Na czym polega problem bizantyjskich generałów?

Problem generałów bizantyjskich jest fundamentalną kwestią w dziedzinie systemów rozproszonych, obejmującą wyzwania związane z osiągnięciem konsensusu w zdecentralizowanej sieci. Problem ten, zaczerpnięty z teorii gier, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia dynamiki podejmowania decyzji, w której uczestnicy nie mogą zweryfikować tożsamości ani integralności innych osób w środowisku charakteryzującym się zawodnymi kanałami komunikacji.

W swej istocie Problem Bizantyjskich Generałów przedstawia scenariusz, w którym grupa generałów, z których każdy dowodzi dywizją armii, musi jednomyślnie zdecydować, czy zaatakować, czy wycofać się z oblężonego miasta. Sedno dylematu leży w wiarygodności posłańców, którzy są podatni na przechwycenie lub zepsucie przez obrońców miasta. Wyzwaniem dla lojalnych generałów jest opracowanie protokołu, który przezwycięży oszustwa wszelkich nieuczciwych uczestników i zapewni solidny konsensus w sprawie skoordynowanego ataku lub odwrotu.

Problem ten jest szczególnie istotny w rozproszonych systemach informatycznych, gdzie osiągnięcie konsensusu bez zaufanego organu centralnego stanowi poważną przeszkodę. Analogia jest szczególnie istotna w kontekście Bitcoina i innych kryptowalut. Rozwiązanie problemu bizantyjskich generałów było krytycznym przełomem w tworzeniu Bitcoina. Położyło podwaliny pod rozwój zdecentralizowanych walut cyfrowych, w których zaufanie do jednostki centralnej zastępuje mechanizm konsensusu między węzłami sieci.

Bitcoin rozwiązuje ten problem poprzez innowacyjne połączenie technik kryptograficznych i algorytmu konsensusu . Ta kombinacja tworzy protokół, który umożliwia węzłom sieci Bitcoin uzgadnianie stanu łańcucha bloków, zapewniając integralność i ciągłość kryptowaluty bez potrzeby istnienia organu centralnego. Rozwiązanie problemu bizantyjskich generałów stanowi zatem kamień węgielny w rozwoju technologii blockchain i kryptowalut, torując drogę nowej erze zdecentralizowanych transakcji cyfrowych.

Historia problemu generałów bizantyjskich w technologii rozproszonej

Problem generałów bizantyjskich, koncepcja kluczowa w dziedzinie informatyki i systemów rozproszonych, została po raz pierwszy przedstawiona w nowatorskiej pracy Lesliego Lamporta , Roberta Shostaka i Marshalla Pease'a z 1982 r. Problem ten ujmuje wyzwania związane z osiągnięciem konsensusu pomiędzy różnymi elementami systemu system rozproszony, szczególnie w warunkach, w których niektóre komponenty mogą ulec awarii lub działać zawodnie.

Artykuł badawczy, cieszący się znaczącym wsparciem ze strony prestiżowych organizacji, takich jak NASA, Dowództwo Systemów Obrony Przeciwrakietowej Balistycznej i Biuro Badań Armii, podkreślił znaczenie tego problemu nie tylko w komunikacji wojskowej, ale także w różnych systemach komputerowych. Problem przedstawia scenariusz, w którym kilka dywizji armii, analogicznie do węzłów w sieci komputerowej, musi uzgodnić jednolity sposób działania. Jednak konsensus ten musi zostać osiągnięty pomimo obecności w systemie zawodnych lub potencjalnie zdradzieckich elementów, których symbolem są generałowie i ich posłańcy.

W swoim artykule Lamport, Shostak i Pease stwierdzają, że niezawodny system komputerowy musi radzić sobie z awarią jednego lub większej liczby jego elementów, które mogą wysyłać sprzeczne informacje. Prowadzi to do koncepcji bizantyjskiej tolerancji na błędy, kluczowej cechy umożliwiającej prawidłowe działanie systemów nawet w obliczu awarii komponentów.

