ما هي مشكلة الجنرالات البيزنطيين؟

تعد مشكلة الجنرالات البيزنطيين قضية أساسية في مجال الأنظمة الموزعة، وتلخص تحديات تحقيق الإجماع في شبكة لا مركزية. تعتبر هذه المشكلة، المستمدة من نظرية اللعبة، محورية في فهم ديناميكيات صنع القرار حيث لا يستطيع المشاركون التحقق من هوية أو سلامة الآخرين في بيئة تتميز بقنوات اتصال غير موثوقة.

في جوهرها، تقدم مشكلة الجنرالات البيزنطيين سيناريو حيث يجب على مجموعة من الجنرالات، كل منهم يقود فرقة من الجيش، أن يقرروا بالإجماع ما إذا كانوا سيهاجمون مدينة محاصرة أو ينسحبون منها. يكمن جوهر المعضلة في موثوقية الرسل الذين يكونون عرضة للاعتراض أو الفساد من قبل المدافعين عن المدينة. ويتمثل التحدي في أن يبتكر الجنرالات المخلصون بروتوكولاً يتغلب على خداع أي مشارك غير أمين، ويضمن إجماعاً قوياً على هجوم منسق أو انسحاب.

وتبرز هذه المشكلة بشكل خاص في أنظمة الحوسبة الموزعة، حيث يشكل التوصل إلى إجماع دون سلطة مركزية موثوقة عقبة كبيرة. هذا التشبيه له أهمية خاصة في سياق البيتكوين والعملات المشفرة الأخرى. كان حل مشكلة الجنرالات البيزنطيين إنجازًا حاسمًا في إنشاء عملة البيتكوين. لقد أرسى الأساس لتطوير العملات الرقمية اللامركزية، حيث يتم استبدال الثقة في كيان مركزي بآلية توافق بين عقد الشبكة.

تعالج Bitcoin هذه المشكلة من خلال مزيجها المبتكر من تقنيات التشفير وخوارزمية الإجماع . يشكل هذا المزيج بروتوكولًا يمكّن العقد في شبكة Bitcoin من الاتفاق على حالة blockchain، مما يضمن سلامة واستمرارية العملة المشفرة دون الحاجة إلى سلطة مركزية. وبالتالي فإن حل مشكلة الجنرالات البيزنطيين يمثل حجر الزاوية في تطوير تكنولوجيا البلوكشين والعملات المشفرة، مما يمهد الطريق لعصر جديد من المعاملات الرقمية اللامركزية.

تاريخ مشكلة الجنرالات البيزنطيين في التكنولوجيا الموزعة

تم طرح مشكلة الجنرالات البيزنطيين، وهي مفهوم محوري في مجال علوم الكمبيوتر والأنظمة الموزعة، لأول مرة في ورقة بحثية مهمة بقلم ليزلي لامبورت ، وروبرت شوستاك ، ومارشال بيز في عام 1982. وتلخص هذه المشكلة التحديات المتمثلة في تحقيق الإجماع بين مختلف مكونات النظام. نظام موزع، خاصة في ظل الظروف التي قد تفشل فيها بعض المكونات أو تعمل بشكل غير موثوق.

وقد سلطت الورقة البحثية، التي تلقت دعمًا ملحوظًا من منظمات مرموقة مثل وكالة ناسا، وقيادة أنظمة الدفاع الصاروخي الباليستي، ومكتب أبحاث الجيش، الضوء على أهمية هذه المشكلة ليس فقط في الاتصالات العسكرية ولكن أيضًا عبر أنظمة الكمبيوتر المتنوعة. تمثل المشكلة سيناريو حيث يجب أن تتفق عدة أقسام من الجيش، على غرار العقد في شبكة الكمبيوتر، على مسار عمل موحد. لكن هذا الإجماع يجب أن يتحقق رغم وجود عناصر غير موثوقة أو خائنة داخل النظام، يرمز لها بالجنرالات ورسلهم.

يوضح لامبورت وشوستاك وبيز في بحثهم أن نظام الكمبيوتر الموثوق به يجب أن يتعامل مع فشل واحد أو أكثر من مكوناته، الأمر الذي قد يرسل معلومات متضاربة. يؤدي هذا إلى مفهوم التسامح مع الأخطاء البيزنطية، وهي ميزة مهمة للأنظمة لتعمل بشكل صحيح حتى في مواجهة فشل المكونات.

