Стратегія адаптивного регулювання кворуму (AQA) для досягнення детермінованого консенсусу при змінних затримках
Анотація
Надійність реплікованих станкових машин в умовах затримки підривається недетермінованим вибором лідера та порядком фіксації, що ускладнює тестування, відтворення помилок, аудит та відновлення в режимі реального часу в реальних умовах розгортання. Мета дослідження полягала у відновленні детермінованого консенсусу в умовах змінної затримки шляхом визначення адаптивного коригування кворуму (AQA). Методологія заздалегідь фіксувала параметри вікна спостереження та чутливості та оцінювала нейтральні зразки (реплікований журнал, реєстр в пам'яті, машина на основі парсера, перетворення абстрактного синтаксичного дерева) на кластерах з 5 та 7 вузлами в майже нормальному, бімодальному, важкому, спалаховому та роздільному режимах. Протягом 12 000 раундів виборів та підтверджень AQA усунула невідповідності як у послідовності лідерів, так і в порядку підтверджень (24 000 порівнянь хеш-функцій, 0 %), зменшила кількість повторних виборів на 37,5–40,4 % (у середньому –38,9%) та скоротила час прийняття рішень з довгим хвостом (вибори p99 –24,8 % у середньому; фіксація p99 –25,6 %), зберігаючи безпеку за допомогою обов'язкових перетинів кворуму (N = 5: qt ∈ [3, 5]; N = 7: qt ∈ [4, 6]). Невідтворюваність – що проявляється у вигляді невідповідності послідовності лідерів та порядку підтвердження, тривалих затримок та непотрібних повторних виборів – була спричинена випадковими тайм-аутами та багатозначним розміром кворуму, тоді як відновлений детермінізм є структурним наслідком стабільного ранжування вузлів, правила тотального порядку кворуму та гарантованих перетинів префіксних кворумів. Детерміновані історії лідерів/ комітів роблять тестові запуски та сценарії введення помилок ідентичними для повторного відтворення, скорочують терміни інцидентів шляхом обмеження виборів та затримок, спрощують аналіз після інцидентів завдяки стабільному порядку подій та підвищують впевненість операторів під час розділення та відновлення; а оскільки AQA є стратегією, а не винаходом, її можна відкрито застосовувати як захисний бар'єр навколо навчальних або адаптивних модулів без патентних обмежень
Ключові слова
вибір лідера; порядок комітів; розбіжність у часі; рейтинг вузлів; розрив рівності; інваріанти безпеки; реплікований журнал
Використані джерела
- Ahn, J., Yi, E., & Kim, M. (2024). Blockchain consensus mechanisms: A bibliometric analysis (2014-2024) using VOSviewer and R Bibliometrix. Information, 15(10), article number 644. doi: 10.3390/info15100644.
- Bai, F., Li, F., Shen, T., Zeng, K., Zhang, X., & Zhang, C. (2024). RaBFT: An improved Byzantine fault tolerance consensus algorithm based on raft. The Journal of Supercomputing, 80, 21533-21560. doi: 10.1007/s11227-024-06284-6.
- Battisti, J.H.F., Batista, V.E., Koslovski, G.P., Pillon, M.A., Miers, C.C., & Marques, M.A. (2023). Performance analysis of the Raft consensus algorithm on Hyperledger Fabric and Ethereum on cloud. In Proceedings of the international conference on cloud computing technology and science (pp. 155-160). Naples: IEEE. doi: 10.1109/ CloudCom59040.2023.00035.
- Bokhari, M.U., Kareem, A., & Hanafi, B. (2024). Exploring fault tolerance consensus for wireless sensor networks: A comprehensive detailed study. Journal of Electrical Systems, 20(7), 1653-1663. doi: 10.52783/jes.3752.
- Fahim, S., Rahman, S.M., & Mahmood, S. (2023). Blockchain: A comparative study of consensus algorithms PoW, PoS, PoA, PoV. International Journal of Mathematical Sciences and Computing, 9(3), 46-57. doi: 10.5815/ ijmsc.2023.03.04.
- Gol, D.A., & Gondaliya, N. (2024). Blockchain: A comparative analysis of hybrid consensus algorithm and performance evaluation. Computers & Electrical Engineering, 117(4), article number 108934. doi: 10.1016/j. compeleceng.2023.108934.
- Golpayegani, F., Chen, N., Afraz, N., Gyamfi, E., Malekjafarian, A., Schäfer, D., & Krupitzer, C. (2024). Adaptation in edge computing: A review on design principles and research challenges. ACM Transactions on Autonomous and Adaptive Systems, 19(3), article number 19. doi: 10.1145/3664200.
- Jin, B., Hu, Y., Tao, H., & He, Y. (2022). An improved practical Byzantine fault-tolerant consensus algorithm combined with aggregating signature. In Proceedings of the 7th international symposium on advances in electrical, electronics, and computer engineering (article number 122944S). Xishuangbanna: SPIE. doi: 10.1117/12.2639706.
- Lashkari, B., & Musilek, P. (2021). A comprehensive review of blockchain consensus mechanisms. IEEE Access, 9, 43620-43652. doi: 10.1109/ACCESS.2021.3065880.
- Li, D., & Hu, S. (2023). Adaptive consensus reaching process with dynamic weights and minimum adjustments for group interactive portfolio optimisation. Computers & Industrial Engineering, 183(4), article number 109491. doi: 10.1016/j.cie.2023.109491.
- Liu, J., Feng, W., Huang, M., Feng, S., & Zhang, Yu. (2023). Grouped multilayer practical Byzantine fault tolerance algorithm: A practical Byzantine fault tolerance consensus algorithm optimised for digital asset trading scenarios. Sensors, 23(21), article number 8903. doi: 10.3390/s23218903.
