Quel est le problème des généraux byzantins ?

Le problème des généraux byzantins est une question fondamentale dans le domaine des systèmes distribués, qui résume les défis liés à la réalisation d'un consensus dans un réseau décentralisé. Ce problème, tiré de la théorie des jeux, est essentiel pour comprendre la dynamique de la prise de décision dans laquelle les participants ne peuvent pas vérifier l'identité ou l'intégrité des autres dans un environnement caractérisé par des canaux de communication peu fiables.

À la base, le problème des généraux byzantins présente un scénario dans lequel un groupe de généraux, chacun dirigeant une division d'une armée, doit décider à l'unanimité s'il doit attaquer ou se retirer d'une ville assiégée. Le nœud du dilemme réside dans la fiabilité des messagers qui sont susceptibles d'être interceptés ou corrompus par les défenseurs de la ville. Le défi consiste pour les généraux loyaux à concevoir un protocole qui surmonte la tromperie de tout participant malhonnête, garantissant un consensus solide pour une attaque ou une retraite coordonnée.

Ce problème est particulièrement important dans les systèmes informatiques distribués, où parvenir à un consensus sans une autorité centrale de confiance constitue un obstacle important. L’analogie est particulièrement pertinente dans le contexte du Bitcoin et d’autres crypto-monnaies. La résolution du problème des généraux byzantins a constitué une avancée cruciale dans la création du Bitcoin. Il a jeté les bases du développement de monnaies numériques décentralisées, dans lesquelles la confiance dans une entité centrale est remplacée par un mécanisme de consensus entre les nœuds du réseau.

Bitcoin résout ce problème grâce à sa combinaison innovante de techniques cryptographiques et d'un algorithme de consensus . Cette combinaison forme un protocole qui permet aux nœuds du réseau Bitcoin de se mettre d’accord sur l’état de la blockchain, garantissant ainsi l’intégrité et la continuité de la cryptomonnaie sans avoir besoin d’une autorité centrale. La solution au problème des généraux byzantins constitue donc la pierre angulaire du développement de la technologie blockchain et des crypto-monnaies, ouvrant la voie à une nouvelle ère de transactions numériques décentralisées.

Histoire du problème des généraux byzantins dans la technologie distribuée

Le problème des généraux byzantins, un concept central dans le domaine de l'informatique et des systèmes distribués, a été introduit pour la première fois dans un article fondateur de Leslie Lamport , Robert Shostak et Marshall Pease en 1982. Ce problème résume les défis liés à la réalisation d'un consensus entre les diverses composantes du système. un système distribué, en particulier dans des conditions où certains composants peuvent tomber en panne ou fonctionner de manière peu fiable.

Le document de recherche, bénéficiant du soutien notable d'organisations prestigieuses telles que la NASA, le Commandement des systèmes de défense contre les missiles balistiques et le Bureau de recherche de l'armée, a souligné l'importance de ce problème non seulement dans les communications militaires mais également dans divers systèmes informatiques. Le problème présente un scénario dans lequel plusieurs divisions d’une armée, analogues aux nœuds d’un réseau informatique, doivent se mettre d’accord sur un plan d’action unifié. Cependant, ce consensus doit être atteint malgré la présence d’éléments peu fiables ou potentiellement traîtres au sein du système, symbolisés par les généraux et leurs messagers.

Dans leur article, Lamport, Shostak et Pease expliquent qu'un système informatique fiable doit gérer la défaillance d'un ou plusieurs de ses composants, qui peuvent envoyer des informations contradictoires. Cela conduit au concept de tolérance aux pannes byzantine, une fonctionnalité essentielle au bon fonctionnement des systèmes, même en cas de panne de composants.

La fin des années 1990 a vu de nouveaux progrès avec les chercheurs Barbara Liskov et Miguel Castro développant l'algorithme Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT), améliorant le consensus dans les réseaux distribués. Bien que pBFT ait été confronté à des défis, notamment en termes d’évolutivité, il a jeté les bases des technologies blockchain ultérieures.

Une étape importante dans la résolution du problème des généraux byzantins a été le livre blanc Bitcoin de Satoshi Nakamoto de 2008, introduisant l' algorithme de preuve de travail (PoW) . Cette innovation a révolutionné le domaine en offrant une solution pratique pour parvenir à un consensus dans un environnement décentralisé et sans confiance, pierre angulaire du développement des crypto-monnaies et de la technologie blockchain.

Le problème des généraux byzantins est passé d’un dilemme théorique en informatique à un élément fondamental des technologies informatiques et de crypto-monnaie modernes, soulignant l’importance d’une communication fiable dans les systèmes distribués.

