Qual é o problema dos generais bizantinos?

O Problema dos Generais Bizantinos é uma questão fundamental no domínio dos sistemas distribuídos, encapsulando os desafios de alcançar consenso em uma rede descentralizada. Este problema, extraído da teoria dos jogos, é fundamental para a compreensão da dinâmica da tomada de decisões onde os participantes não conseguem verificar a identidade ou a integridade de outros num ambiente caracterizado por canais de comunicação não confiáveis.

Na sua essência, o Problema dos Generais Bizantinos apresenta um cenário em que um grupo de generais, cada um liderando uma divisão de um exército, deve decidir por unanimidade se ataca ou recua de uma cidade sitiada. O cerne do dilema reside na confiabilidade dos mensageiros que são suscetíveis à interceptação ou corrupção pelos defensores da cidade. O desafio é que os generais leais elaborem um protocolo que supere o engano de quaisquer participantes desonestos, garantindo um consenso robusto para um ataque ou retirada coordenada.

Este problema é particularmente evidente em sistemas de computação distribuídos, onde chegar a um consenso sem uma autoridade central confiável é um obstáculo significativo. A analogia é particularmente relevante no contexto do Bitcoin e de outras criptomoedas. Resolver o problema dos generais bizantinos foi um avanço crítico na criação do Bitcoin. Lançou as bases para o desenvolvimento de moedas digitais descentralizadas, onde a confiança numa entidade central é substituída por um mecanismo de consenso entre os nós da rede.

O Bitcoin aborda esse problema através de sua combinação inovadora de técnicas criptográficas e um algoritmo de consenso . Esta combinação forma um protocolo que permite que os nós da rede Bitcoin concordem sobre o estado da blockchain, garantindo a integridade e a continuidade da criptomoeda sem a necessidade de uma autoridade central. A solução para o problema dos generais bizantinos constitui, portanto, uma pedra angular no desenvolvimento da tecnologia blockchain e das criptomoedas, abrindo caminho para uma nova era de transações digitais descentralizadas.

História do problema dos generais bizantinos em tecnologia distribuída

O Problema dos Generais Bizantinos, um conceito fundamental no campo da ciência da computação e sistemas distribuídos, foi introduzido pela primeira vez em um artigo seminal de Leslie Lamport , Robert Shostak e Marshall Pease em 1982. Este problema encapsula os desafios de alcançar consenso entre vários componentes do um sistema distribuído, especialmente sob condições em que alguns componentes podem falhar ou agir de forma não confiável.

O artigo de investigação, que recebeu apoio notável de organizações de prestígio como a NASA, o Comando de Sistemas de Defesa contra Mísseis Balísticos e o Gabinete de Investigação do Exército, destacou a importância deste problema não apenas nas comunicações militares, mas também em diversos sistemas informáticos. O problema apresenta um cenário em que diversas divisões de um exército, análogas aos nós de uma rede de computadores, devem chegar a um acordo sobre um curso de ação unificado. No entanto, este consenso deve ser alcançado apesar da presença de elementos não confiáveis ou potencialmente traidores dentro do sistema, simbolizados pelos generais e pelos seus mensageiros.

Em seu artigo, Lamport, Shostak e Pease articulam que um sistema de computador confiável deve gerenciar a falha de um ou mais de seus componentes, que podem enviar informações conflitantes. Isso leva ao conceito de Tolerância a Falhas Bizantinas, um recurso crítico para que os sistemas funcionem corretamente mesmo diante de falhas de componentes.

O final da década de 1990 viu novos avanços com os pesquisadores Barbara Liskov e Miguel Castro desenvolvendo o algoritmo Prático de Tolerância a Falhas Bizantinas (pBFT), melhorando o consenso em redes distribuídas. Embora o pBFT tenha enfrentado desafios, especialmente em escalabilidade, ele lançou as bases para tecnologias blockchain subsequentes.

Um marco significativo na abordagem do problema dos generais bizantinos veio com o whitepaper Bitcoin de Satoshi Nakamoto de 2008, introduzindo o algoritmo de prova de trabalho (PoW) . Esta inovação revolucionou o campo ao oferecer uma solução prática para alcançar consenso num ambiente descentralizado e sem confiança, uma pedra angular no desenvolvimento de criptomoedas e da tecnologia blockchain.