- Liu, S., Zhang, R., Liu, C., Xu, C., & Wang, J. (2023). An improved PBFT consensus algorithm based on grouping and credit grading. Scientific Reports, 13, article number 13030. doi: 10.1038/s41598-023-28856-x.
- Liu, X., & Zhu, J. (2024). An improved practical Byzantine fault tolerance algorithm for aggregating node preferences. Scientific Reports, 14(1), article number 31200. doi: 10.1038/s41598-024-82579-1.
- Luo, H., Yang, X., Yu, H., Sun, G., Lei, B., & Guizani, M. (2023). Performance analysis and comparison of non-ideal wireless PBFT and RAFT consensus networks in 6G communications. ArXiv. doi: 10.48550/arXiv.2304.08697.
- Meng, F., Chen, B., & Tan, C. (2022). Adaptive minimum adjustment consensus model for large-scale group decision making under social networks and its application in Integrated Care of Older People. Applied Soft Computing, 132(1), article number 109863. doi: 10.1016/j.asoc.2022.109863.
- Mughal, F.R., He, J., Das, B., Dharejo, F.A., Zhu, N., Khan, S.B., & Alzahrani, S. (2024). Adaptive federated learning for resource-constrained IoT devices through edge intelligence and multi-edge clustering. Scientific Reports, 14(1), article number 28746. doi: 10.1038/s41598-024-78239-z.
- Murthy, V.S.N., Kumari, R., Goyal, M., Dubey, P., Meenakshi, Manikandan, S., & Ramesh, P. (2025). Edge-AI in IoT: Leveraging cloud computing and big data for intelligent decision-making. Journal of Information Systems Engineering & Management, 10(20), 601-619. doi: 10.52783/jisem.v10i20s.3194.
- Piao, X., Li, M., Meng, F., & Song, H. (2022). Latency analysis for raft consensus on Hyperledger fabric. In D. Svetinovic, Y. Zhang, X. Luo, X. Huang & X. Chen (Eds.), Blockchain and trustworthy systems (pp. 165-176). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-19-8043-5_12.
- Qian, C., Tang, W., & Wang, Y. (2023). Time-sensitive data processing strategy for enhancing the performance of BFT consensus mechanism in IoT edge computing environment. In Proceedings of the 2023 2nd international conference on algorithms, data mining, and information technology (pp. 181-188). New York: Association for Computing Machinery. doi: 10.1145/3625403.3625436.
- Rizal, S., & Kim, D. (2025). Enhancing blockchain consensus mechanisms: A comprehensive survey on machine learning applications and optimisations. Blockchain: Research and Applications, 6(4), article number 100302. doi: 10.1016/j.bcra.2025.100302.
- Rodríguez-Camargo, C.D., Urquijo-Rodríguez, A.F., & Mojica-Nava, E.A. (2023). Consensus-based distributed optimisation for multi-agent systems over multiplex networks. ArXiv. doi: 10.48550/arXiv.2304.01875.
- Rupanetti, D., & Kaabouch, N. (2024). Combining edge computing-assisted internet of things security with artificial intelligence: Applications, challenges, and opportunities. Applied Sciences, 14(16), article number 7104. doi: 10.3390/app14167104.
- Salama, M., Hussein, Z., & El-Rahman, S.A. (2023). Evolution of blockchain consensus algorithms: A review on the latest milestones of blockchain consensus algorithms. Cybersecurity, 6(1), article number 30. doi: 10.1186/ s42400-023-00163-y.
- Sarker, K.U. (2024). Boolean Byzantine fault tolerant algorithm for light weight IoT consensus. Research Square. doi: 10.21203/rs.3.rs-4575514/v1.
- Tulkinbekov, K., & Kim, D. (2022). Blockchain-enabled approach for Big Data processing in edge computing. IEEE Internet of Things Journal, 9(19), 18473-18486. doi: 10.1109/JIOT.2022.3160838.
- Wang, Y., Wan, Q., Wu, Y., & Chen, L. (2025). Grouped Byzantine fault tolerant consensus algorithm based on aggregated signatures. Cybersecurity, 8(1), article number 60. doi: 10.1186/s42400-025-00362-9.
- Xiong, H., Chen, M., Wu, C., Zhao, Y., & Yi, W. (2022). Research on progress of blockchain consensus algorithm: A review on recent progress of blockchain consensus algorithms. Future Internet, 14(2), article number 47. doi: 10.3390/fi14020047.
- Xue, H., Chen, D., Zhang, N., Dai, H., & Yu, K. (2022). Integration of blockchain and edge computing in internet of things: A survey. Future Generation Computer Systems, 144, 307-326. doi: 10.1016/j.future.2022.10.029.
- Yuan, H., Li, F., Renhong, D., & Shu, T. (2024). Double‐layer Byzantine fault‐tolerant grouping consensus algorithm based on raft. IET Blockchain, 4(1), 555-569. doi: 10.1049/blc2.12073.
- Zhan, Z., & Huang, R. (2023). Improvement of hierarchical Byzantine fault tolerance algorithm in RAFT consensus algorithm election. Applied Sciences, 13(16), article number 9125. doi: 10.3390/app13169125.
- Zhang, C., Ji, L., Yang, S., Guo, X., & Li, H. (2024). Distributed optimal consensus control for multiagent systems based on event-triggered and prioritized experience replay strategies. Science China Information Sciences, 68(1), article number 112206. doi: 10.1007/s11432-023-4183-4.
- Zhong, W., Yang, C., Liang, W., Cai, J., Chen, L., Liao, J., & Xiong, N. (2023). Byzantine fault-tolerant consensus algorithms: A survey. Electronics, 12(18), article number 3801. doi: 10.3390/electronics12183801.