10.14489/vkit.2020.11.pp.013-022

DOI: 10.14489/vkit.2020.11.pp.013-022

Тороев А. С., Сизоненко А. Б.
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ ДОСТИЖЕНИЯ КОНСЕНСУСА В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМАХ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ БЛОКЧЕЙН
(с. 13-22)

Аннотация. Рассмотрены алгоритмы достижения консенсуса, занимающие центральное место в жизненном цикле транзакционного обмена между узлами распределенной системы обработки данных (РСОД), построенной на основе технологии блокчейн. Обосновано, что при разработке данных алгоритмов необходим выбор основных показателей и способов их расчета, по которым можно оценить эффективность. При анализе существующих алгоритмов достижения консенсуса на основе статистических данных показано, что алгоритм BFT-DPoS (Byzantine Fault Tolerance Delegated Proof-of-Stake) по показателям защищенности и результативности имеет более высокую эффективность по сравнению с другими алгоритмами. Выявлен недостаток всесторонней оценки кандидатов в узлы-победители, устранение которого обеспечивает более корректное построение распределенного реестра, так как большинство существующих алгоритмов ориентированы на применимость только в криптовалютных системах и не являются универсальными. Для решения данной проблемы предложен синтез алгоритмов BFT-DPoS и Proof-of-Importance в целях его применимости для РСОД любого типа, использующих технологию распределенных реестров (блокчейн).

Ключевые слова: алгоритм достижения консенсуса; блокчейн; жизненный цикл транзакционного обмена; показатели; защищенность; эффективность.

Toroev A. S., Sizonenko A. B.
ANALYSIS OF THE EFFECTIVENESS OF CONSENSUS-BUILDING ALGORITHMS IN DISTRIBUTED DATA PROCESSING SYSTEMS BASED ON BLOCKCHAIN TECHNOLOGY
(pp. 13-22)

Abstract. The authors of the article consider consensus-building algorithms that are central to the life cycle of transactional exchange between nodes of a DDPS (Distributed Data Processing System) based on blockchain technology. The term under consideration is formally defined. It is proved that when developing these algorithms, it is necessary to choose the main indicators and methods for calculating them, which can be used to evaluate their effectiveness. The process of false forking is described in detail, and the probability of its occurrence is calculated in order to assess the security of data stored in the distributed ledger. When analyzing existing consensus-building algorithms based on statistical data, it is shown that the Byzantine Fault Tolerance Delegated Proof-of-Stake (BFT-DPoS) algorithm has a higher level of efficiency not only in terms of security, but also in terms of performance compared to other algorithms. There is a lack of comprehensive evaluation of candidates for winning Registrar nodes that generate (mining) blocks and distribute them to verifier nodes. It is concluded that the elimination of the above-mentioned drawback would provide a more correct construction of the distributed ledger, since most of the existing algorithms are focused on applicability only in cryptocurrency systems and are not universal. To solve this problem, we propose the need to synthesize the BFT-DPoS and Proof-of-Importance algorithms in order to make it applicable to any type of DDPS using distributed ledger technology (blockchain).

Keywords: Consensus-building algorithm; Blockchain; Transactional exchange lifecycle; Efficiency indicators; Security; Effectiveness.

+ - Информация об авторах (About the Authors) Click to collapse

Рус

А. С. Тороев, А. Б. Сизоненко (Краснодарское высшее военное училище, Краснодар, Россия) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Eng

A. S. Toroev, A. B. Sizonenko (Krasnodar Higher Military School, Krasnodar, Russia) E-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

+ - Библиографический список (References) Click to collapse

Рус

1. Анисимов М. Алгоритмы консенсуса в Блокчейне: POW, POS и другие (2020). [Электронный ресурс]. URL: https://bytwork.com/articles/algoritmy-konsensusa-v-blokcheyne-powpos-i-drugie (дата обращения: 16.06.2020).
2. Место и роль блокчейнов в экосистеме цифровой экономики: лекция 1 [Электронный ресурс] // ИНТУИТ. URL: https://www.intuit.ru/studies/courses/ 3520/762/lecture/32516 (дата обращения: 16.06.2020).
3. A Survey on Security and Privacy Issues of Bitcoin / M. Conti et al. // IEEE Commun. Surv. Tutorials. 2018. V. 20, No. 4. P. 3416 – 3452.
4. Nakamoto S. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System [Электронный ресурс]. URL: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf (дата обращения: 16.06.2020).
5. Разогнать блокчейн до 710 000 транзакций в секунду: обзор алгоритма Proof of History [Электронный ресурс] // ForkLog. URL: https:// forklog.com/razognat-blokchejn-do-710-000-tranzaktsij-v-sekundu-obzoralgoritma-proof-of-history (дата обращения: 20.07.2020).
6. Bitcoin Mining Consumes More Electricity a Year than Ireland [Электронный ресурс] // The Guardian. URL: https://www.theguardian.com/technology/ 2017/nov/27/bitcoin-mining-consumes-electricity-ireland (дата обращения: 16.06.2020).
7. Bitcoin Energy Consumption Index [Электронный ресурс] // Digiconomist. URL: https://digiconomist. net/bitcoin-energy-consumption/ (дата обращения: 16.06.2020).
8. Stoll C., Klaaßen L., Gallersdörfer U. The Carbon Footprint of Bitcoin. 2019. DOI: 10.1016/ j.joule.2019.05.012
9. King S., Nadal S. PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake [Электронный ресурс]. URL: https://decred.org/research/king2012.pdf (дата обращения: 16.06.2020).
10. NEM Technical Reference. Ver. 1.2.1. February 23, 2018. URL: https://nem.io/wp-content/themes/nem/ files/NEM_techRef.pdf (дата обращения: 16.06.2020).
11. LeMahieu Colin. Nano: A Feeless Distributed Cryptocurrency Network [Электронный ресурс]. URL: https://content.nano.org/whitepaper/Nano_Whitepaper_en. pdf (дата обращения: 23.01.2019).
12. Delegate Your Stake to Build the Network, Earn Rewards, and Become Part of the Cardano Journey [Электронный ресурс] // Cardano. URL: https:// cardano.org/stake-pool-delegation/ (дата обращения: 23.01.2019).
13. Consensus Protocol [Электронный ресурс] // Developers.eos.io. URL: https://developers.eos.io/welcome/ latest/protocol/consensus_protocol (дата обращения: 16.06.2020).
14. EOS.IO Consensus Algorithm [Электронный ресурс] // Steemit. URL: https://steemit.com/eos/@attic-lab/eos-io-consensus-algorithm (дата обращения: 16.06.2020).
15. Прокопенко Ю. EOS.IO за 3 минуты: Кратко о преимуществах и особенностях популярной блокчейн-платформы [Электронный ресурс]. URL: https:// vc.ru/crypto/62961-eos-io-za-3-minuty (дата обращения: 16.06.2020).