Pod koniec lat 90. XX wieku nastąpił dalszy postęp, a badacze Barbara Liskov i Miguel Castro opracowali algorytm praktycznej bizantyjskiej tolerancji błędów (pBFT), zwiększający konsensus w sieciach rozproszonych. Chociaż pBFT stanęło w obliczu wyzwań, szczególnie w zakresie skalowalności, położyło podwaliny pod kolejne technologie blockchain.

Istotnym kamieniem milowym w rozwiązaniu problemu generałów bizantyjskich było opracowanie techniczne Bitcoina przez Satoshiego Nakamoto z 2008 roku, w którym przedstawiono algorytm dowodu pracy (PoW) . Ta innowacja zrewolucjonizowała tę dziedzinę, oferując praktyczne rozwiązanie umożliwiające osiągnięcie konsensusu w zdecentralizowanym i pozbawionym zaufania środowisku, co jest kamieniem węgielnym w rozwoju kryptowalut i technologii blockchain.

Problem generałów bizantyjskich ewoluował od teoretycznego dylematu w informatyce do fundamentalnego elementu współczesnych technologii informatycznych i kryptowalut, podkreślając znaczenie niezawodnej komunikacji w systemach rozproszonych.

Popularne bizantyjskie algorytmy tolerancji błędów

Aby uchronić się przed zakłóceniami w systemach rozproszonych przez małą grupę szkodliwych podmiotów, konieczne jest wdrożenie solidnego algorytmu. Potrzeba ta doprowadziła do opracowania bizantyjskich, odpornych na błędy protokołów konsensusu, które odgrywają zasadniczą rolę w umożliwieniu niezawodnego przetwarzania rozproszonego w celu skutecznego radzenia sobie z awariami bizantyjskimi.

Jednym z takich protokołów jest Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), algorytm konsensusu przeznaczony dla systemów rozproszonych. PBFT może obsłużyć nawet jedną trzecią swoich węzłów zachowujących się w sposób bizantyjski – arbitralnie lub nawet złośliwie – bez naruszania integralności sieci. Algorytm ten jest dostosowany do możliwie najszybszego osiągnięcia konsensusu co do sekwencji działań, przy jednoczesnym zachowaniu spójnego działania nawet w obliczu bizantyjskich niepowodzeń. PBFT wykorzystuje kombinację podpisów cyfrowych, przekroczeń limitów czasu i potwierdzeń, aby zapewnić ciągły postęp procesu konsensusu, nawet jeśli niektóre węzły zostaną naruszone lub działają złośliwie, o ile większość pozostaje godna zaufania.

Innym istotnym protokołem jest Federacyjny Układ Bizantyjski (FBA), dostosowany do sieci zdecentralizowanych. FBA umożliwia węzłom osiąganie konsensusu bez konieczności istnienia organu centralnego. Działa poprzez tworzenie federacji niezależnych węzłów, które sobie ufają. W każdej federacji węzły uzgadniają kolejność i legalność transakcji lub zdarzeń, umożliwiając odrębnym federacjom niezależne prowadzenie procesów konsensusu. Przykładem wdrożenia wykorzystującego FBA jest Fedimint, wiodący protokół typu open source do transakcji i przechowywania Bitcoinów. Fedimint wykorzystuje algorytm konsensusu miodożera bizantyjskiego odporny na błędy (HBBFT), pokazując możliwości adaptacji i skuteczność FBA w rzeczywistych zastosowaniach.

Dowód pracy (PoW) i problem generałów bizantyjskich

W październiku 2008 r. Satoshi Nakamoto odsłonił pierwszą białą księgę dotyczącą Bitcoina, kładąc podwaliny pod to, co w styczniu 2009 r. stanie się siecią Bitcoin. Chociaż biała księga nie wspomina wyraźnie o „problemie bizantyjskich generałów”, skutecznie oferuje rozwiązanie tego długotrwałego problemu stały problem w cyfrowych sieciach komunikacyjnych.