شهدت أواخر التسعينيات مزيدًا من التقدم مع الباحثين باربرا ليسكوف وميغيل كاسترو الذين طوروا خوارزمية التسامح مع الأخطاء البيزنطية العملية (pBFT)، مما عزز الإجماع في الشبكات الموزعة. على الرغم من أن pBFT واجه تحديات، لا سيما فيما يتعلق بقابلية التوسع، إلا أنه وضع الأساس لتقنيات blockchain اللاحقة.

حدث هام في معالجة مشكلة الجنرالات البيزنطيين جاء مع ورقة بيتكوين البيضاء لعام 2008 التي أصدرها ساتوشي ناكاموتو، والتي قدمت خوارزمية إثبات العمل (PoW) . أحدث هذا الابتكار ثورة في هذا المجال من خلال تقديم حل عملي لتحقيق الإجماع في بيئة لا مركزية وغير موثوقة، وهو حجر الزاوية في تطوير العملات المشفرة وتكنولوجيا blockchain.

تطورت مشكلة الجنرالات البيزنطيين من معضلة نظرية في علوم الكمبيوتر إلى عنصر أساسي في تقنيات الحوسبة والعملات المشفرة الحديثة، مما يؤكد أهمية الاتصال الموثوق في الأنظمة الموزعة.

خوارزميات التسامح مع الخطأ البيزنطية الشعبية

للحماية من تعطيل الأنظمة الموزعة من قبل مجموعة صغيرة من الجهات الفاعلة الضارة، من الضروري تنفيذ خوارزمية قوية. وقد أدت هذه الحاجة إلى تطوير بروتوكولات الإجماع البيزنطية المتسامحة مع الأخطاء، والتي كانت مفيدة في تمكين الحوسبة الموزعة الموثوقة من التعامل مع الإخفاقات البيزنطية بكفاءة.

أحد هذه البروتوكولات هو التسامح البيزنطي العملي مع الأخطاء (PBFT)، وهو خوارزمية توافقية مصممة للأنظمة الموزعة. يمكن لـ PBFT التعامل مع ما يصل إلى ثلث عقدها التي تتصرف بطريقة بيزنطية - بشكل تعسفي أو حتى ضار - دون المساس بسلامة الشبكة. تم تصميم هذه الخوارزمية لتحقيق الإجماع على تسلسل الإجراءات بأسرع طريقة ممكنة مع الحفاظ على التشغيل المتسق حتى في مواجهة الإخفاقات البيزنطية. تستخدم PBFT مزيجًا من التوقيعات الرقمية والمهلات والإقرارات لضمان التقدم المستمر في عملية الإجماع، حتى عندما يتم اختراق بعض العقد أو التصرف بشكل ضار، طالما ظلت الأغلبية جديرة بالثقة.

بروتوكول مهم آخر هو الاتفاقية البيزنطية الموحدة (FBA)، المصممة للشبكات اللامركزية. يمكّن FBA العقد من التوصل إلى توافق في الآراء دون الحاجة إلى سلطة مركزية. وهي تعمل من خلال تشكيل اتحادات من العقد المستقلة التي تثق ببعضها البعض. داخل كل اتحاد، تتفق العقد على ترتيب وشرعية المعاملات أو الأحداث، مما يسمح للاتحادات المتميزة بإجراء عمليات الإجماع الخاصة بها بشكل مستقل. مثال على التنفيذ باستخدام FBA هو Fedimint، وهو بروتوكول بارز ومفتوح المصدر لمعاملات Bitcoin وحفظها. يستخدم Fedimint خوارزمية الإجماع البيزنطية المتسامحة مع الأخطاء (HBBFT) لغرير العسل، مما يعرض القدرة على التكيف وفعالية FBA في تطبيقات العالم الحقيقي.

إثبات العمل (PoW) ومشكلة الجنرالات البيزنطيين

في أكتوبر 2008، كشف ساتوشي ناكاموتو عن أول ورقة عمل عن البيتكوين، ووضع الأساس لما سيصبح شبكة البيتكوين في يناير 2009. في حين أن الورقة البيضاء لا تشير صراحةً إلى "مشكلة الجنرالات البيزنطيين"، إلا أنها تقدم حلاً فعالاً لهذه المشكلة الطويلة الأمد. مشكلة دائمة في شبكات الاتصالات الرقمية

تضمن ابتكار ناكاموتو استخدام أمان التشفير وتشفير المفتاح العام لمواجهة التحديات التي تفرضها مشكلة الجنرالات البيزنطيين في مجال المعاملات الرقمية. يستخدم أمان التشفير التجزئة - عملية تحويل البيانات إلى رمز فريد - للحماية من التلاعب. يتم استخدام تشفير المفتاح العام للتحقق من هوية المشاركين داخل الشبكة.

