Um novo mecanismo de consenso probabilístico para blockchains públicas : A new probabilistic consensus mechanism for public blockchains

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Martins, Diego Fernandes Gonçalves, 1986-
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1641758
Resumo: Orientador: Marco Aurélio Amaral Henriques
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spelling Um novo mecanismo de consenso probabilístico para blockchains públicas : A new probabilistic consensus mechanism for public blockchainsA new probabilistic consensus mechanism for public blockchainsCadeia de blocosConsenso distribuído (Computação)Sistemas distribuídosBitcoinRedes de computadores - ProtocolosBlockchainDistributed consensus (Computation)Distributed systemsBitcoinComputer networks - ProtocolsOrientador: Marco Aurélio Amaral HenriquesDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A blockchain, introduzida com a invenção da criptomoeda Bitcoin, é considerada uma tecnologia disruptiva, pela sua capacidade em oferecer um ecossistema descentralizado e seguro para que transações entre duas partes sejam realizadas sem que exista um terceiro confiável. Atualmente, as principais blockchains públicas (Bitcoin e Ethereum) utilizam um mecanismo de consenso baseado em PoW (Proof-of-Work ou Prova de Trabalho), o qual é dependente do cálculo de uma grande quantidade de funções hash com um grande gasto energético. Além disso, o PoW é um mecanismo que premia, por meio de recompensas financeiras, apenas o nó que primeiro calcula um hash menor que um valor pré-estabelecido, desperdiçando o esforço e gasto energético de todos os demais nós que tentaram atingir o mesmo objetivo. Estes fatos têm exigido altos investimentos em energia e hardware para aumentar o poder computacional, o que tem afastado os participantes menos privilegiados e, consequentemente, contribuído para uma centralização do mecanismo de consenso em torno de poucos nós que são capazes de realizar os investimentos necessários para se manterem competitivos. Tal centralização não é interessante sob o ponto de vista da segurança do mecanismo, já que ela facilita o conluio entre algumas partes que juntas detenham mais da metade do poder computacional total da rede. Outro problema do mecanismo PoW é que ele é um mecanismo de baixo desempenho no que tange a capacidade de confirmar as transações na blockchain. Estes pontos despertaram o interesse no desenvolvimento de novos mecanismos de consenso que sejam capazes de melhorar o desempenho do PoW, e promover a descentralização do consenso a partir de técnicas que não estejam alicerçadas no poder computacional dos participantes. Uma alternativa já conhecida ao PoW é o mecanismo PoS (Proof-of-Stake ou Prova de Posse), que permite a participação no consenso de qualquer nó que provar a posse de algum valor ou objeto especificado pelo mecanismo. Entretanto, ele ainda não é largamente utilizado por não haver uma forma de implementação que tenha conquistado a confiança dos usuários das blockchains públicas. A partir do estudo e comparação dos principais mecanismos de consenso para blockchains públicas, esse trabalho busca definir os requisitos desejáveis para a construção de um novo mecanismo de consenso baseado em PoS que seja seguro e eficiente. Neste sentido, o trabalho apresenta um novo mecanismo de consenso PoS que é probabilístico e não requer a formação de comitês para que novos blocos sejam confirmados. Apesar de existirem outros consensos baseados em PoS que não formam comitês, eles não são funcionais ou exigem algum tipo de grupo de consenso nos bastidores para suportar os blocos já confirmados e manter o consenso seguro. Assim como ocorre com outros consensos baseados em PoS, o mecanismo proposto também é capaz de reduzir o consumo de energia elétrica quando comparado ao PoW. Além da formalização do mecanismo, o texto apresenta resultados práticos de avaliação de segurança e de desempenho. Por fim, ele compara o novo mecanismo proposto com alguns dos principais mecanismos de consenso utilizados na prática, de forma a demonstrar seu melhor desempenho, maior robustez e menor consumo de energia em relação aos mesmosAbstract: The blockchain, introduced with the invention of the Bitcoin cryptocurrency, is considered a disruptive technology. It offers a decentralized and secure environment for transactions between two parties, built without a trusted third party. The leading public blockchains (Bitcoin and Ethereum) use a consensus mechanism based on PoW (Proof-of-Work), which depends on calculating a large volume of hash functions that spend much energy. Also, PoW is a mechanism that rewards only the node that first calculates a hash smaller than a pre-established value, wasting the efforts and energy spent by all other nodes that tried to achieve the same goal. These facts have demanded high investments in energy and hardware to increase the computational power, which has hampered the participation of less privileged nodes and, consequently, contributed to a centralization of the consensus mechanism around the few nodes having the resources to stay competitive. This centralization is not interesting from the security point of view since it facilitates the collusion between some parties that hold together more than half of the network's total computational power. Another problem is the low performance of the PoW mechanism regarding its ability to confirm transactions on the blockchain. These points increased the interest in developing new consensus mechanisms capable of enhancing the performance of PoW while promoting the decentralization of consensus, using techniques not based on the participants' computational power. A known alternative to PoW is the PoS (Proof-of-Stake) mechanism, which allows the participation in the consensus of any node that proves the possession of some value or object specified by the mechanism. However, this approach is still not widely used because no form of implementation has won public blockchain users' trust. Based on the study and comparison of the main consensus mechanisms for public blockchains, this work defines the desirable requirements for developing a new consensus mechanism based on PoS that is safe and efficient. As a result, the work presents a new PoS consensus mechanism that is probabilistic and does not require a committee to confirm new blocks. Although there are other consensus proposals based on PoS that do not require committees, they are nonfunctional or require some kind of agreement group to support the confirmed blocks and achieve a safe consensus. Moreover, similar to other mechanisms based on PoS, the proposed consensus can reduce electricity consumption compared to PoW. The text shows the formalization of the mechanism and practical results regarding safety and performance evaluation. It then shows a comparison with some of the main consensus mechanisms used in practice in order to demonstrate its higher performance, stronger robustness, and lower power consumption relative to themMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétrica[s.n.]Henriques, Marco Aurelio Amaral, 1963-Oliveira, Leonardo Barbosa eRosa, Raphael VicenteUniversidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASMartins, Diego Fernandes Gonçalves, 1986-20212021-02-24T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (168 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1641758MARTINS, Diego Fernandes Gonçalves. Um novo mecanismo de consenso probabilístico para blockchains públicas: A new probabilistic consensus mechanism for public blockchains. 2021. 1 recurso online (168 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1641758. Acesso em: 15 mai. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1165678Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-09-14T11:26:28Zoai::1165678Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2021-09-14T11:26:28Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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