Mekanisme Konsensus Berasaskan Rantai Berkembar untuk Blockchain: Con_DC_PBFT

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Mekanisme konsensus adalah teras asas sistem blockchain, memastikan persetujuan terdesentralisasi mengenai keadaan lejar. Dalam aplikasi blockchain "tanpa kriptowang" (cth., rantaian bekalan, rekod penjagaan kesihatan), mekanisme tradisional seperti Bukti Kerja (PoW) sering tidak sesuai kerana penggunaan tenaga dan kependaman yang tinggi. Mekanisme hibrid seperti Bukti Sumbangan + Bukti Kerja (PoC+PoW) telah dicadangkan tetapi mengalami ketidakcekapan, kebolehpercayaan rendah, dan beban sumber yang ketara.

Kertas kerja ini memperkenalkan Con_DC_PBFT, satu mekanisme konsensus baharu berdasarkan seni bina Rantai Berkembar yang disepadukan dengan varian Toleransi Kesalahan Byzantine Praktikal (PBFT). Inovasi utamanya ialah pemisahan metadata sistem (nilai sumbangan) dan data perniagaan teras kepada dua rantai yang berbeza tetapi diselaraskan, membolehkan pemprosesan selari dan peningkatan prestasi.

2. Mekanisme Teras: Con_DC_PBFT

Mekanisme Con_DC_PBFT dibina berdasarkan pemisahan tugas yang berstruktur antara dua rantai: Rantai Sistem dan Rantai Perniagaan.

3. Butiran Teknikal & Model Matematik

Kebarangkalian nod $i$ dipilih sebagai pengesah untuk Rantai Perniagaan dalam satu epoch adalah fungsi Nilai Sumbangannya $CV_i$ relatif kepada jumlah rangkaian.

Kebarangkalian Pemilihan: Kebarangkalian $P_i$ dimodelkan sebagai: $$P_i = \frac{f(CV_i)}{\sum_{j=1}^{N} f(CV_j)}$$ di mana $f(CV_i)$ ialah fungsi pemberat, biasanya fungsi softmax atau fungsi kuasa ternormal (cth., $f(CV_i) = (CV_i)^\alpha$ dengan $\alpha \approx 1$). Ini memastikan nod dengan sumbangan lebih tinggi lebih berkemungkinan dipilih, tetapi kerawakan daripada VRF menghalang hasil deterministik.

Kemas Kini Nilai Sumbangan: Selepas pusingan konsensus berjaya, $CV_i$ dikemas kini: $$CV_i^{t+1} = \lambda \cdot CV_i^{t} + (1-\lambda) \cdot R_i^{t}$$ di mana $\lambda$ ialah faktor susutan (cth., 0.9) untuk mengutamakan tingkah laku terkini, dan $R_i^{t}$ ialah ganjaran untuk penyertaan dalam epoch $t$, yang boleh berupa jumlah tetap atau diskalakan mengikut peranan nod.

Toleransi Kesalahan: Konsensus terbitan PBFT pada Rantai Perniagaan memerlukan sekurang-kurangnya $2f+1$ nod jujur daripada $3f+1$ jumlah untuk bertoleransi $f$ kesalahan Byzantine, mengekalkan ambang permusuhan standard $\frac{1}{3}$.

4. Keputusan Eksperimen & Prestasi

Kertas kerja ini membentangkan analisis eksperimen komprehensif membandingkan Con_DC_PBFT dengan mekanisme asas PoC+PoW. Metrik prestasi utama dinilai di bawah pelbagai keadaan.

Huraian Carta & Keputusan: Eksperimen mensimulasikan rangkaian pelbagai saiz (10-100 nod). Keputusan utama diringkaskan seperti berikut:

• Kadar Pemprosesan vs. Bilangan Nod: Con_DC_PBFT mengekalkan kadar pemprosesan transaksi lebih tinggi daripada PoC+PoW apabila bilangan nod meningkat, menunjukkan kebolehskalaan lebih baik. Reka bentuk rantai berkembar menghalang beban mesej konsensus daripada berkembang secara kuadratik dengan bilangan nod, kerana hanya jawatankuasa terpilih yang mengambil bahagian secara intensif dalam PBFT Rantai Perniagaan.
• Kependaman di Bawah Beban: Kelewatan konsensus hujung-ke-hujung (daripada penyerahan transaksi kepada kemuktamadan) untuk Con_DC_PBFT secara konsisten 30-40% lebih rendah daripada PoC+PoW, terutamanya di bawah kadar transaksi tinggi. Kesan paip antara rantai mengurangkan masa rehat.
• Penggunaan Sumber: Jejak memori dan storan untuk nod Con_DC_PBFT adalah lebih daripada 50% lebih rendah. Ini disebabkan oleh keperluan PoC+PoW untuk semua nod menyimpan dan mengira pada teka-teki kerja penuh, manakala dalam Con_DC_PBFT, hanya Rantai Sistem menyimpan sejarah CV, dan beban kerja Rantai Perniagaan diagihkan.
• Toleransi Kesalahan: Kadar kegagalan satu-titik sistem kekal rendah walaupun nod berniat jahat diperkenalkan, mengesahkan keselamatan pemilihan rawak berdasarkan CV legap.