Innowacja Nakamoto polegała na zastosowaniu zabezpieczeń kryptograficznych i szyfrowania klucza publicznego, aby stawić czoła wyzwaniom, jakie stwarza problem generałów bizantyjskich w dziedzinie transakcji cyfrowych. Bezpieczeństwo kryptograficzne wykorzystuje haszowanie – proces przekształcania danych w unikalny kod – w celu zabezpieczenia przed manipulacją. Szyfrowanie kluczem publicznym służy do uwierzytelniania tożsamości uczestników w sieci.

Transakcje w Bitcoinie są zabezpieczone w blokach, każdy powiązany z poprzednim poprzez wartość skrótu. Tworzy to możliwy do prześledzenia łańcuch aż do pierwszego bloku, zwanego blokiem genezy. Blockchain wykorzystuje strukturę drzewa Merkle do uwierzytelniania skrótów pochodzących z tego początkowego bloku.

Ważność w sieci jest zapewniona, ponieważ każdy blok prowadzi do bloku genezy. Górnicy, rywalizujący w rozwiązywaniu złożonych zagadek kryptograficznych, sprawdzają poprawność tych bloków w ramach mechanizmu konsensusu Proof of Work (PoW). Takie podejście nie tylko wzmacnia integralność łańcucha bloków, ale także zachęca górników do dostarczania prawdziwych informacji, ponieważ koszt utworzenia bloku jest znaczny.

Obiektywny charakter zasad Bitcoina eliminuje możliwość manipulowania informacjami lub sporów w sieci. Kryteria zatwierdzania transakcji i bicia nowego Bitcoina są jasne i bezstronne. Po dodaniu bloku do łańcucha bloków jego zmiana staje się prawie niemożliwa, cementując w ten sposób historyczny zapis transakcji.

W tym systemie górnicy pełnią rolę analogiczną do generałów w problemie generałów bizantyjskich, przy czym każdy węzeł jest odpowiedzialny za weryfikację transakcji - współczesny odpowiednik wiadomości w oryginalnej analogii. Wykorzystanie przez blockchain zabezpieczeń kryptograficznych udaremnia potencjalne ataki hakerów (podobnie jak wróg w analogii), ponieważ transakcje są grupowane w bloki i szyfrowane w celu zapewnienia dodatkowego bezpieczeństwa. Projekt Satoshiego wprowadza element probabilistyczny, umieszczając górników w konkurencyjnym środowisku w celu sprawdzania poprawności bloków, co zwiększa decentralizację sieci.

Rywalizacja pomiędzy górnikami polega na rozwiązywaniu zagadki kryptograficznej, której prawdopodobieństwo powodzenia zależy od ich mocy obliczeniowej lub szybkości mieszania. Górnik, który rozwiąże zagadkę, transmituje rozwiązanie, które następnie inni górnicy zatwierdzają. Docelowy poziom trudności łamigłówki zapewnia prawdziwość rozwiązania.

Dzięki temu każdy członek sieci Bitcoin może w sposób spójny zgodzić się na stan blockchainu i wszystkich jego transakcji. Każdy węzeł samodzielnie weryfikuje legalność bloków i transakcji, negując potrzebę zaufania pomiędzy uczestnikami sieci.

Co więcej, zdecentralizowany charakter łańcucha bloków oznacza, że nie ma pojedynczego punktu awarii. Bloki są przechowywane w rozproszonej bazie danych i replikowane w całej sieci, co zwiększa odporność na awarie i gwarantuje, że awaria jednego węzła nie zagrozi całemu systemowi. Ta nadmiarowość przypomina posiadanie wielu posłańców w analogii z generałami bizantyjskimi, zapewniając, że wiadomość zostanie zachowana, nawet jeśli jeden z posłańców zostanie naruszony.

Przyszłość Blockchain: dowód stawki (PoS) i delegowany dowód stawki (DPoS)

Proof-of-Stake (PoS) to mechanizm konsensusu w technologii blockchain, który został wprowadzony w 2012 roku w celu rozwiązania problemu bizantyjskich generałów. W przeciwieństwie do sieci opartych na Proof-of-Work (PoW), sieci PoS nie opierają się na eksploracji. Zamiast tego stosują proces znany jako stakowanie .