Algorithmes byzantins populaires de tolérance aux pannes

Pour se prémunir contre la perturbation des systèmes distribués par un petit groupe d'acteurs nuisibles, il est essentiel de mettre en œuvre un algorithme robuste. Ce besoin a conduit au développement de protocoles de consensus byzantins tolérants aux pannes, essentiels pour permettre à une informatique distribuée fiable de gérer efficacement les pannes byzantines.

L'un de ces protocoles est le Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), un algorithme de consensus conçu pour les systèmes distribués. PBFT peut gérer jusqu'à un tiers de ses nœuds se comportant de manière byzantine – de manière arbitraire ou même malveillante – sans compromettre l'intégrité du réseau. Cet algorithme est conçu pour parvenir à un consensus sur la séquence d’actions le plus rapidement possible tout en maintenant un fonctionnement cohérent, même face aux échecs byzantins. PBFT utilise un mélange de signatures numériques, de délais d'attente et d'accusés de réception pour garantir la progression continue du processus de consensus, même lorsque certains nœuds sont compromis ou agissent de manière malveillante, tant que la majorité reste digne de confiance.

Un autre protocole important est l’ Accord fédéré byzantin (FBA), adapté aux réseaux décentralisés. FBA permet aux nœuds de parvenir à un consensus sans avoir besoin d'une autorité centrale. Il fonctionne en formant des fédérations de nœuds indépendants qui se font confiance. Au sein de chaque fédération, les nœuds s'accordent sur l'ordre et la légitimité des transactions ou des événements, permettant à des fédérations distinctes de mener leurs processus de consensus de manière indépendante. Un exemple d'implémentation utilisant FBA est Fedimint, un protocole open source important pour les transactions et la garde Bitcoin. Fedimint utilise l'algorithme de consensus Honey Badger Byzantine tolérant aux pannes (HBBFT), démontrant l'adaptabilité et l'efficacité de FBA dans les applications du monde réel.

Proof-of-Work (PoW) et le problème des généraux byzantins

En octobre 2008, Satoshi Nakamoto a dévoilé le premier livre blanc Bitcoin, jetant les bases de ce qui allait devenir le réseau Bitcoin en janvier 2009. Bien que le livre blanc ne mentionne pas explicitement le « problème des généraux byzantins », il propose effectivement une solution à ce problème de longue date. problème permanent dans les réseaux de communication numérique.

L'innovation de Nakamoto impliquait l'utilisation de la sécurité cryptographique et du cryptage à clé publique pour relever les défis posés par le problème des généraux byzantins dans le domaine des transactions numériques. La sécurité cryptographique utilise le hachage – le processus de transformation des données en un code unique – pour se prémunir contre la falsification. Le cryptage par clé publique est utilisé pour authentifier l'identité des participants au sein du réseau.

Les transactions en Bitcoin sont sécurisées au sein de blocs, chacun étant lié au précédent via une valeur de hachage. Cela crée une chaîne traçable jusqu'au tout premier bloc, connu sous le nom de bloc de genèse. La blockchain utilise une structure Merkle Tree pour authentifier les hachages provenant de ce bloc initial.

La validité au sein du réseau est assurée puisque chaque bloc remonte au bloc de genèse. Les mineurs, en compétition pour résoudre des énigmes cryptographiques complexes, valident ces blocs dans le cadre du mécanisme de consensus Proof of Work (PoW). Cette approche non seulement renforce l’intégrité de la blockchain, mais incite également les mineurs à fournir des informations véridiques, car le coût de création d’un bloc est important.

La nature objective des règles de Bitcoin élimine la possibilité de falsification d'informations ou de litiges au sein du réseau. Les critères de validation des transactions et de création de nouveaux Bitcoins sont clairs et impartiaux. Une fois qu’un bloc est ajouté à la blockchain, il devient presque impossible de le modifier, cimentant ainsi l’historique des transactions.

Dans ce système, les mineurs jouent un rôle analogue aux généraux dans le problème des généraux byzantins, chaque nœud étant responsable de la vérification des transactions – l’équivalent moderne des messages dans l’analogie originale. L'utilisation de la sécurité cryptographique par la blockchain déjoue les attaques potentielles des pirates (semblables à l'ennemi dans l'analogie), car les transactions sont regroupées en blocs et hachées pour plus de sécurité. La conception de Satoshi introduit un élément probabiliste en plaçant les mineurs dans un environnement compétitif pour valider les blocs, renforçant ainsi la décentralisation du réseau.