O Problema dos Generais Bizantinos evoluiu de um dilema teórico na ciência da computação para um elemento fundamental nas tecnologias modernas de computação e criptomoeda, ressaltando a importância da comunicação confiável em sistemas distribuídos.

Algoritmos populares de tolerância a falhas bizantinas

Para se proteger contra a interrupção de sistemas distribuídos por um pequeno grupo de atores prejudiciais, é essencial implementar um algoritmo robusto. Esta necessidade levou ao desenvolvimento de protocolos de consenso tolerantes a falhas bizantinas, fundamentais para permitir que a computação distribuída confiável lide com falhas bizantinas de forma eficiente.

Um desses protocolos é o Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), um algoritmo de consenso projetado para sistemas distribuídos. O PBFT pode lidar com até um terço de seus nós se comportando de maneira bizantina – arbitrária ou mesmo maliciosamente – sem comprometer a integridade da rede. Este algoritmo é adaptado para alcançar consenso sobre a sequência de ações da maneira mais rápida possível, mantendo uma operação consistente mesmo diante de falhas bizantinas. O PBFT emprega uma combinação de assinaturas digitais, tempos limite e reconhecimentos para garantir o progresso contínuo do processo de consenso, mesmo quando alguns nós estão comprometidos ou agindo maliciosamente, desde que a maioria permaneça confiável.

Outro protocolo significativo é o Acordo Bizantino Federado (FBA), adaptado para redes descentralizadas. A FBA permite que os nós cheguem a um consenso sem a necessidade de uma autoridade central. Opera formando federações de nós independentes que confiam uns nos outros. Dentro de cada federação, os nós concordam sobre a ordem e a legitimidade das transações ou eventos, permitindo que federações distintas conduzam seus processos de consenso de forma independente. Um exemplo de implementação usando FBA é o Fedimint, um protocolo proeminente e de código aberto para transações e custódia de Bitcoin. Fedimint utiliza o algoritmo de consenso de tolerância a falhas bizantinas (HBBFT) do texugo de mel, mostrando a adaptabilidade e eficácia do FBA em aplicações do mundo real.

Prova de Trabalho (PoW) e o problema dos generais bizantinos

Em outubro de 2008, Satoshi Nakamoto revelou o primeiro white paper do Bitcoin, estabelecendo as bases para o que se tornaria a rede Bitcoin em janeiro de 2009. Embora o white paper não mencione explicitamente o "problema dos generais bizantinos", ele efetivamente oferece uma solução para esse longo problema. questão permanente nas redes de comunicação digital.

A inovação de Nakamoto envolveu o uso de segurança criptográfica e criptografia de chave pública para enfrentar os desafios colocados pelo problema dos generais bizantinos no domínio das transações digitais. A segurança criptográfica emprega hashing – o processo de transformação de dados em um código único – para proteger contra adulteração. A criptografia de chave pública é usada para autenticar a identidade dos participantes da rede.

As transações em Bitcoin são protegidas em blocos, cada um vinculado ao anterior por meio de um valor hash. Isso cria uma cadeia rastreável até o primeiro bloco, conhecido como bloco de gênese. O blockchain emprega uma estrutura Merkle Tree para autenticar hashes originados deste bloco inicial.

A validade dentro da rede é garantida à medida que cada bloco remonta ao bloco gênese. Os mineradores, competindo para resolver quebra-cabeças criptográficos complexos, validam esses blocos como parte do mecanismo de consenso de Prova de Trabalho (PoW). Esta abordagem não só solidifica a integridade da blockchain, mas também incentiva os mineiros a fornecer informações verdadeiras, uma vez que o custo de criação de um bloco é substancial.

A natureza objetiva das regras do Bitcoin elimina a possibilidade de adulteração de informações ou disputas dentro da rede. Os critérios para validar transações e cunhar novos Bitcoins são claros e imparciais. Depois que um bloco é adicionado ao blockchain, torna-se quase impossível alterá-lo, cimentando assim o registro histórico de transações.

Neste sistema, os mineiros desempenham um papel análogo ao dos generais no problema dos generais bizantinos, com cada nó responsável pela verificação das transações – o equivalente moderno das mensagens na analogia original. O uso de segurança criptográfica pelo blockchain impede possíveis ataques de hackers (semelhantes ao inimigo na analogia), pois as transações são agrupadas em blocos e criptografadas para segurança adicional. O design de Satoshi introduz um elemento probabilístico ao colocar os mineradores em um ambiente competitivo para validar blocos, potencializando a descentralização da rede.

