Estrutura de Consenso Rápido para Aplicações Blockchain

Resumo

A tecnologia blockchain representa um dos avanços mais significativos em sistemas distribuídos ao possibilitar um registro imutável e compartilhado de transações sem a necessidade de autoridade central (Lashkari, 2021). Em tais ambientes, a eficácia de um protocolo de consenso está atrelada à topologia da rede e das regras de compartilhamento dos estados de cada nó (Goles, 2018). Nesse contexto, a modelagem dinâmica de processos de votação em grafos fornece uma base sólida para compreender fenômenos como a velocidade de convergência e a robustez contra falhas de comunicação ou ataques maliciosos (Jayabalasamy, 2024). Para representar os validadores do processo de consenso em blockchains, adotamos redes aleatórias, garantindo aleatoriedade no número de conexões e rapidez na propagação de mensagens (Pereira, 2005). A dinâmica de decisão segue o modelo de voto da maioria (Oliveira et al., 2024; Vilela, 2019) com ruído nulo, em que cada agente atualiza seu estado segundo o predomínio local em sua vizinhança. Apresentamos o algoritmo Swift Consensus, inspirado nessa regra majoritária, mas otimizado para acelerar a convergência sem comprometer a integridade do resultado. Estudamos o comportamento do sistema frente a variações no tamanho da rede, no grau médio de conexão e na configuração inicial, sob esquemas de atualização síncrono e assíncrono. Em atualizações assíncronas, observamos que redes maiores demandam maior número de iterações para atingir a unanimidade de opiniões, enquanto o aumento da conectividade reduz significativamente esse tempo. Além disso, quanto maior a proporção inicial de nós compartilhando a mesma opinião sobre uma transação, menor é o tempo médio para alcançar o consenso. Vimos ainda que valores da conectividade média acima de 20 não apresentam ganhos expressivos de velocidade no processo de decisão da rede, enquanto valores abaixo de 5 comprometem a capacidade do sistema de atingir uma decisão. Esses resultados ressaltam a importância de balancear a expansão do conjunto de validadores e a densidade de ligações ao projetar protocolos descentralizados que almejem, simultaneamente, alta velocidade e robustez na difusão de decisões.
 
Palavras-chave: Sistemas complexos; Dinâmica de consenso; Blockchain; Ciência de redes;
 
Referências 
 
GOLES, E.; MEDINA, P.; SANTIVÁÑEZ, J. Majority networks and local consensus algorithm. Scientific Reports, v.13, n.1858, 2018.
 
JAYABALASAMY, G. PUJOL, C.; LATHA BHASKARAN, K. Application of Graph Theory for Blockchain Technologies. Mathematics, v.12, n.8, p. 1133, 2024.
 
LASHKARI, B.; MUSILEK, P. A comprehensive review of blockchain consensus mechanisms. IEEE Access, v.9, p. 43620-43652, 2021.
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OLIVEIRA, IGOR V. G. et al. Entropy production on cooperative opinion dynamics. Chaos, Solitons & Fractals. v.181, p.114694, 2024.
 
​PEREIRA, LUIZ FELIPE CAVALCANTI; MOREIRA, FRANCISCO GEORGE BRADY. Diagrama de fases e expoentes críticos do modelo do voto da maioria em grafos aleatórios. Dissertação (Mestrado). Programa de Pós-Graduação em Física, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, 2005.
 
VILELA, ANDRÉ L. M. et al. Majority-vote model for financial markets. Physica A. V.515, p.762-770, 2019.