5. Kerangka Analisis & Contoh Kes

Kerangka untuk Menilai Mekanisme Konsensus: Apabila menganalisis cadangan konsensus baharu seperti Con_DC_PBFT, kerangka berstruktur adalah penting. Pertimbangkan paksi-paksi ini:

1. Penyahpusatan vs. Kecekapan: Adakah mekanisme mengorbankan satu untuk yang lain? Con_DC_PBFT condong ke arah kecekapan untuk tetapan berlesen.
2. Andaian Keselamatan: Apakah ambang kesalahan? Apakah vektor serangan (cth., Sybil, grinding)?
3. Profil Sumber: Keperluan pengiraan, storan, lebar jalur rangkaian.
4. Kemuktamadan & Kependaman: Kemuktamadan kebarangkalian vs. deterministik? Masa untuk kemuktamadan.
5. Kebolehgunaan: Kesesuaian untuk sistem awam vs. persendirian, dengan kriptowang vs. tanpa kriptowang.

Contoh Kes Bukan Kod: Asal Usul Rantaian Bekalan

Pertimbangkan blockchain konsortium untuk menjejaki barangan bernilai tinggi (cth., farmaseutikal).

• Rantai Perniagaan: Merekod transaksi kekal: "Pengilang X menghantar kumpulan Y kepada Pengedar Z pada masa T."
• Rantai Sistem: Mengurus reputasi (Nilai Sumbangan) setiap peserta (Pengilang X, Pengedar Z, Juruaudit A). CV peserta meningkat dengan penyerahan data yang tepat dan tepat masa dan berkurangan untuk kelewatan atau pertikaian.
• Aliran Konsensus: Apabila penghantaran baharu perlu direkodkan, Rantai Sistem secara rawak memilih jawatankuasa nod dengan CV tinggi (cth., termasuk Juruaudit A dan dua pengedar yang boleh dipercayai) untuk menjalankan pusingan PBFT untuk Rantai Perniagaan. Ini memastikan konsensus pantas dan boleh dipercayai antara pihak yang dipercayai untuk transaksi khusus itu, sementara Rantai Sistem mengemas kini CV sewajarnya. Pemisahan ini menghalang aliran data asal usul daripada terbeban oleh beban pengiraan reputasi.

6. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju

Seni bina Con_DC_PBFT amat berpotensi untuk beberapa domain yang sedang berkembang:

• Metaverse & Pengurusan Aset Digital: Mengurus interaksi kompleks dan berfrekuensi tinggi antara identiti pengguna, pemilikan aset (NFT), dan kemas kini keadaan dunia memerlukan lejar yang boleh diskala dan berkependaman rendah. Rantai berkembar boleh memisahkan identiti/reputasi (Rantai Sistem) daripada log pemindahan aset (Rantai Perniagaan).
• Rangkaian IoT & Pengkomputeran Pinggir: Peranti IoT yang kekurangan sumber boleh bertindak sebagai klien ringan kepada Rantai Perniagaan, sementara pelayan pinggir yang lebih berkuasa mengekalkan Rantai Sistem dan melaksanakan tugas konsensus, mengoptimumkan penggunaan sumber rangkaian keseluruhan.
• Sains Terdesentralisasi (DeSci) & Pentauliahan Akademik: Rantai Sistem boleh mengurus reputasi semakan rakan sebaya dan kredit penyumbang, sementara Rantai Perniagaan merekodkan data penyelidikan, kod, dan rekod penerbitan secara kekal.

Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan:

1. Keselamatan Komunikasi Rentas Rantai: Pengesahan formal protokol penghantaran mesej dan penyegerakan keadaan antara dua rantai adalah penting.
2. Pensaizan Jawatankuasa Dinamik: Menyesuaikan saiz jawatankuasa pengesah Rantai Perniagaan berdasarkan beban rangkaian dan keperluan keselamatan.
3. Integrasi dengan Bukti Tanpa Pengetahuan: Menggunakan ZKP untuk membolehkan nod membuktikan pemilikan CV tinggi untuk pemilihan tanpa mendedahkan nilai tepat, meningkatkan privasi.
4. Kebolehoperasian: Meneroka bagaimana Rantai Sistem boleh bertindak sebagai penambat kepercayaan untuk menyambungkan pelbagai Rantai Perniagaan bebas (pecahan khusus aplikasi).

7. Rujukan

1. Nakamoto, S. (2008). Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System.
2. Castro, M., & Liskov, B. (1999). Practical Byzantine Fault Tolerance. OSDI.
3. Zhu, L., et al. (2021). A Survey on Blockchain Consensus Mechanisms. IEEE Access.
4. Buterin, V., et al. (2014). Ethereum White Paper.
5. Hyperledger Foundation. (2023). Hyperledger Architecture, Volume 2. https://www.hyperledger.org.
6. IEEE Blockchain Initiative. (2022). Blockchain for Non-Financial Applications. https://blockchain.ieee.org.
7. Wang, G., et al. (2022). SoK: Sharding on Blockchain. ACM Computing Surveys.

8. Perspektif Penganalisis