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ビザンチン将軍問題とは何ですか?

投稿日時 Jan 11, 2024
ビザンチン将軍問題とは何ですか?

ビザンチン将軍問題は、分散システムの領域における基本的な問題であり、分散ネットワークで合意を達成するという課題を要約しています。ゲーム理論から導かれたこの問題は、信頼性の低い通信チャネルを特徴とする環境で参加者が他者の身元や誠実さを確認できない意思決定のダイナミクスを理解する上で極めて重要です。

ビザンチン将軍問題の核心は、それぞれが軍の師団を率いる将軍のグループが、包囲された都市を攻撃するか撤退するかを全会一致で決定しなければならないというシナリオを提示している。ジレンマの核心は、都市の防衛者による傍受や汚職の影響を受けやすい使者の信頼性にある。忠実な将軍にとっての課題は、不正な参加者の欺瞞を打ち破り、協調的な攻撃または撤退のための強固な合意を確保する手順を考案することである。

この問題は分散コンピューティング システムで特に顕著であり、信頼できる中央機関なしで合意に達することが大きなハードルとなります。この類似性は、ビットコインやその他の暗号通貨の文脈に特に当てはまります。ビザンチン将軍問題の解決は、ビットコインの創造における重要な進歩でした。これは、中央エンティティへの信頼がネットワーク ノード間の合意メカニズムに置き換えられる、分散型デジタル通貨開発の基礎を築きました。

ビットコインは、暗号技術とコンセンサス アルゴリズムの革新的な組み合わせによってこの問題に対処しています。この組み合わせにより、ビットコイン ネットワーク内のノードがブロックチェーンの状態について合意できるようにするプロトコルが形成され、中央機関を必要とせずに暗号通貨の完全性と継続性が確保されます。したがって、ビザンチン将軍問題の解決策は、ブロックチェーン技術と暗号通貨の開発の基礎となり、分散型デジタル取引の新時代への道を切り開きます。

分散テクノロジーにおけるビザンチン将軍問題の歴史

コンピューター サイエンスと分散システムの分野で極めて重要な概念であるビザンチン将軍問題は、1982 年にレスリー ランポート、ロバート ショスタク、マーシャル ピーズによって独創的な論文で初めて導入されました。この問題は、システムのさまざまな構成要素間で合意を達成するという課題を要約しています。分散システム、特に一部のコンポーネントが失敗したり、信頼性が低い動作をしたりする可能性がある状況では。

この研究論文は、NASA、弾道ミサイル防衛システム司令部、陸軍研究局などの権威ある組織から注目すべき支援を受けており、軍事通信だけでなく、さまざまなコンピュータシステムにわたるこの問題の重要性を強調しています。この問題は、コンピュータ ネットワークのノードに似た軍隊のいくつかの師団が統一された行動方針に同意する必要があるというシナリオを示しています。ただし、この合意は、将軍とその使者に象徴される、システム内に信頼できない、または潜在的に裏切り者の要素が存在するにもかかわらず、達成されなければなりません。

Lamport、Shostak、Pease は論文の中で、信頼性の高いコンピュータ システムでは、矛盾する情報を送信する可能性がある 1 つ以上のコンポーネントの障害を管理する必要があると明確に述べています。これは、コンポーネントの障害に直面してもシステムが正しく機能するための重要な機能であるビザンチン フォールト トレランスの概念につながります。

1990 年代後半には、研究者のBarbara LiskovとMiguel Castroが実用的ビザンチン フォールト トレランス (pBFT) アルゴリズムを開発し、分散ネットワークにおけるコンセンサスを強化することでさらなる進歩が見られました。 pBFT は、特にスケーラビリティの点で課題に直面しましたが、その後のブロックチェーン テクノロジーの基礎を築きました。

ビザンチン将軍問題に対処する上で重要なマイルストーンは、サトシ・ナカモトの 2008 年のビットコイン ホワイトペーパーで実現し、 プルーフ・オブ・ワーク (PoW) アルゴリズムを導入しました。このイノベーションは、暗号通貨とブロックチェーン技術の開発の基礎となる、分散型トラストレス環境でコンセンサスを達成するための実用的なソリューションを提供することで、この分野に革命をもたらしました。

ビザンチン将軍問題は、コンピューター サイエンスにおける理論上のジレンマから現代のコンピューティングおよび暗号通貨テクノロジーの基礎的な要素へと進化し、分散システムにおける信頼性の高い通信の重要性を強調しています。

