Wydajność protokołów konsensusu opartych na kworum w Blockchain – crypto.news

Gdyby Blockchain był zwierzęciem, protokoły konsensusu byłyby jego szkieletem. Jako nieodzowna część każdej zdecentralizowanej sieci, protokół konsensusu odpowiada za walidację transakcji przez wszystkie węzły w sieci. Odbywa się to poprzez określenie ważności dodawanego bloku, upewniając się, że jest to uzgodnione przez wszystkie węzły.

Czym są protokoły konsensusu oparte na kworum

Protokoły konsensusu oparte na kworum wywołały furię w przestrzeni blockchain. Ale czym one są? Czy oferują one jakąkolwiek przewagę nad innymi protokołami konsensusu nieopartymi na kworum? Jak się spisały?

Kworum to termin często używany w systemach zdecentralizowanych. Odnosi się do minimalnej liczby głosów potrzebnych w transakcji rozproszonej, zanim akcja będzie mogła zostać wykonana w systemie rozproszonym. Protokół konsensusu definiuje się jako system. regulujące to, co dzieje się w konkretnym łańcuchu bloków w dowolnym momencie.

Protokół konsensusu na podstawie kworum to protokół, w którym decyzja o dodaniu bloków jest poprzedzona osiągnięciem minimalnej liczby głosów. 

Główna różnica w stosunku do innych protokołów konsensusowych 

Wszystkie protokoły konsensusu mają jeden podstawowy wymóg. Wszyscy uczestnicy węzłów muszą podjąć zbiorową decyzję o zaakceptowaniu lub odrzuceniu dodania nowego bloku. Proces podejmowania decyzji obejmuje jednak dodatkowy etap w ramach protokołów opartych na kworum.

W przypadku protokołów konsensusu opartych na kworum uczestnicy węzłów wymieniają wiadomości z dwiema kluczowymi inicjatywami. Po pierwsze, wszystkim węzłom należy zaproponować blokadę, co może zrobić tylko lider konsensusu. Drugim jest poinformowanie sieci, że uczestnik zdecydował się na blokadę i zatwierdził ją. 

Konsensus zostaje osiągnięty po zaproponowaniu przez lidera bloku, a większość uczestników zdecydowała się na zaproponowany blok i go zatwierdziła. 

Przewaga nad protokołami konsensusu nieopartymi na kworum

Protokoły oparte na kworum mają jedną zasadniczą różnicę w stosunku do protokołów nieopartych na kworum. Oznacza to możliwość kontynuowania operacji nawet w przypadku awarii niektórych właściwych węzłów uczestniczących lub działania złośliwego.

Głównym powodem, dla którego konsensus nie jest trywialny, jest to, że awaria może wystąpić podczas przesyłania komunikatów i podejmowania decyzji przez węzły. Przyczyną może być przerwa w dostawie prądu lub złośliwe zachowanie skutkujące utratą lub opóźnieniem wiadomości.

Tolerowanie takich niepowodzeń nazywa się bizantyjską tolerancją na błędy. Takie protokoły mogą tolerować błędy awaryjne lub błędy bizantyjskie. Błędy powodujące awarie mają miejsce wtedy, gdy uczestnicy nie odpowiadają lub nie wykonują nowej operacji podczas wykonywania konsensusu. 

Błąd bizantyjski odnosi się do nieudanego uczestnika, który może być złośliwym agentem. Agent taki charakteryzuje się przypadkowym zachowaniem odbiegającym od ustalonych protokołów i podejmowaniem jakichkolwiek działań. 

Maksymalna liczba złośliwych węzłów, jaką można tolerować w protokole opartym na kworum, to ⅓ wszystkich uczestniczących węzłów w sieci. Suma obejmuje zarówno uczciwe, jak i złośliwe węzły.

Wykonywanie protokołów opartych na kworum

Aby ocenić skuteczność protokołów konsensusu opartych na kworum, dzieli się je i analizuje na trzy różne grupy.

Wydajność praktycznych bizantyjskich protokołów odpornych na błędy (BFT).

Protokoły nazywane są tak, ponieważ w praktyce realizują dwie kluczowe kwestie. Optymalizują komunikację i uwierzytelnianie między uczestnikami, zachowując jednocześnie funkcjonalność w środowiskach trudnych do synchronizacji. 

Cała komunikacja skupia się na przywódcy zwanym głównym, a wszystkich pozostałych uczestników nazywa się replikami. Protokół zmiany widoku jest wdrażany w przypadku awarii węzła wiodącego, a następnym uczestnikiem cyklicznej wskazówki jest nowy główny. Wszyscy uczestnicy posiadają odpowiednią wiedzę o wszystkich uczestnikach i ich podpisach, co pozwala na lepsze podejmowanie decyzji dotyczących głosowania.

