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

レポート概要

本報告はブロックチェーンコンセンサスプロトコルの発展状況を探討し、非同期バイザンチン耐障害状態機構複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を重点分析しています。現在最も速い非同期プロトコルは2-chain VABAでしたが、脆弱性があるため、その9.5δの期待遅延は実現されませんでした。したがって、sMVBAが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。本報告では、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も提案されており、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、去中心化の分散型台帳技術として、コンセンサス機構を通じてデータの完全性と一貫性を確保します。コンセンサス機構は、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を与えます。非同期ビザンチン耐障害（BFT）コンセンサス機構は、ネットワーク遅延や部分的なノード故障に対処する際に独自の利点を持つため、研究の焦点となっています。

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モデルと定義

非同期BFTモデルでは、システムはn = 3f + 1個のプロセスで構成されており、そのうちf個のプロセスが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、メッセージの伝送遅延は対抗者によって制御されます。各プロセスは、メッセージの真正性と完全性を保証するために署名と検証に使用す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つい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保証します。ブロックチェーンコンセンサスプロトコルは、以下のいくつかの基本的な要件を満たす必要があります：

1. 活性：無限実行の中で、決定された無限長のブロックチェーンが存在する。
2. 一貫性：もし2つの確定したブロックチェーンが存在する場合、そのうちの1つはもう1つのプレフィックスでなければならない。
3. P品質：決定されたブロックチェーンにおいて、誠実なノードが入力した取引の割合は少なくとも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であり、その期待遅延は9.5δです。しかし、研究によりこのプロトコルには様々な攻撃手法が存在し、その一貫性と活性が損なわれることが判明しました。例えば、認証のチェックが欠如していることによる攻撃、活性を妨げるために強化戦略を利用する攻撃、リーダーの認証定義を緩めることによる一貫性攻撃などです。2-chain VABAは、いくつかの新しいメカニズムを導入したものの、例えば複数の並行インスタンスが並行して動作するなど、これらの問題を完全に解決するには至っていません。

新プロトコル設計：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、2PACプロトコルが提案されました。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す。具体的には、2つのバリエーションが含まれます：

1. 2PACleanの:

   • +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。
   • 不要なインタラクションと計算コストを排除することで、プロトコルの効率が向上しました。

2. 2パックビッグ:

   • 現在の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。
   • 障害のない単一MVBAの実行時間は4δであり、遅延を大幅に削減しました。

超高速フローラインブロック

研究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。高速パスメカニズムを導入することで、公平スケジューラーの下で、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高速パスの遅延を保証し、故障プロセスの動作の影響を受けません。

結果を定量化する

理論分析と実際のテストを通じて、2PACleanは最悪の状況での期待遅延が9.5δであり、良好な状況（故障なしかつスケジューラが半公平）では6δであることが分かりました。それに対し、sMVBAの期待遅延は10δで、良好な状況では6δです。したがって、2PACleanは同じ良好な状況の遅延を維持しつつ、最悪の状況での遅延を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%向上しており、これは新しい設計において不要なブロックの廃棄と計算コストを回避したことに主に起因しています。

2PACBIGはメッセージの複雑さがO(n³)のプロトコルとして、その単一MVBAの実行時間は4δであり、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。

評価を計算する

新しいプロトコルの性能を検証するために、広範な計算評価が行われました。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、特に高遅延と高障害率の環境で際立っていることを示しています。具体的には、2PACleanはメッセージ伝達の遅延と計算の複雑さの間で良いバランスを実現し、2PACBIGは並列化と投票プロセスの最適化を通じて、より低い遅延を実現しました。

ブロックチェーン技術の不断の発展に伴い、非同期BFTコンセンサスプロトコルは、安全性の確保と性能の向上においてますます重要な役割を果たすことになるでしょう。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います。つまり、プロトコル構造を簡素化し、コンセンサスプロセスを最適化することで、より高いスループットとより低い遅延を実現することです。

今後の研究の方向性

未来の研究は、以下のいくつかの方向をさらに探求することができます：

1. プロトコルの最適化：プロトコルの構造をさらに簡素化・最適化し、不必要なメッセージのやり取りや計算コストを削減します。
2. セキュリティ分析：新しいプロトコルが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。
3. 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、リアルなネットワーク環境での性能を検証します。

本報告では、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ています。新しい設計は、スループットを向上させ、遅延を減らす上で顕著な利点を示しており、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ています。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ており、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を実現するための新しいアプローチを提供しています。

不断の研究と最適化を通じて、ブロックチェーン技術は将来のデジタル経済においてより重要な役割を果たすことが期待されており、新世代のコンセンサスプロトコルがこの技術の発展に堅固な基盤を提供します。

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