業界研究報告：ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新の進展と応用

素材来源：Matthieu Rambaud, Télécom Paris

改编作者：佚名，币界网

報告概要

本報告は、ブロックチェーンのコンセンサスプロトコルの発展状況を探求し、非同期ビザンチン耐障害状態機械複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を重点的に分析します。現在最も高速な非同期プロトコルは2-chain VABAですが、その脆弱性により9.5δの期待遅延を実現できませんでした。したがって、sMVBAは現在最も速い非同期MVBAプロトコルとなり、期待遅延は10δです。報告書では、2PAC（2段階非同期コンセンサス）と超高速パイプラインブロックという2つの新しいプロトコル設計を提案し、スループットと遅延の面で顕著な改善を示しています。

ブロックチェーン技術は、分散型の台帳技術として、コンセンサスメカニズムを通じてデータの完全性と一貫性を確保します。コンセンサスメカニズムはブロックチェーンシステムの核心であり、その性能はブロックチェーンのスケーラビリティとセキュリティに直接影響します。非同期ビザンチン耐障害（BFT）コンセンサスメカニズムは、ネットワーク遅延や部分的なノードの障害に対処する上で独自の利点を持っているため、研究の重点となっています。

モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1のプロセスで構成され、そのうちf個のプロセスは敵によって悪意を持って破壊される可能性があります。これらのプロセスは非同期チャネルを介して相互に通信し、メッセージの伝達遅延は敵によって制御されます。各プロセスは、メッセージの真実性と完全性を保証するために署名と検証に使用される一対の公開鍵と秘密鍵を持っています。

ブロックチェーンコンセンサス

ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、すべての誠実なノードがブロックチェーンの状態に関して合意に達することを目的としています。具体的には、各ノードは新しいトランザクションを継続的に受信し、それをブロックにパッケージ化し、コンセンサスプロトコルを通じてこれらのブロックがすべての誠実なノードで合意に達することを確保します。ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下の基本的な要件を満たす必要があります：

活性（Liveness）：無限の実行の中で、決定されたブロックチェーンが無限に存在する。

一貫性（Consistency）：2つの決定されたブロックチェーンが存在する場合、そのうちの1つは他の1つの接頭辞でなければならない。

P品質（P-Quality）：決定されたブロックチェーンにおいて、誠実なノードからのトランザクションの割合が少なくともpである。

現在の非同期コンセンサスプロトコルの課題

現在最も高速な非同期コンセンサスプロトコルは2-chain VABAで、その期待遅延は9.5δです。しかし、私たちはこのプロトコルに多くの攻撃手法が存在し、その一貫性と活性を破壊していることを発見しました。例えば、認証チェックの欠如による攻撃、活性を妨げるための昇格戦略を利用した攻撃、リーダー認証の定義を緩和することによる一貫性攻撃などです。2-chain VABAは、複数の並行インスタンスを同時に実行するなどの新しいメカニズムを導入しましたが、これらの問題を完全には解決できていません。

新しいプロトコル設計：2PAC（2段階非同期コンセンサス）

既存のプロトコルの分析に基づいて、私たちは2PACプロトコルを提案しました。このプロトコルは、コンセンサスプロセスを簡素化し最適化することで、性能を大幅に向上させました。具体的には、2つの変種があります：

2PAClean：

+90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑さはO(n²)です。

不必要な相互作用と計算コストを排除することで、プロトコルの効率を向上させました。

2PACBIG：

現在、メッセージの複雑さがO(n³)の最速のブロックチェーンコンセンサスプロトコルです。

故障のない単一のMVBAの実行時間は4δで、遅延を大幅に削減しました。

超高速パイプラインブロック

私たちは、新しいパイプラインブロック設計を提案し、パイプラインブロックの遅延を大幅に削減しました。迅速なパスメカニズムを導入することで、公平なスケジューラの下で、パイプラインブロックの決定時間は非パイプラインブロックよりも短くなります。このメカニズムは、すべての実行において迅速なパスの遅延を保証し、故障プロセスの動作に影響されません。

定量的結果

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanの最悪の場合の期待遅延は9.5δであり、良好な場合（故障なしかつスケジューラが半公平）では6δです。それに対して、sMVBAの期待遅延は10δで、良好な場合は6δです。したがって、2PACleanは同じ良好な場合の遅延を維持しつつ、最悪の場合の遅延を0.5δ削減しました。さらに、2PACleanのスループットは、チェーン型sMVBAと比較して80%から100%向上し、新しい設計において不必要なブロックの廃棄と計算コストを回避したことが主な要因です。

2PACBIGはメッセージの複雑さがO(n³)のプロトコルであり、その単一のMVBAの実行時間は4δで、既存のすべてのプロトコルよりも速いです。さらに、超高速パイプラインブロック設計により、s2PACleanとs2PACBIGはそれぞれ4δと3δのパイプラインブロック決定時間を実現し、プロトコルの性能をさらに向上させました。

計算評価

新しいプロトコルの性能を検証するために、広範な計算評価を行いました。結果は、2PACleanと2PACBIGがさまざまなネットワーク条件下で優れた性能を示し、特に高遅延および高故障率の環境で顕著でした。具体的には、2PACleanはメッセージ伝達遅延と計算の複雑さの間で良好なバランスを実現し、2PACBIGは投票プロセスの並行化と最適化を通じて、より低い遅延を達成しました。

ブロックチェーン技術の継続的な発展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは、セキュリティを確保しつつ性能を向上させる上でますます重要な役割を果たすでしょう。2PACと超高速パイプラインブロックの設計は、将来のブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展方向を示しており、プロトコル構造の簡素化とコンセンサスプロセスの最適化を通じて、より高いスループットとより低い遅延を実現します。

今後の研究は以下のいくつかの方向をさらに探求できます：

プロトコルの最適化：プロトコル構造をさらに簡素化し、不要なメッセージ伝達と計算コストを削減します。

セキュリティ分析：新しいプロトコルのさまざまな攻撃シナリオにおけるセキュリティを深く分析し、実際のアプリケーションにおける信頼性を確保します。

実際の応用：新しいプロトコルを実際のブロックチェーンシステムに適用し、真のネットワーク環境での性能を検証します。

本報告は、現在の非同期ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの長所と短所を詳細に分析し、2PACと超高速パイプラインブロックという2つの新しいプロトコル設計を提案しました。新しい設計は、スループットの向上と遅延の削減において顕著な利点を示し、将来のブロックチェーン技術の発展に重要な参考を提供します。これらの新しいプロトコルは、理論的にその優位性を証明するだけでなく、実際のテストでも卓越した性能を示し、高効率で安全なブロックチェーンコンセンサスプロトコルの実現に新しい視点を提供します。

継続的な研究と最適化を通じて、ブロックチェーン技術が将来のデジタル経済においてより重要な役割を果たすと信じる理由があり、新しい世代のコンセンサスプロトコルがこの技術の発展に堅実な基盤を提供するでしょう。