Perkembangan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain

Ringkasan Laporan

Laporan ini membahas perkembangan terkini dari 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 ada celah, penundaan yang diharapkan sebesar 9.5δ tidak dapat dicapai. Oleh karena itu, sMVBA menjadi protokol MVBA asinkron tercepat saat ini, dengan penundaan yang diharapkan sebesar 10δ. Laporan ini juga memperkenalkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron 2 fase) dan pipeline blok super cepat, yang menunjukkan peningkatan signifikan dalam hal throughput dan latensi.

Teknologi Blockchain sebagai suatu 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.

Model dan Definisi

Dalam model BFT asinkron, sistem terdiri dari n = 3f + 1 proses, di mana f proses dapat dirusak secara jahat. Proses-proses ini berkomunikasi satu sama lain 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 untuk memastikan semua node yang jujur mencapai kesepakatan tentang status blockchain. Secara spesifik, setiap node terus menerima transaksi baru dan mengemasnya menjadi 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:

1. Aktivitas: Dalam eksekusi tanpa batas, terdapat sebuah Blockchain yang telah ditentukan dan memiliki panjang tak terhingga.
2. Konsistensi: Jika terdapat dua Blockchain yang telah ditentukan, maka salah satunya harus menjadi prefiks dari yang lain.
3. Kualitas P: Di dalam Blockchain yang telah diputuskan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node yang jujur minimal adalah p.

Tantangan protokol konsensus asinkron saat ini

Protokol konsensus asinkron tercepat saat ini adalah 2-chain VABA, yang memiliki latensi yang diharapkan sebesar 9.5δ. Namun, penelitian menemukan bahwa protokol ini memiliki berbagai cara serangan yang merusak konsistensi dan aktivitasnya. Misalnya, serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan otentikasi, serangan yang menggunakan strategi peningkatan untuk menghambat aktivitas, serta serangan konsistensi yang disebabkan oleh pelonggaran definisi otentikasi pemimpin. Meskipun 2-chain VABA memperkenalkan beberapa mekanisme baru, seperti beberapa instansi paralel yang berjalan secara bersamaan, masalah ini belum sepenuhnya teratasi.

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

Berdasarkan analisis terhadap protokol yang ada, penelitian ini mengajukan protokol 2PAC. Protokol ini secara signifikan meningkatkan kinerja dengan menyederhanakan dan mengoptimalkan proses konsensus. Secara spesifik, 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 pengeluaran komputasi yang tidak perlu.

2. 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

Penelitian ini mengusulkan desain blok aliran baru yang secara signifikan mengurangi latensi blok aliran. Dengan memperkenalkan mekanisme jalur cepat, waktu keputusan blok aliran bahkan lebih kecil dibandingkan dengan blok non-aliran di bawah penjadwalan yang adil. Mekanisme ini dapat 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 latensi yang diharapkan dalam kasus terburuk sebesar 9.5δ, sedangkan dalam kasus baik (tanpa kegagalan dan penjadwalan setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, latensi yang diharapkan dari sMVBA adalah 10δ, dalam kasus baik adalah 6δ. Oleh karena itu, 2PAClean mengurangi latensi kasus terburuk sebesar 0.5δ dengan mempertahankan latensi kasus baik yang sama. Selain itu, throughput 2PAClean meningkat antara 80% hingga 100% dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai, yang terutama disebabkan oleh desain baru yang menghindari pembuangan blok yang tidak perlu dan beban komputasi.

2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), waktu eksekusi MVBA tunggalnya adalah 4δ, lebih cepat daripada semua protokol yang ada. Selain itu, desain blok pipa super cepat memungkinkan s2PAClean dan s2PACBIG mencapai waktu keputusan blok pipa masing-masing 4δ dan 3δ, lebih lanjut meningkatkan kinerja protokol.

Evaluasi Perhitungan

Untuk memverifikasi kinerja protokol baru, penelitian telah 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 pemungutan suara.

Seiring dengan perkembangan teknologi Blockchain yang terus berlangsung, protokol konsensus BFT asinkron akan memainkan peran yang semakin penting dalam menjamin keamanan dan meningkatkan kinerja. Desain 2PAC dan blok jalur cepat ultra menunjukkan arah perkembangan 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 menjelajahi beberapa arah berikut:

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

Laporan ini menganalisis secara rinci kelebihan dan kekurangan dari protokol konsensus blockchain asinkron saat ini, dan mengusulkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC dan blok pipeline super cepat. Desain baru ini menunjukkan keunggulan signifikan dalam meningkatkan throughput dan mengurangi latensi, memberikan referensi penting untuk perkembangan teknologi blockchain di masa depan. Protokol baru ini tidak hanya membuktikan keunggulannya secara teoritis, tetapi juga menunjukkan kinerja yang luar biasa dalam pengujian praktis, memberikan ide baru untuk mewujudkan protokol konsensus blockchain yang efisien dan aman.

Melalui penelitian dan optimasi yang terus menerus, teknologi Blockchain diharapkan dapat memainkan peran yang lebih penting di masa depan ekonomi digital, sementara generasi baru protokol konsensus akan memberikan dasar yang kuat untuk pengembangan teknologi ini.