يتم تأمين المعاملات في البيتكوين ضمن كتل، كل منها مرتبط بالسابق من خلال قيمة التجزئة. يؤدي هذا إلى إنشاء سلسلة يمكن تتبعها حتى الكتلة الأولى، والمعروفة باسم كتلة التكوين. تستخدم blockchain بنية Merkle Tree لمصادقة التجزئة الناشئة عن هذه الكتلة الأولية.

يتم ضمان الصلاحية داخل الشبكة حيث أن كل كتلة تعود إلى كتلة التكوين. يقوم القائمون بالتعدين، الذين يتنافسون لحل ألغاز التشفير المعقدة، بالتحقق من صحة هذه الكتل كجزء من آلية توافق إثبات العمل (PoW). لا يؤدي هذا النهج إلى تعزيز سلامة blockchain فحسب، بل يحفز القائمين بالتعدين أيضًا على تقديم معلومات صادقة، حيث أن تكلفة إنشاء الكتلة كبيرة.

إن الطبيعة الموضوعية لقواعد البيتكوين تقضي على إمكانية التلاعب بالمعلومات أو النزاعات داخل الشبكة. إن معايير التحقق من صحة المعاملات وسك عملة البيتكوين الجديدة واضحة ومحايدة. بمجرد إضافة كتلة إلى blockchain، يصبح من المستحيل تقريبًا تغييرها، وبالتالي تعزيز السجل التاريخي للمعاملات.

في هذا النظام، يلعب عمال المناجم دورًا مشابهًا للجنرالات في مشكلة الجنرالات البيزنطيين، حيث تكون كل عقدة مسؤولة عن التحقق من المعاملات - المعادل الحديث للرسائل في القياس الأصلي. إن استخدام blockchain لأمان التشفير يحبط الهجمات المحتملة من المتسللين (على غرار العدو في القياس)، حيث يتم تجميع المعاملات في كتل وتجزئتها لمزيد من الأمان. يقدم تصميم ساتوشي عنصرًا احتماليًا من خلال وضع القائمين بالتعدين في بيئة تنافسية للتحقق من صحة الكتل، مما يعزز اللامركزية في الشبكة.

تتضمن المنافسة بين القائمين بالتعدين حل لغز تشفير، مع ربط احتمالية النجاح بقدرتهم الحسابية أو معدل التجزئة. يقوم عامل المنجم الذي يحل اللغز ببث الحل، والذي يتحقق منه عمال المناجم الآخرون بعد ذلك. الصعوبة المستهدفة للغز تؤكد صحة الحل.

وبالتالي، يمكن لكل عضو في شبكة Bitcoin الاتفاق باستمرار على حالة blockchain وجميع معاملاته. تتحقق كل عقدة بشكل مستقل من شرعية الكتل والمعاملات، مما يلغي الحاجة إلى الثقة بين المشاركين في الشبكة.

علاوة على ذلك، فإن الطبيعة اللامركزية لـ blockchain تعني عدم وجود نقطة فشل واحدة. يتم تخزين الكتل عبر قاعدة بيانات موزعة، ويتم نسخها عبر الشبكة، مما يعزز القدرة على تحمل الأخطاء ويضمن أن فشل عقدة واحدة لا يؤدي إلى تعريض النظام بأكمله للخطر. هذا التكرار يشبه وجود رسل متعددين في تشبيه الجنرالات البيزنطيين، مما يضمن الحفاظ على الرسالة حتى لو تم اختراق رسول واحد.

مستقبل Blockchain: إثبات الملكية (PoS) وإثبات الملكية المفوض (DPoS)

إثبات الملكية (PoS) هو آلية إجماع في تقنية blockchain تم تقديمها في عام 2012 لمعالجة مشكلة الجنرالات البيزنطيين. على عكس الشبكات القائمة على إثبات العمل (PoW)، لا تعتمد شبكات PoS على التعدين. وبدلاً من ذلك، يستخدمون عملية تُعرف باسم التوقيع المساحي .