La compétition entre mineurs implique de résoudre un casse-tête cryptographique, dont la probabilité de succès est liée à leur puissance de calcul ou à leur taux de hachage. Le mineur qui résout l’énigme diffuse la solution, que d’autres mineurs valident ensuite. La cible de difficulté du puzzle garantit la véracité de la solution.

Ainsi, chaque membre du réseau Bitcoin peut systématiquement se mettre d’accord sur l’état de la blockchain et de toutes ses transactions. Chaque nœud vérifie indépendamment la légitimité des blocs et des transactions, éliminant ainsi le besoin de confiance entre les participants du réseau.

De plus, la nature décentralisée de la blockchain signifie qu’il n’y a pas de point de défaillance unique. Les blocs sont stockés dans une base de données distribuée, répliqués sur l'ensemble du réseau, améliorant ainsi la tolérance aux pannes et garantissant que la défaillance d'un nœud ne compromet pas l'ensemble du système. Cette redondance s'apparente à avoir plusieurs messagers dans l'analogie des généraux byzantins, garantissant que le message est préservé même si l'un des messagers est compromis.

L'avenir de la blockchain : preuve de participation (PoS) et preuve de participation déléguée (DPoS)

Le Proof-of-Stake (PoS) est un mécanisme de consensus dans la technologie blockchain qui a été introduit en 2012 pour résoudre le problème des généraux byzantins. Contrairement aux réseaux basés sur le Proof-of-Work (PoW), les réseaux PoS ne reposent pas sur le minage. Au lieu de cela, ils utilisent un processus appelé jalonnement .

Dans ce système, les utilisateurs, appelés validateurs, mettent leurs fonds en jeu comme forme de sécurité. Plus un validateur détient de pièces, plus il peut valider de blocs et plus les récompenses qu'il peut gagner sont élevées. Cependant, il existe un risque : les validateurs qui tentent d'approuver de fausses transactions peuvent perdre les fonds mis en jeu.

PoS permet aux utilisateurs de miser des pièces à l'aide d'ordinateurs personnels standard, contrairement au matériel spécialisé requis pour le minage PoW. Divers réseaux basés sur PoS ont développé des mécanismes pour éviter les doubles dépenses et autres risques de sécurité associés aux échecs byzantins. Par exemple, Ethereum 2.0 (Serenity) prévoit d'implémenter l'algorithme Casper PoS, qui nécessite un consensus des deux tiers entre les nœuds pour valider un bloc.

Introduit en 2014, le Delegated Proof-of-Stake (DPoS) est une variante du modèle PoS. Dans DPoS, seul un groupe sélectionné d'utilisateurs, appelés délégués, a le pouvoir de valider les transactions et de créer des blocs. Les utilisateurs misent la monnaie de la blockchain pour voter pour les candidats délégués, les récompenses en bloc étant généralement distribuées proportionnellement au montant misé.

DPoS permet aux nœuds d'atteindre un consensus plus rapidement que PoW ou PoS, permettant un traitement des transactions plus rapide à grande échelle. Cependant, cette vitesse peut se faire au détriment de la tolérance aux pannes byzantine. Avec moins de nœuds responsables de la sécurité du réseau, le risque de collusion contre les intérêts de la majorité est plus élevé. Pour atténuer ce problème, les réseaux DPoS organisent fréquemment des élections de délégués, garantissant que les délégués restent responsables de leurs actions et décisions.

Conclusion

Alors que notre société adopte de plus en plus de systèmes distribués et de monnaies décentralisées comme le Bitcoin, le problème des généraux byzantins devient crucial pour la coordination de plusieurs entités indépendantes sans surveillance centrale. Dans de tels systèmes, la tolérance aux pannes byzantine est essentielle pour garantir la résilience et la sécurité, même au milieu d’informations trompeuses ou fausses, permettant un consensus malgré les tromperies et trahisons potentielles.

Bitcoin illustre comment créer un environnement sans confiance capable de contrer diverses attaques. Son algorithme de preuve de travail (PoW) a joué un rôle déterminant dans le maintien de la sécurité du réseau en favorisant la concurrence entre les mineurs. Cette concurrence rend presque impossible pour une seule entité de dominer le réseau, garantissant ainsi son caractère décentralisé. Le modèle de Bitcoin, ancré dans la tolérance aux pannes byzantine, représente une approche robuste pour parvenir à un consensus et maintenir la sécurité face à d'éventuelles informations erronées et activités malveillantes.

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