W tym systemie użytkownicy, zwani walidatorami, obstawiają swoje środki w ramach zabezpieczenia. Im więcej monet posiada walidator, tym więcej bloków może zweryfikować i tym wyższe nagrody może zdobyć. Istnieje jednak ryzyko: walidatorzy próbujący zatwierdzić fałszywe transakcje mogą stracić postawione środki.

PoS umożliwia użytkownikom stawianie monet przy użyciu standardowych komputerów domowych, w przeciwieństwie do specjalistycznego sprzętu wymaganego do wydobywania PoW. Różne sieci oparte na PoS opracowały mechanizmy zapobiegające podwójnym wydatkom i innym zagrożeniom bezpieczeństwa związanym z awariami Bizancjum. Na przykład Ethereum 2.0 (Serenity) planuje wdrożyć algorytm Casper PoS, który do sprawdzenia poprawności bloku wymaga konsensusu dwóch trzecich między węzłami.

Wprowadzony w 2014 r. Delegowany dowód stawki (DPoS) jest odmianą modelu PoS. W DPoS tylko wybrana grupa użytkowników, zwana delegatami, ma uprawnienia do zatwierdzania transakcji i tworzenia blokad. Użytkownicy stawiają walutę blockchain, aby głosować na kandydatów na delegatów, a nagrody za bloki są zazwyczaj rozdzielane proporcjonalnie do postawionej kwoty.

DPoS umożliwia węzłom osiąganie konsensusu szybciej niż PoW lub PoS, co pozwala na szybsze przetwarzanie transakcji na dużą skalę. Jednak prędkość ta może odbywać się kosztem bizantyjskiej tolerancji na błędy. Przy mniejszej liczbie węzłów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo sieci istnieje większe ryzyko zmowy sprzecznej z interesami większości. Aby temu zaradzić, sieci DPoS często przeprowadzają wybory delegatów, dzięki czemu delegaci pozostają odpowiedzialni za swoje działania i decyzje.

Wniosek

W miarę jak nasze społeczeństwo w coraz większym stopniu przyjmuje systemy rozproszone i zdecentralizowane waluty, takie jak Bitcoin, problem generałów bizantyjskich staje się kluczowy dla koordynacji wielu niezależnych podmiotów bez centralnego nadzoru. W takich systemach bizantyjska tolerancja na błędy jest niezbędna, aby zapewnić odporność i bezpieczeństwo, nawet w przypadku wprowadzających w błąd lub fałszywych informacji, umożliwiając osiągnięcie konsensusu pomimo potencjalnego oszustwa i zdrady.

Bitcoin jest przykładem tego, jak stworzyć środowisko pozbawione zaufania, zdolne do przeciwstawienia się różnym atakom. Algorytm Proof-of-work (PoW) odegrał kluczową rolę w utrzymaniu bezpieczeństwa sieci poprzez promowanie konkurencji wśród górników. Konkurencja ta sprawia, że dominacja sieci przez jakikolwiek pojedynczy podmiot jest prawie niemożliwa, zapewniając w ten sposób jej zdecentralizowany charakter. Model Bitcoina, zakorzeniony w bizantyjskiej tolerancji na błędy, reprezentuje solidne podejście do osiągania konsensusu i utrzymywania bezpieczeństwa w obliczu potencjalnej dezinformacji i złośliwych działań.

Pamiętaj, że Plisio oferuje również:

Twórz faktury Crypto za pomocą 2 kliknięć and Przyjmuj darowizny kryptowalutowe

12 integracje

6 biblioteki dla najpopularniejszych języków programowania

19 kryptowalut i 12 łańcuch bloków

Na czym polega problem bizantyjskich generałów?

Historia problemu generałów bizantyjskich w technologii rozproszonej

Popularne bizantyjskie algorytmy tolerancji błędów

Dowód pracy (PoW) i problem generałów bizantyjskich

Przyszłość Blockchain: dowód stawki (PoS) i delegowany dowód stawki (DPoS)

Wniosek

Ready to Get Started?

Always know what you pay

Start your integration