Eng

1. Anisimov M. (2020). Blockchain consensus algorithms: POW, POS and others. Available at: https://bytwork.com/articles/algoritmy-konsensusa-v-blokcheyne-powpos-i-drugie (Accessed: 16.06.2020). [in Russian language]
2. The place and role of blockchains in the ecosystem of the digital economy: lecture 1. INTUIT. Available at: https://www.intuit.ru/studies/courses/3520/762/lecture/32516 (Accessed: 16.06.2020). [in Russian language]
3. Conti M. et al. (2018). A Survey on Security and Privacy Issues of Bitcoin. IEEE Communications Surveys and Tutorials, Vol. 20, (4), pp. 3416 – 3452.
4. Nakamoto S. Bitcoin: A Peer-to-Peer Electronic Cash System. Available at: https://bitcoin.org/bitcoin.pdf (Accessed: 16.06.2020).
5. Accelerate the blockchain to 710,000 transactions per second: an overview of the Proof of History algorithm. ForkLog. Available at: https://forklog.com/razognat-blokchejn-do-710-000-tranzaktsij-v-sekundu-obzoralgoritma-proof-of-history (Accessed: 20.07.2020).
6. Bitcoin Mining Consumes More Electricity a Year than Ireland. The Guardian. Available at: https://www.theguardian.com/technology/2017/nov/27/bitcoin-mining-consumes-electricity-ireland (Accessed: 16.06.2020).
7. Bitcoin Energy Consumption Index. Digiconomist. Available at: https://digiconomist.net/ bitcoin-energy-consumption/ (Accessed: 16.06.2020).
8. Stoll C., Klaaßen L., Gallersdörfer U. (2019). The Carbon Footprint of Bitcoin. DOI: 10.1016/ j.joule.2019.05.012
9. King S., Nadal S. PPCoin: Peer-to-Peer Crypto-Currency with Proof-of-Stake. Available at: https://decred.org/research/king2012.pdf (Accessed: 16.06.2020).
10. NEM Technical Reference. Ver. 1.2.1. (2018). Available at: https://nem.io/wp-content/themes/nem/files/NEM_techRef.pdf (Accessed: 16.06.2020).
11. LeMahieu Colin. Nano: A Feeless Distributed Cryptocurrency Network. Available at: https://content.nano.org/whitepaper/Nano_Whitepaper_en. pdf (Accessed: 23.01.2019).
12. Delegate Your Stake to Build the Network, Earn Rewards, and Become Part of the Cardano Journey. Cardano. Available at: https://cardano.org/stake-pool-delegation/ (Accessed: 23.01.2019).
13. Consensus Protocol. Developers.eos.io. Available at: https://developers.eos.io/welcome/latest/protocol/consensus_protocol (Accessed: 16.06.2020).
14. EOS.IO Consensus Algorithm. Steemit. Available at: https://steemit.com/eos/@attic-lab/eos-io-consensus-algorithm (Accessed: 16.06.2020).
15. Prokopenko Yu. EOS.IO in 3 minutes: Briefly about the advantages and features of the popular blockchain platform. Available at: https://vc.ru/crypto/62961-eos-io-za-3-minuty (Accessed: 16.06.2020). [in Russian language]

+ - Заказать электронную версию статьи (Purchase digital version of a single article) Click to collapse

Рус

Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).

DOI: 10.14489/vkit.2020.11.pp.013-022

Скопируйте DOI статьи и перейдите по ссылке https://id-spektr.ru/product/pokupka-elektronnoy-stati-iz-zhurnala-vestnik-kompyuternyh-i-informatsionnyh-tehnologiy

В комментарии к заказу обязательно укажите DOI статьи.

Eng

This article is available in electronic format (PDF).

DOI: 10.14489/vkit.2020.11.pp.013-022

Copy the article DOI and follow the link https://id-spektr.ru/product/pokupka-elektronnoy-stati-iz-zhurnala-vestnik-kompyuternyh-i-informatsionnyh-tehnologiy

Please specify the article DOI in the order comments.