💬 Византийская отказоустойчивость в блокчейне: более пристальный взгляд

Византийская отказоустойчивость в блокчейне: более пристальный взгляд

Сфера криптовалют значительно расширилась за последние пару лет. Появление новых проектов также демонстрирует различные способы решения разработчиками существующих проблем в этой области.

Одним из терминов, который часто упоминается, является «механизм консенсуса BFT». BFT расшифровывается как Byzantine Fault Tolerance и представляет собой теоретическую проблему в компьютерных системах, существовавших задолго до Биткойна.

Однако многие протоколы на основе блокчейна занимаются решением проблем, связанных с византийской отказоустойчивостью, и ниже мы более подробно рассмотрим этот вопрос и все, что из этого вытекает.

Объяснение проблемы византийских генералов

Проблема византийских генералов — одна из наиболее широко обсуждаемых теоретических ситуаций, когда поднимается тема консенсуса.

Эта проблема была впервые отмечена в статье 1982 года под названием "Проблема византийских генералов", написанной Лесли Лэмпортом, Робертом Шостаком и Маршаллом Пизом. В документе говорится:

Надежная компьютерная система должна быть в состоянии справиться с отказом одного или нескольких ее компонентов. Неисправный компонент может демонстрировать тип поведения, который часто упускают из виду, а именно отправку противоречивой информации в разные части системы. Проблема преодоления такого рода неудач абстрактно выражается как проблема византийских генералов.

Надежная компьютерная система должна быть в состоянии справиться с отказом одного или нескольких ее компонентов. Неисправный компонент может демонстрировать тип поведения, который часто упускают из виду, а именно отправку противоречивой информации в разные части системы. Проблема преодоления такого рода неудач абстрактно выражается как проблема византийских генералов.

Название получено из аналогии, представленной в статье. В частности, авторы описывают теоретическую ситуацию, когда несколько дивизий византийской армии расположились лагерем за пределами вражеского города. Каждой дивизией командует свой генерал, и все они сидят в разных лагерях. Командирам нужно придумать общий план действий (нападать или отступать), а общаться они могут только сообщениями. Однако некоторые из генералов могут быть предателями и пытаться помешать лояльным генералам прийти к соглашению (консенсусу).

Поэтому генералы должны найти способ гарантировать, что:

Система, способная решить вышеуказанные проблемы, считается обладающей византийской отказоустойчивостью (BFT). Вот откуда берет начало алгоритм консенсуса BFT.

По сути, Byzantine Fault Tolerance — это условие, которое не позволяет системе страдать от ненадежных (нелояльных) участников.

Решение проблемы византийского генерала

Чтобы решить проблему византийских генералов и добиться византийской отказоустойчивости (BFT), генералы должны прийти к соглашению большинства относительно их стратегии.

Это достигается различными способами в зависимости от системы и ее потребностей. В контексте блокчейна и Proof-of-Work, и Proof-of-Stake способны обеспечить византийскую отказоустойчивость, но подход к ним отличается.

Большинство блокчейнов с доказательством доли могут допустить, что до одной трети их узлов будут неисправными, что дает свободу действий правилу 3f+1, где F — количество нелояльных узлов, а формула определяет количество лояльных узлов. система должна иметь.

Например, в системе с 4 узлами только один из них может быть неисправным, чтобы соответствовать критериям (3f+1).

В феврале 1999 года Мигель Кастро и Барбара Лисков из Лаборатории компьютерных наук Массачусетского технологического института (MIT) опубликовали статью, предлагающую решение проблемы с помощью так называемой практической византийской отказоустойчивости.

Как блокчейн решает проблему византийских генералов?

Технология на основе блокчейна предлагает несколько решений проблемы византийских генералов. Различия связаны с назначенным алгоритмом консенсуса и их подходом к BFT, но и Proof-of-Work, и Proof-of-Stake предоставляют жизнеспособные решения.

Интересно, что в оригинальном техническом документе Сатоши Накамото не упомянул проблему византийских генералов, но с появлением сети Биткойн создатель под псевдонимом фактически решил ее с помощью алгоритма консенсуса Proof-of-Work (PoW).

Чтобы решить эту проблему, Сатоши придумал способ использовать криптографическую защиту, а также шифрование с открытым ключом в цифровой сети. Чтобы предотвратить любое вмешательство в данные, криптографическая защита использует хеширование, а личность пользователя сети проверяется с помощью его открытого ключа.

Транзакции защищены блоками, которые связаны с другими блоками своим хеш-значением и защищены криптографией. Важно отметить, что блокчейн использует дерево Меркла для проверки хэшей, поступающих из исходного (начального) блока. Каждый блок, исходящий из блока генезиса, действителен. Эти блоки проверяются майнерами, которые решают криптографические головоломки в соревновании за создание блоков в рамках метода консенсуса.

Биткойн установил четкий и безусловно объективный свод правил, которому блокчейн должен следовать, чтобы преодолеть проблему византийских генералов. Член сети должен опубликовать доказательство того, что он выполнил работу, чтобы иметь возможность добавить информацию в блокчейн (следовательно, доказательство работы). Это дорого обходится участнику и лишает его стимула делиться ложной информацией, поскольку она будет опровергнута другими государствами-членами.

Все правила ясны и объективны, а это означает, что информация не может быть изменена.

Сети, управляемые алгоритмом консенсуса proof-of-stake, полагаются не на майнинг, а на стейкинг. Чтобы стать сетевым валидатором, пользователь должен сначала застейкать средства в системе. Те, кто владеет большей долей, также могут проверять больше блоков и получать большие вознаграждения. Те, кто попытается подделать информацию, рискуют потерять поставленную сумму.

Способы решения проблемы этими системами различаются. Например, Ethereum 2.0 использует алгоритм Casper. Необходимо, чтобы как минимум две трети всех узлов согласовали конкретный блок, прежде чем его можно будет создать и добавить в сеть.

Есть разные попытки решения проблемы, основанные на необходимости системы и подходе команды. Например, с делегированным доказательством доли (dPoS) достижение консенсуса происходит значительно быстрее. С другой стороны, некоторые системы реализуют практическую византийскую отказоустойчивость.