ブロックチェーンコンセンサスプロトコルの最新進展と応用

ブロックチェーン技術は、分散型の分散台帳技術として、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します。非同期ビザンチンフォールトトレランス（BFT）コンセンサス機構は、ネットワークの遅延や一部のノードの障害に対処する上で独自の利点を持つため、研究の重点となっています。

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討し、特に非同期バイザンティン耐障害状態機複製（BFT SMR）プロトコルの最新の進展を分析します。現在最も速い非同期プロトコルは2-chain VABAですが、その欠陥により9.5δの期待遅延を実現できませんでした。したがって、sMVBAは現在最速の非同期MVBAプロトコルとなり、期待遅延は10δです。報告書はまた、スループットと遅延の面で顕著な改善を示す2つの新しいプロトコル設計、すなわち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を提案しています。

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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のプロセスで構成されており、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、メッセージの真正性と完全性を確保するために、署名と検証に使用される公開鍵と秘密鍵のペアを持っています。

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で合意に達することを目的としています。具体的には、各ノードは新しい取引を継続的に受信し、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：

• 活性（Liveness）：無限実行において、決定されたブロックチェーンが無限に長く存在する。
• 一貫性（Consistency）：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。
• P質量（P-Quality）：決定されたブロックチェーンにおいて、誠実なノードが入力した取引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

現在最も迅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、私たちはこのプロトコルに多くの攻撃手法が存在し、その一貫性と活性が破壊され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、そしてリーダーの認証定義を緩和することによる一貫性攻撃などです。2-chain VABAはいくつかの新しいメカニズム、例えば複数の並行インスタンスの並行実行を導入していますが、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および最適化することにより、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ています：

2PAClean:

• +90%のスループットと9.5δの期待遅延を実現し、メッセージの複雑度はO(n²)です。
• 不要なインタラクションや計算のオーバーヘッドを排除することにより、プロトコルの効率を向上させました。

2PACBIGの場合:

• 現在のメッセージの複雑さはO(n³)である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。迅速なパス機構を導入することで、公平スケジューラの下で、パイプラインブロックの意思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。この機構は、すべての実行において迅速なパスの遅延を保証し、故障したプロセスの動作に影響されることはありません。

結果を定量化する

理論分析と実際のテストによると、2PACleanの最悪の場合の期待遅延は9.5δであり、良好な場合（障害なしで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は同じ良好な状況の遅延を維持しながら、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%向上しており、これは新しい設計で不必要なブロックの廃棄と計算オーバーヘッドを回避したことに主に起因しています。

2PACBIGは、メッセージの複雑度がO(n³)のプロトコルであり、その単回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。

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はメッセージ遅延と計算の複雑性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、より低い遅延を達成しました。

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でしょう。2PACと超高速パイプラインブロックの設計は、未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レイテンシを実現します。

今後の研究の方向性

今後の研究では、以下のいくつかの方向性をさらに探求することができます：

1. プロトコル最適化：さらにプロトコル構造を簡素化・最適化し、不要なメッセージ伝達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での信頼性を確保します。

3. 実際の適用：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する。

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利点と欠点を詳細に分析し、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、遅延を減少させる点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しただけでなく、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を実現するための新しい視点を提供しています。

継続的な研究と最適化を通じて、私たちはブロックチェーン技術が今後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ます。そして、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確固たる基盤を提供するでしょう。

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