一般的なビザンチンフォールトトレランスアルゴリズム

少数の有害な攻撃者による分散システムの破壊を防ぐには、堅牢なアルゴリズムを実装することが不可欠です。このニーズにより、ビザンチン障害を効率的に処理する信頼性の高い分散コンピューティングを可能にするビザンチン フォールト トレラント コンセンサス プロトコルの開発が行われました。

そのようなプロトコルの 1 つは、分散システム用に設計されたコンセンサス アルゴリズムであるPractical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) です。 PBFT は、ネットワークの整合性を損なうことなく、ビザンチン方式で動作するノードの最大 3 分の 1 を、恣意的または悪意を持って処理できます。このアルゴリズムは、ビザンチン障害に直面しても一貫した動作を維持しながら、可能な限り迅速な方法で一連のアクションに関する合意を達成するように調整されています。 PBFT は、デジタル署名、タイムアウト、確認応答を組み合わせて使用し、一部のノードが侵害されたり悪意のある動作をした場合でも、大部分が信頼できる限り、コンセンサス プロセスの継続的な進行を保証します。

もう 1 つの重要なプロトコルは、分散型ネットワーク向けに調整されたFederated Byzantine Agency (FBA) です。 FBA を使用すると、中央機関を必要とせずにノードが合意に達することができます。相互に信頼する独立したノードの連合を形成することで動作します。各フェデレーション内で、ノードはトランザクションやイベントの順序と正当性について合意し、異なるフェデレーションがコンセンサス プロセスを独立して実行できるようにします。 FBA を使用した実装例としては、ビットコインのトランザクションと保管のための著名なオープンソース プロトコルである Fedimint があります。 Fedimint は、Honey Badger Byzantine Fault Tolerant (HBBFT) コンセンサス アルゴリズムを利用し、現実世界のアプリケーションにおける FBA の適応性と有効性を示しています。

Proof-of-Work (PoW) とビザンチン将軍問題

2008 年 10 月、サトシ ナカモトは最初のビットコイン ホワイトペーパーを発表し、2009 年 1 月にビットコイン ネットワークとなる基礎を築きました。ホワイトペーパーでは「ビザンチン将軍問題」については明確に言及されていませんが、長年にわたるこの問題に対する効果的な解決策が提供されています。デジタル通信ネットワークにおける継続的な問題。

ナカモトのイノベーションには、デジタル取引の領域におけるビザンチン将軍問題によってもたらされる課題に対処するための、暗号化セキュリティと公開キー暗号化の使用が含まれていました。暗号化セキュリティでは、改ざんを防ぐためにハッシュ (データを一意のコードに変換するプロセス) を採用しています。公開キー暗号化は、ネットワーク内の参加者の身元を認証するために使用されます。

ビットコインのトランザクションはブロック内で保護されており、それぞれがハッシュ値を通じて以前のトランザクションにリンクされています。これにより、ジェネシス ブロックとして知られる、最初のブロックに遡る追跡可能なチェーンが作成されます。ブロックチェーンはマークル ツリー構造を採用して、この最初のブロックから生成されるハッシュを認証します。

各ブロックがジェネシス ブロックまで遡ることにより、ネットワーク内の有効性が保証されます。マイナーは複雑な暗号パズルを解くために競い合い、これらのブロックを Proof of Work (PoW) コンセンサス メカニズムの一部として検証します。このアプローチは、ブロックチェーンの完全性を強固にするだけでなく、ブロックの作成コストが多額になるため、マイナーが真実の情報を提供する動機にもなります。

ビットコインのルールは客観的な性質を持っているため、ネットワーク内での情報の改ざんや紛争の可能性は排除されています。取引の検証と新しいビットコインの鋳造の基準は明確かつ公平です。ブロックがブロックチェーンに追加されると、変更することはほぼ不可能になり、トランザクションの履歴記録が強固になります。

このシステムでは、マイナーはビザンチンの将軍問題における将軍に似た役割を果たし、各ノードはトランザクションの検証を担当します (元の例えにおけるメッセージに現代的に相当します)。ブロックチェーンによる暗号セキュリティの使用は、トランザクションがブロックにグループ化され、セキュリティを強化するためにハッシュされるため、ハッカー (たとえて言えば敵に似ています) からの潜在的な攻撃を阻止します。サトシの設計では、マイナーを競争環境に配置してブロックを検証することで確率的要素を導入し、ネットワークの分散化を強化しています。

