Kemajuan dan Aplikasi Terbaru Protokol Konsensus Blockchain

Teknologi Blockchain sebagai salah satu teknologi buku besar terdistribusi yang terdesentralisasi, memastikan integritas dan konsistensi data melalui mekanisme konsensus. Mekanisme konsensus adalah inti dari sistem blockchain, dan kinerjanya secara langsung mempengaruhi skalabilitas dan keamanan blockchain. Mekanisme konsensus Byzantine Fault Tolerance (BFT) memiliki keunggulan unik dalam menghadapi latensi jaringan dan kegagalan sebagian node, sehingga menjadi fokus penelitian.

Artikel ini membahas perkembangan terkini dari protokol konsensus blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi status mesin toleran kesalahan Bizantium asinkron (BFT SMR). Protokol asinkron tercepat saat ini adalah sMVBA, dengan latensi yang diharapkan sebesar 10δ. Artikel ini juga memperkenalkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron dua 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 penandatanganan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Blockchain Konsensus

Protokol konsensus blockchain bertujuan untuk memastikan semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Secara spesifik, setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya ke dalam blok, memastikan bahwa blok-blok ini mencapai kesepakatan di semua node yang jujur melalui protokol konsensus. Protokol konsensus blockchain perlu memenuhi beberapa persyaratan dasar berikut:

• Aktivitas (Liveness): Dalam eksekusi tak terbatas, terdapat satu blockchain yang sudah ditentukan dan memiliki panjang tak terbatas.
• Konsistensi: Jika ada dua blockchain yang telah ditentukan, salah satunya harus menjadi prefix dari yang lainnya.
• P-Quality (P-Quality): Dalam blockchain yang telah ditentukan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur harus setidaknya p.

Tantangan Protokol Konsensus Asinkron Saat Ini

Protokol konsensus asinkron saat ini menghadapi berbagai tantangan, termasuk potensi kerusakan terhadap konsistensi dan aktivasi. Misalnya, kurangnya pemeriksaan sertifikasi dapat menyebabkan serangan, penggunaan strategi peningkatan dapat menghalangi aktivasi, dan pelonggaran definisi sertifikasi pemimpin dapat menyebabkan serangan konsistensi. Meskipun beberapa protokol memperkenalkan mekanisme baru, seperti menjalankan beberapa instansi paralel secara bersamaan, masih belum sepenuhnya menyelesaikan masalah ini.

Desain protokol baru: 2PAC (Konsensus Asinkron Tahap 2)

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, peneliti mengusulkan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Ini termasuk dua varian:

1. 2PAClean：

   • Mencapai lebih dari 90% throughput dan 9,5δ dari latensi yang diharapkan, kompleksitas pesan adalah O(n²).
   • Meningkatkan efisiensi protokol dengan menghilangkan interaksi dan biaya komputasi yang tidak perlu.

2. 2PACBIG：

   • Merupakan protokol konsensus blockchain tercepat dengan kompleksitas pesan O(n³).
   • Waktu operasi MVBA tunggal tanpa gangguan adalah 4δ, yang secara signifikan mengurangi latensi.

Jalur Blok Super Cepat

Peneliti telah mengajukan desain blok pipa baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok pipa. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, waktu keputusan blok pipa bahkan lebih kecil dibandingkan dengan blok non-pipa di bawah penjadwal yang adil. Mekanisme ini dapat menjamin latensi jalur cepat dalam semua eksekusi dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.

Hasil Kuantitatif

Melalui analisis teoretis dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki ekspektasi keterlambatan terburuk sebesar 9.5δ, sementara dalam kondisi baik (tanpa kegagalan dan penjadwal semi-adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, ekspektasi keterlambatan sMVBA adalah 10δ, dan dalam kondisi baik adalah 6δ. Oleh karena itu, 2PAClean mengurangi keterlambatan terburuk sebesar 0.5δ dengan mempertahankan keterlambatan dalam kondisi baik yang sama. Selain itu, throughput 2PAClean dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai meningkat 80% hingga 100%, yang terutama disebabkan oleh penghindaran pembuangan blok yang tidak perlu dan beban komputasi dalam desain baru.

2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), memiliki waktu eksekusi MVBA satu kali sebesar 4δ, lebih cepat dibandingkan semua protokol yang ada saat ini. Selain itu, desain blok pipa super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG untuk masing-masing mencapai waktu keputusan blok pipa sebesar 4δ dan 3δ, yang lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.

Evaluasi Perhitungan

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, para peneliti melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasilnya 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 khusus, 2PAClean mencapai keseimbangan yang baik antara latensi pengiriman pesan dan kompleksitas komputasi, sementara 2PACBIG mencapai latensi yang lebih rendah melalui paralelisasi dan pengoptimalan proses voting.

Arah Penelitian Masa Depan

Seiring dengan perkembangan teknologi Blockchain yang terus menerus, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam memastikan keamanan dan meningkatkan kinerja. Penelitian di masa depan dapat mengeksplorasi beberapa arah berikut:

1. Optimalisasi protokol: Menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol lebih lanjut, mengurangi pengiriman pesan dan beban perhitungan yang tidak perlu.
2. Analisis Keamanan: Menganalisis secara mendalam keamanan protokol baru dalam berbagai skenario serangan, memastikan keandalannya dalam aplikasi nyata.
3. Aplikasi Praktis: Menerapkan protokol baru ke dalam sistem Blockchain yang sebenarnya, untuk memverifikasi kinerjanya dalam lingkungan jaringan yang nyata.

Melalui penelitian dan optimasi yang berkelanjutan, kami memiliki alasan untuk percaya bahwa teknologi Blockchain akan memainkan peran yang semakin penting dalam ekonomi digital di masa depan, dan generasi baru protokol konsensus akan memberikan dasar yang kuat untuk pengembangan teknologi ini.