định của khối ống thậm chí còn nhỏ hơn cả khối không ống. Cơ chế này đảm bảo độ trễ của đường dẫn nhanh trong tất cả các thực thi và không bị ảnh hưởng bởi hành vi của các tiến trình gặp lỗi.
Kết quả định lượng
Thông qua phân tích lý thuyết và thử nghiệm thực tế, độ trễ kỳ vọng của 2PAClean trong trường hợp xấu nhất là 9.5δ, trong khi trong trường hợp tốt (không có lỗi và bộ lập lịch bán công bằng) là 6δ. So với đó, độ trễ kỳ vọng của sMVBA là 10δ, trong trường hợp tốt là 6δ. Do đó, 2PAClean đã giảm độ trễ trong trường hợp xấu nhất xuống 0.5δ trong khi vẫn giữ được độ trễ trong trường hợp tốt giống nhau. Hơn nữa, thông lượng của 2PAClean so với sMVBA chuỗi đã tăng từ 80% đến 100%, chủ yếu do thiết kế mới đã tránh được việc loại bỏ khối không cần thiết và chi phí tính toán.
2PACBIG là một giao thức với độ phức tạp thông điệp O(n³), thời gian chạy MVBA một lần của nó là 4δ, nhanh hơn tất cả các giao thức hiện có. Ngoài ra, thiết kế khối dòng siêu nhanh đã giúp s2PAClean và s2PACBIG đạt được thời gian quyết định khối dòng là 4δ và 3δ tương ứng, nâng cao thêm hiệu suất của giao thức.
Đánh giá tính toán
Để xác minh hiệu suất của giao thức mới, các nhà nghiên cứu đã tiến hành đánh giá tính toán rộng rãi. Kết quả cho thấy, 2PAClean và 2PACBIG đều thể hiện hiệu suất xuất sắc trong nhiều điều kiện mạng, đặc biệt là trong môi trường có độ trễ cao và tỷ lệ lỗi cao. Cụ thể, 2PAClean đã đạt được sự cân bằng tốt giữa độ trễ truyền tin và độ phức tạp tính toán, trong khi 2PACBIG đã đạt được độ trễ thấp hơn thông qua việc song song hóa và tối ưu hóa quy trình bỏ phiếu.
Hướng nghiên cứu trong tương lai
Tối ưu hóa giao thức: Cấu trúc giao thức được đơn giản hóa và tối ưu hóa hơn nữa để giảm chi phí tính toán và nhắn tin không cần thiết.
Phân tích an ninh: Phân tích sâu về an ninh của giao thức mới trong các tình huống tấn công khác nhau, đảm bảo tính đáng tin cậy của nó trong ứng dụng thực tế.
Ứng dụng thực tế: Áp dụng giao thức mới vào hệ thống Blockchain thực tế, xác minh hiệu suất của nó trong môi trường mạng thực.
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ Blockchain, giao thức đồng thuận BFT bất đồng bộ sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu suất. Thiết kế 2PAC và khối ống siêu nhanh đã chỉ ra hướng phát triển của các giao thức đồng thuận Blockchain trong tương lai, tức là thông qua việc đơn giản hóa cấu trúc giao thức và tối ưu hóa quy trình đồng thuận, đạt được thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn.
Những giao thức mới này không chỉ chứng minh sự vượt trội của chúng về mặt lý thuyết mà còn thể hiện hiệu suất xuất sắc trong các thử nghiệm thực tế, cung cấp những ý tưởng mới cho việc thực hiện các giao thức nhận thức chung an toàn và hiệu quả trên Blockchain. Thông qua việc nghiên cứu và tối ưu hóa liên tục, công nghệ Blockchain sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nền kinh tế số trong tương lai, trong khi các giao thức nhận thức chung thế hệ mới sẽ cung cấp nền tảng vững chắc cho sự phát triển của công nghệ này.