في هذا النظام، يقوم المستخدمون، الذين يشار إليهم بالمدققين، بوضع أموالهم كشكل من أشكال الضمان. كلما زاد عدد العملات المعدنية التي يحملها المدقق، زاد عدد الكتل التي يمكنه التحقق من صحتها وزادت المكافآت التي يمكنه ربحها. ومع ذلك، هناك مخاطرة: فالمدققون الذين يحاولون الموافقة على المعاملات الزائفة قد يفقدون أموالهم المرهونة.

تسمح تقنية إثبات الحصة (PoS) للمستخدمين بجمع العملات المعدنية باستخدام أجهزة الكمبيوتر المنزلية القياسية، على عكس الأجهزة المتخصصة المطلوبة لتعدين إثبات العمل (PoW). طورت العديد من الشبكات القائمة على إثبات الحصة (PoS) آليات لمنع الإنفاق المزدوج والمخاطر الأمنية الأخرى المرتبطة بالفشل البيزنطي. على سبيل المثال، تخطط Ethereum 2.0 (Serenity) لتنفيذ خوارزمية Casper PoS، والتي تحتاج إلى إجماع الثلثين بين العقد للتحقق من صحة الكتلة.

تم طرح إثبات الملكية المفوض (DPoS) في عام 2014، وهو شكل مختلف من نموذج PoS. في DPoS، تتمتع مجموعة مختارة فقط من المستخدمين، المعروفين باسم المفوضين، بسلطة التحقق من صحة المعاملات وإنشاء الكتل. يقوم المستخدمون بحصص عملة blockchain للتصويت للمرشحين المندوبين، مع توزيع مكافآت الكتلة عادةً بما يتناسب مع المبلغ المراهن عليه.

يمكّن DPoS العقد من الوصول إلى الإجماع بسرعة أكبر من PoW أو PoS، مما يسمح بمعالجة أسرع للمعاملات على نطاق واسع. ومع ذلك، يمكن أن تأتي هذه السرعة على حساب التسامح مع الخطأ البيزنطي. مع وجود عدد أقل من العقد المسؤولة عن أمان الشبكة، هناك خطر أكبر للتواطؤ ضد مصلحة الأغلبية. وللتخفيف من ذلك، تقوم شبكات DPoS بشكل متكرر بإجراء انتخابات للمندوبين، مما يضمن بقاء المندوبين مسؤولين عن أفعالهم وقراراتهم.

خاتمة

مع اعتماد مجتمعنا بشكل متزايد للأنظمة الموزعة والعملات اللامركزية مثل البيتكوين، تصبح مشكلة الجنرالات البيزنطيين حاسمة للتنسيق بين كيانات مستقلة متعددة دون إشراف مركزي. في مثل هذه الأنظمة، يعد التسامح مع الخطأ البيزنطي أمرًا حيويًا لضمان المرونة والأمن، حتى وسط المعلومات المضللة أو الكاذبة، مما يسمح بالتوصل إلى توافق في الآراء على الرغم من الخداع والخيانة المحتملة.

تجسد عملة البيتكوين كيفية إنشاء بيئة غير موثوقة قادرة على مواجهة الهجمات المختلفة. لقد لعبت خوارزمية إثبات العمل (PoW) الخاصة بها دورًا فعالًا في الحفاظ على أمان الشبكة من خلال تعزيز المنافسة بين القائمين بالتعدين. تجعل هذه المنافسة من المستحيل تقريبًا لأي كيان منفرد أن يهيمن على الشبكة، وبالتالي ضمان طبيعتها اللامركزية. يمثل نموذج البيتكوين، المتجذر في التسامح البيزنطي مع الخطأ، نهجًا قويًا لتحقيق الإجماع والحفاظ على الأمن في مواجهة المعلومات الخاطئة والأنشطة الضارة المحتملة.

يرجى ملاحظة أن Plisio يقدم لك أيضًا:

قم بإنشاء فواتير تشفير بنقرتين and قبول التبرعات المشفرة

12 تكاملات

6 مكتبات لغات البرمجة الأكثر شيوعًا

19 عملات مشفرة و 12 بلوكشين

ما هي مشكلة الجنرالات البيزنطيين؟

تاريخ مشكلة الجنرالات البيزنطيين في التكنولوجيا الموزعة

خوارزميات التسامح مع الخطأ البيزنطية الشعبية

إثبات العمل (PoW) ومشكلة الجنرالات البيزنطيين

مستقبل Blockchain: إثبات الملكية (PoS) وإثبات الملكية المفوض (DPoS)

خاتمة

Ready to Get Started?

Always know what you pay

Start your integration