Kemajuan dan Aplikasi Terbaru dari Protokol Konsensus Blockchain

Teknologi Blockchain sebagai jenis 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 terbaru dari protokol konsensus Blockchain, dengan fokus pada analisis kemajuan terbaru dari protokol replikasi mesin status toleransi kesalahan Bizantium asinkron (BFT SMR). Saat ini, sMVBA dianggap sebagai protokol MVBA asinkron tercepat, dengan perkiraan latensi 10δ. Selain itu, artikel ini juga memperkenalkan dua desain protokol baru, yaitu 2PAC (konsensus asinkron dua fase) dan blok pipeline super cepat, yang menunjukkan perbaikan signifikan dalam 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 pribadi untuk tanda tangan dan verifikasi, memastikan keaslian dan integritas pesan.

Blockchain Konsensus

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

• Aktivitas: Dalam eksekusi tak terbatas, terdapat satu Blockchain yang sudah ditentukan yang panjangnya tak terbatas.
• Konsistensi: Jika terdapat dua blockchain yang telah diputuskan, maka salah satu dari keduanya harus menjadi awalan dari yang lainnya.
• Kualitas P: Dalam blockchain yang telah ditentukan, proporsi transaksi yang dimasukkan oleh node jujur harus setidaknya p.

Tantangan protokol konsensus asinkron saat ini

Saat ini, beberapa protokol konsensus asinkron memiliki berbagai cara serangan potensial yang dapat merusak konsistensi dan aktifitasnya. Misalnya, serangan yang disebabkan oleh kurangnya pemeriksaan otentikasi, serangan yang menghalangi aktifitas dengan memanfaatkan strategi peningkatan, serta serangan konsistensi akibat pelonggaran definisi otentikasi pemimpin. Meskipun beberapa protokol telah memperkenalkan mekanisme baru, seperti menjalankan beberapa instance paralel secara bersamaan, masalah ini masih belum sepenuhnya teratasi.

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 saat ini O(n³).
   • Waktu operasi MVBA tunggal tanpa gangguan adalah 4δ, yang secara signifikan mengurangi latensi.

Jalur Blok Super Cepat

Peneliti telah 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 penjadwal yang adil. Mekanisme ini menjamin latensi jalur cepat dalam semua eksekusi dan tidak terpengaruh oleh perilaku proses yang gagal.

Hasil Kuantitatif

Melalui analisis teoritis dan pengujian praktis, 2PAClean memiliki delay yang diharapkan pada kasus terburuk sebesar 9.5δ, sementara dalam kasus yang baik (tanpa kegagalan dan penjadwalan setengah adil) adalah 6δ. Sebagai perbandingan, delay yang diharapkan dari sMVBA adalah 10δ, dan dalam kasus baik adalah 6δ. Oleh karena itu, 2PAClean berhasil mengurangi delay pada kasus terburuk sebesar 0.5δ dengan tetap mempertahankan delay yang sama dalam kasus baik. Selain itu, throughput 2PAClean dibandingkan dengan sMVBA berbasis rantai meningkat sebesar 80% hingga 100%, yang terutama disebabkan oleh desain baru yang menghindari pembuangan blok yang tidak perlu dan beban komputasi.

2PACBIG sebagai protokol dengan kompleksitas pesan O(n³), memiliki waktu operasi MVBA tunggal sebesar 4δ, lebih cepat dibandingkan 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, peneliti melakukan evaluasi komputasi yang luas. Hasilnya menunjukkan bahwa 2PAClean dan 2PACBIG menunjukkan kinerja yang luar biasa 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.

Arah Penelitian Masa Depan

Seiring dengan perkembangan terus-menerus teknologi Blockchain, 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.

Penelitian di masa depan dapat mengeksplorasi beberapa arah berikut:

1. Optimasi protokol: lebih lanjut menyederhanakan dan mengoptimalkan struktur protokol, 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 Nyata: Menerapkan protokol baru dalam sistem Blockchain yang nyata, untuk memverifikasi kinerjanya di lingkungan jaringan yang sebenarnya.

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