Zapewniając praktyczne rozwiązanie błędu bizantyjskiego, protokół miał duży problem ze skalowalnością. Aby tolerować złośliwe zachowanie, wszyscy uczestnicy muszą znać wszystkich pozostałych uczestników węzła i wymieniać ogromną liczbę wiadomości. Przedstawia złożoność obliczeniową w wymianie komunikatów. 

Ekspansja jest również wyzwaniem, ponieważ dodanie uczestnika jest prawie niemożliwe. Każdy uczestnik, który opuści witrynę na stałe, jest uważany za złośliwego aktora. Bardzo żywe i dynamiczne ekosystemy blockchain bardzo szybko osiągnęłyby limit ⅓ i spowodowały upadek protokołu.

Wykonywanie Protokołów Stowarzyszonego Układu Bizantyjskiego

Zgodnie z protokołem federacyjnego porozumienia bizantyjskiego (FBA) kworum jest podzielone na kilka jednostek federalnych. Dokonuje tego poprzez posiadanie kilku bizantyjskich generałów, z których każdy jest odpowiedzialny za swój kawałek kworum. Pozwala na znaczny wzrost liczby transakcji, zmniejszenie kosztów transakcji i mniejszą liczbę wymian komunikatów. 

Zgodnie z protokołem FBA każdy uczestniczący węzeł ma możliwość wyboru, komu chce zaufać. Stwarza to trudności każdemu złośliwemu podmiotowi, ponieważ musi on przekonać dużą liczbę prawidłowych węzłów, aby umieściły złośliwe węzły na swojej liście zaufanych.

FBA zyskało na przestrzeni lat coraz większą popularność, przyciągając do siebie duże nazwy blockchain. Najbardziej godne uwagi to Ripple inc i Stellar. Ataki Sybil to najbardziej zauważalne zagrożenia, szczególnie w przypadku blockchainu Ripple. Dobrym rozwiązaniem jest istnienie list unikalnych węzłów dla walidatorów.

Wykonywanie delegowanego protokołu bizantyjskiego odpornego na błędy

Delegowany bizantyjski protokół odporny na błędy (dBFT) ma ten sam styl wykonania, co BFT. Różni się jednak tym, że skupia konsensus wśród kilku uczestników, rozwiązując w ten sposób problemy BFT ze skalowalnością. Protokół wykorzystuje koncepcję reputacji przy wyborze uczestników konsensusu.

NEO jest jednym z najlepszych graczy z protokołem dBFT. Jego wykorzystanie było dość ograniczone ze względu na możliwość wystąpienia niebezpiecznego zagrożenia dla bezpieczeństwa. Złośliwy lider może wykorzystać swój protokół zmiany widoku, aby utworzyć deterministyczny fork. Następnie mogą utworzyć 2 nowe bloki, korzystając z różnych komunikatów, przy czym oba bloki są ważne i zaakceptowane przez uczestników, tworząc w sieci dwa różne stany. Rozwiązaniem jest odrzucenie wszystkich wiadomości wygenerowanych przed zmianą widoku.

Wykonywanie bizantyjskiego protokołu tolerancji na błędy i delegowanego protokołu dowodu stawki

W skrócie BFT-dPoS, protokół hybrydowy łączy wysokowydajne protokoły Proof of Possession z bezpieczeństwem protokołów BFT. Zgodnie z protokołem każdy posiadacz tokena głosuje na producenta bloku, przy czym kwalifikuje się 21 węzłów z największą liczbą głosów. Następnie każdy z 21 ma ustalone 0.5-sekundowe ramy czasowe na wytworzenie bloków, przy czym proces przebiega alfabetycznie.

EOSIO jest jednym z łańcuchów bloków korzystających z protokołu. Może poszczycić się ogromnymi osiągnięciami, takimi jak wydajność 3000 transakcji na minutę i poziom bezpieczeństwa BFT. Wadą jest ograniczenie do 21 twórców bloków, przy czym na głosowanie wpływa posiadany majątek. Pozwala na kolizję w celu kontrolowania procesu.

Notka autora

Protokoły konsensusu oparte na kworum są całkiem nowe w porównaniu z protokołami bez kworum. Mają one jednak ogromną moc, ponieważ rozwiązują problem usterek bizantyjskich i umożliwiają działanie, o ile złośliwe węzły nie stanowią większości sieci.

Ich wydajność różni się w zależności od klasy omawianego protokołu. BFT oferują ogromne problemy ze skalowalnością, podczas gdy FBA oferują pewną podatność na ataki Sybil. 

dBFT rozwiązują problem skalowalności, ale tworzą exploit protokołu zmiany widoku. BFT-dPoS oferuje najlepsze funkcje, ale stwarza możliwość kontroli ryzyka poprzez zmowę. Oczekuje się jednak, że wykorzystanie protokołów opartych na kworum będzie rosło w miarę pojawiania się w przestrzeni kosmicznej większej liczby innowacji.