マイナー間の競争には、暗号パズルを解くことが含まれており、成功の可能性は計算能力またはハッシュ レートに関連付けられています。パズルを解いたマイナーは解決策をブロードキャストし、他のマイナーがそれを検証します。パズルの難易度目標により、解決策の正確性が保証されます。

したがって、ビットコインネットワークのすべてのメンバーは、ブロックチェーンとそのすべてのトランザクションの状態について一貫して同意することができます。各ノードはブロックとトランザクションの正当性を独立して検証し、ネットワーク参加者間の信頼の必要性を無効にします。

さらに、ブロックチェーンの分散型の性質は、単一障害点がないことを意味します。ブロックは分散データベース全体に保存され、ネットワーク全体に複製されるため、フォールト トレランスが強化され、1 つのノードの障害がシステム全体に影響を与えないようにします。この冗長性は、ビザンチンの将軍に例えると複数のメッセンジャーを持つことに似ており、1 人のメッセンジャーが侵害された場合でもメッセージは確実に保持されます。

ブロックチェーンの将来: プルーフ オブ ステーク (PoS) と委任されたプルーフ オブ ステーク (DPoS)

プルーフ・オブ・ステーク (PoS) は、ビザンチン将軍問題に対処するために 2012 年に導入されたブロックチェーン テクノロジーのコンセンサス メカニズムです。 Proof-of-Work (PoW) に基づくネットワークとは異なり、PoS ネットワークはマイニングに依存しません。代わりに、ステーキングとして知られるプロセスを使用します。

このシステムでは、バリデーターと呼ばれるユーザーが、セキュリティの一種として資金を賭けます。バリデーターが保持するコインが多いほど、より多くのブロックを検証でき、より多くの報酬を獲得できます。ただし、リスクも伴います。偽の取引を承認しようとするバリデーターは、賭けた資金を失う可能性があります。

PoS を使用すると、PoW マイニングに必要な特殊なハードウェアとは異なり、ユーザーは標準の家庭用コンピューターを使用してコインをステーキングできます。さまざまな PoS ベースのネットワークは、二重支払いやビザンチン障害に関連するその他のセキュリティ リスクを防止するメカニズムを開発しました。たとえば、イーサリアム 2.0 (セレニティ) は、ブロックを検証するためにノード間の 3 分の 2 の合意が必要な Casper PoS アルゴリズムの実装を計画しています。

2014 年に導入された Delegated Proof-of-Stake (DPoS) は、PoS モデルのバリエーションです。 DPoS では、デリゲートと呼ばれる選択されたユーザー グループのみが、トランザクションを検証してブロックを作成する権限を持ちます。ユーザーはブロックチェーンの通貨を賭けて代議員候補者に投票し、ブロック報酬は通常、賭けた金額に比例して分配されます。

DPoS を使用すると、ノードは PoW や PoS よりも迅速にコンセンサスに到達できるため、大規模なトランザクション処理の高速化が可能になります。ただし、この速度にはビザンチン耐障害性が犠牲になる可能性があります。ネットワークセキュリティを担当するノードが少ないと、多数派の利益に反する共謀のリスクが高くなります。これを軽減するために、DPoS ネットワークは頻繁に代表者選挙を開催し、代表者が自らの行動と決定に対して責任を負い続けることを保証します。

結論

私たちの社会が分散システムやビットコインのような分散通貨をますます採用するにつれて、中央の監視なしに複数の独立した組織を調整するためにビザンチン将軍問題が重要になります。このようなシステムでは、誤解を招く情報や虚偽の情報の中でも回復力とセキュリティを確保し、潜在的な欺瞞や裏切りにもかかわらず合意を可能にするビザンチン フォールト トレランスが不可欠です。

ビットコインは、さまざまな攻撃に対抗できるトラストレス環境を作成する方法の例です。そのプルーフ・オブ・ワーク (PoW) アルゴリズムは、マイナー間の競争を促進することでネットワークのセキュリティを維持するのに役立ちました。この競争により、単一のエンティティがネットワークを支配することがほぼ不可能になり、その分散型の性質が確保されます。ビザンチンのフォールトトレランスに根ざしたビットコインのモデルは、潜在的な誤情報や悪意のある活動に直面してコンセンサスを達成し、セキュリティを維持するための堅牢なアプローチを表しています。

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