Xem bản gốc
Trang này có thể chứa nội dung của bên thứ ba, được cung cấp chỉ nhằm mục đích thông tin (không phải là tuyên bố/bảo đảm) và không được coi là sự chứng thực cho quan điểm của Gate hoặc là lời khuyên về tài chính hoặc chuyên môn. Xem Tuyên bố từ chối trách nhiệm để biết chi tiết.
Cải cách giao thức 2PAC: Blockchain nhận thức chung đạt được trễ 9.5δ và nâng cao 90% thông lượng
Tiến triển và ứng dụng mới nhất của giao thức nhận thức chung Blockchain
Công nghệ Blockchain, như một loại công nghệ sổ cái phân tán phi tập trung, đảm bảo tính toàn vẹn và nhất quán của dữ liệu thông qua cơ chế nhận thức chung. Cơ chế nhận thức chung là cốt lõi của hệ thống blockchain, hiệu suất của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mở rộng và độ an toàn của blockchain. Cơ chế nhận thức chung BFT (tolerant Byzantine fault) có những ưu điểm độc đáo trong việc đối phó với độ trễ mạng và sự cố của một số nút, do đó trở thành trọng tâm nghiên cứu.
Báo cáo này khám phá tình trạng phát triển của giao thức nhận thức chung blockchain, phân tích sâu về những tiến bộ gần đây của giao thức sao chép trạng thái kháng lỗi Byzantine bất đồng bộ (BFT SMR). Giao thức bất đồng bộ nhanh nhất hiện tại là 2-chain VABA, với độ trễ dự kiến là 9.5δ. Tuy nhiên, do tồn tại lỗ hổng, giao thức này đã không đạt được hiệu suất như mong đợi. Do đó, sMVBA đã trở thành giao thức MVBA bất đồng bộ nhanh nhất hiện nay, với độ trễ dự kiến là 10δ. Báo cáo cũng đề xuất hai thiết kế giao thức mới, đó là 2PAC (nhận thức chung bất đồng bộ 2 giai đoạn) và khối siêu nhanh theo dòng, cho thấy sự cải tiến đáng kể về thông lượng và độ trễ.
Mô hình và định nghĩa
Trong mô hình BFT bất đồng bộ, hệ thống bao gồm n = 3f + 1 tiến trình, trong đó f tiến trình có thể bị phá hoại một cách ác ý. Những tiến trình này giao tiếp với nhau qua các kênh bất đồng bộ, độ trễ trong việc truyền tải tin nhắn không thể kiểm soát. Mỗi tiến trình sở hữu một cặp khóa công khai và riêng tư để ký và xác minh, đảm bảo tính xác thực và toàn vẹn của tin nhắn.
Blockchain Nhận thức chung
Giao thức nhận thức chung Blockchain nhằm mục đích giúp tất cả các nút trung thực đạt được sự đồng thuận về trạng thái của Blockchain. Mỗi nút liên tục nhận các giao dịch mới, đóng gói chúng thành các khối, và thông qua giao thức nhận thức chung đảm bảo rằng các khối này đạt được sự nhất trí trên tất cả các nút trung thực. Giao thức nhận thức chung Blockchain cần đáp ứng một số yêu cầu cơ bản sau:
Thách thức của giao thức nhận thức chung bất đồng bộ hiện tại
Mặc dù giao thức VABA 2-chain có độ trễ dự kiến là 9.5δ, nhưng vẫn tồn tại nhiều phương thức tấn công làm suy giảm tính nhất quán và tính khả thi của nó. Ví dụ, các cuộc tấn công do thiếu kiểm tra xác thực, các cuộc tấn công sử dụng chiến lược nâng cao để cản trở tính khả thi, và các cuộc tấn công về tính nhất quán do nới lỏng định nghĩa xác thực lãnh đạo, v.v. Mặc dù giao thức này đã giới thiệu một số cơ chế mới như nhiều phiên bản song song chạy đồng thời, nhưng vẫn chưa giải quyết triệt để những vấn đề này.