A competição entre mineradores envolve a resolução de um quebra-cabeça criptográfico, com a probabilidade de sucesso ligada ao seu poder computacional ou taxa de hash. O mineiro que resolve o quebra-cabeça transmite a solução, que outros mineiros então validam. A dificuldade alvo do quebra-cabeça garante a veracidade da solução.

Assim, cada membro da rede Bitcoin pode concordar consistentemente sobre o estado da blockchain e de todas as suas transações. Cada nó verifica de forma independente a legitimidade dos blocos e transações, negando a necessidade de confiança entre os participantes da rede.

Além disso, a natureza descentralizada do blockchain significa que não existe um ponto único de falha. Os blocos são armazenados em um banco de dados distribuído, replicados em toda a rede, melhorando a tolerância a falhas e garantindo que a falha de um nó não comprometa todo o sistema. Esta redundância é semelhante a ter múltiplos mensageiros na analogia dos generais bizantinos, garantindo que a mensagem seja preservada mesmo que um mensageiro seja comprometido.

O Futuro do Blockchain: Prova de Participação (PoS) e Prova de Participação Delegada (DPoS)

Proof-of-Stake (PoS) é um mecanismo de consenso na tecnologia blockchain que foi introduzido em 2012 para resolver o problema dos generais bizantinos. Ao contrário das redes baseadas em Prova de Trabalho (PoW), as redes PoS não dependem de mineração. Em vez disso, eles usam um processo conhecido como piquetagem .

Neste sistema, os usuários, chamados de validadores, apostam seus fundos como forma de segurança. Quanto mais moedas um validador tiver, mais blocos ele poderá validar e maiores serão as recompensas que poderá ganhar. No entanto, há um risco envolvido: os validadores que tentarem aprovar transações falsas podem perder os fundos apostados.

O PoS permite aos usuários apostar moedas usando computadores domésticos padrão, ao contrário do hardware especializado necessário para a mineração PoW. Várias redes baseadas em PoS desenvolveram mecanismos para evitar gastos duplos e outros riscos de segurança associados a falhas bizantinas. Por exemplo, Ethereum 2.0 (Serenity) planeja implementar o algoritmo Casper PoS, que precisa de um consenso de dois terços entre os nós para validar um bloco.

Introduzido em 2014, o Delegated Proof-of-Stake (DPoS) é uma variação do modelo PoS. No DPoS, apenas um grupo seleto de usuários, conhecidos como delegados, tem autoridade para validar transações e criar blocos. Os usuários apostam a moeda do blockchain para votar em candidatos delegados, com recompensas em bloco normalmente distribuídas proporcionalmente ao valor apostado.

O DPoS permite que os nós cheguem a um consenso mais rapidamente do que PoW ou PoS, permitindo um processamento de transações mais rápido em escala. No entanto, essa velocidade pode custar a tolerância a falhas bizantinas. Com menos nós responsáveis pela segurança da rede, há um risco maior de conluio contra os interesses da maioria. Para mitigar esta situação, as redes DPoS realizam frequentemente eleições de delegados, garantindo que os delegados permanecem responsáveis pelas suas ações e decisões.

Conclusão

À medida que a nossa sociedade adopta cada vez mais sistemas distribuídos e moedas descentralizadas como o Bitcoin, o Problema dos Generais Bizantinos torna-se crucial para a coordenação de múltiplas entidades independentes sem supervisão central. Nestes sistemas, a tolerância a falhas bizantinas é vital para garantir a resiliência e a segurança, mesmo no meio de informações enganosas ou falsas, permitindo o consenso apesar de potenciais enganos e traições.

O Bitcoin exemplifica como criar um ambiente sem confiança capaz de combater vários ataques. Seu algoritmo de prova de trabalho (PoW) tem sido fundamental para manter a segurança da rede, promovendo a competição entre os mineradores. Esta competição torna quase impossível para qualquer entidade dominar a rede, garantindo assim a sua natureza descentralizada. O modelo do Bitcoin, enraizado na tolerância a falhas bizantina, representa uma abordagem robusta para alcançar consenso e manter a segurança face a potenciais desinformação e atividades maliciosas.

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Prova de Trabalho (PoW) e o problema dos generais bizantinos

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