Thiết kế giao thức mới: 2PAC (Nhận thức chung không đồng bộ 2 giai đoạn)
Dựa trên phân tích các giao thức hiện có, các nhà nghiên cứu đã đề xuất giao thức 2PAC. Giao thức này nâng cao hiệu suất một cách đáng kể bằng cách đơn giản hóa và tối ưu hóa quá trình nhận thức chung. Cụ thể bao gồm hai biến thể:
2PAClean：
2PACBIG：
Siêu nhanh dòng chảy khối
Các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế khối ống mới, giảm đáng kể độ trễ của khối ống. Bằng cách giới thiệu cơ chế đường dẫn nhanh, dưới trình lập lịch công bằng, thời gian quyết định của khối ống thậm chí còn nhỏ hơn cả khối không ống. Cơ chế này đảm bảo độ trễ của đường dẫn nhanh trong tất cả các thực thi và không bị ảnh hưởng bởi hành vi của các tiến trình gặp lỗi.
Kết quả định lượng
Thông qua phân tích lý thuyết và thử nghiệm thực tế, độ trễ kỳ vọng của 2PAClean trong trường hợp xấu nhất là 9.5δ, trong khi trong trường hợp tốt (không có lỗi và bộ lập lịch bán công bằng) là 6δ. So với đó, độ trễ kỳ vọng của sMVBA là 10δ, trong trường hợp tốt là 6δ. Do đó, 2PAClean đã giảm độ trễ trong trường hợp xấu nhất xuống 0.5δ trong khi vẫn giữ được độ trễ trong trường hợp tốt giống nhau. Hơn nữa, thông lượng của 2PAClean so với sMVBA chuỗi đã tăng từ 80% đến 100%, chủ yếu do thiết kế mới đã tránh được việc loại bỏ khối không cần thiết và chi phí tính toán.
2PACBIG là một giao thức với độ phức tạp thông điệp O(n³), thời gian chạy MVBA một lần của nó là 4δ, nhanh hơn tất cả các giao thức hiện có. Ngoài ra, thiết kế khối dòng siêu nhanh đã giúp s2PAClean và s2PACBIG đạt được thời gian quyết định khối dòng là 4δ và 3δ tương ứng, nâng cao thêm hiệu suất của giao thức.
Đánh giá tính toán
Để xác minh hiệu suất của giao thức mới, các nhà nghiên cứu đã tiến hành đánh giá tính toán rộng rãi. Kết quả cho thấy, 2PAClean và 2PACBIG đều thể hiện hiệu suất xuất sắc trong nhiều điều kiện mạng, đặc biệt là trong môi trường có độ trễ cao và tỷ lệ lỗi cao. Cụ thể, 2PAClean đã đạt được sự cân bằng tốt giữa độ trễ truyền tin và độ phức tạp tính toán, trong khi 2PACBIG đã đạt được độ trễ thấp hơn thông qua việc song song hóa và tối ưu hóa quy trình bỏ phiếu.
Hướng nghiên cứu trong tương lai
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ Blockchain, giao thức đồng thuận BFT bất đồng bộ sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu suất. Thiết kế 2PAC và khối ống siêu nhanh đã chỉ ra hướng phát triển của các giao thức đồng thuận Blockchain trong tương lai, tức là thông qua việc đơn giản hóa cấu trúc giao thức và tối ưu hóa quy trình đồng thuận, đạt được thông lượng cao hơn và độ trễ thấp hơn.
Những giao thức mới này không chỉ chứng minh sự vượt trội của chúng về mặt lý thuyết mà còn thể hiện hiệu suất xuất sắc trong các thử nghiệm thực tế, cung cấp những ý tưởng mới cho việc thực hiện các giao thức nhận thức chung an toàn và hiệu quả trên Blockchain. Thông qua việc nghiên cứu và tối ưu hóa liên tục, công nghệ Blockchain sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong nền kinh tế số trong tương lai, trong khi các giao thức nhận thức chung thế hệ mới sẽ cung cấp nền tảng vững chắc cho sự phát triển của công nghệ này.