Зарегистрироваться

В чем проблема византийских генералов?

Опубликовано на Jan 11, 2024
В чем проблема византийских генералов?

Проблема византийских генералов — это фундаментальная проблема в сфере распределенных систем, заключающая в себе проблемы достижения консенсуса в децентрализованной сети. Эта проблема, взятая из теории игр, имеет решающее значение для понимания динамики принятия решений, когда участники не могут проверить личность или честность других в среде, характеризующейся ненадежными каналами связи.

По своей сути «Проблема византийских генералов» представляет собой сценарий, в котором группа генералов, каждый из которых возглавляет дивизию армии, должна единогласно решить, атаковать ли осажденный город или отступить из него. Суть дилеммы заключается в надежности посланников, которые могут быть перехвачены или подкуплены защитниками города. Задача состоит в том, чтобы лояльные генералы разработали протокол, который преодолеет обман любых нечестных участников и обеспечит прочный консенсус для скоординированной атаки или отступления.

Эта проблема особенно заметна в распределенных вычислительных системах, где достижение консенсуса без доверенного центрального органа является серьезным препятствием. Аналогия особенно актуальна в контексте Биткойна и других криптовалют. Решение проблемы византийских генералов стало решающим прорывом в создании Биткойна. Это заложило основу для развития децентрализованных цифровых валют, в которых доверие к центральному субъекту заменяется механизмом консенсуса между узлами сети.

Биткойн решает эту проблему посредством инновационного сочетания криптографических методов и алгоритма консенсуса . Эта комбинация образует протокол, который позволяет узлам сети Биткойн согласовывать состояние блокчейна, обеспечивая целостность и непрерывность криптовалюты без необходимости использования центрального органа. Таким образом, решение проблемы византийских генералов является краеугольным камнем в развитии технологии блокчейна и криптовалют, прокладывая путь к новой эре децентрализованных цифровых транзакций.

История проблемы византийских генералов в распределенных технологиях

Проблема византийских генералов, концепция, имеющая ключевое значение в области информатики и распределенных систем, была впервые представлена в основополагающей статье Лесли Лэмпорта , Роберта Шостака и Маршалла Пиза в 1982 году. Эта проблема включает в себя проблемы достижения консенсуса между различными компонентами системы. распределенная система, особенно в условиях, когда некоторые компоненты могут выйти из строя или работать ненадежно.

Исследование, получившее заметную поддержку со стороны престижных организаций, таких как НАСА, Командование систем противоракетной обороны и Исследовательское бюро армии, подчеркнуло значимость этой проблемы не только в военной связи, но и в различных компьютерных системах. Задача представляет собой сценарий, в котором несколько подразделений армии, аналогично узлам компьютерной сети, должны договориться о едином курсе действий. Однако этот консенсус должен быть достигнут, несмотря на наличие ненадежных или потенциально предательских элементов внутри системы, символами которых являются генералы и их посланники.

В своей статье Лэмпорт, Шостак и Пиз подчеркивают, что надежная компьютерная система должна справляться с отказами одного или нескольких ее компонентов, которые могут отправлять противоречивую информацию. Это приводит к концепции византийской отказоустойчивости, важнейшей функции для правильного функционирования систем даже в случае сбоев компонентов.

В конце 1990-х годов наблюдался дальнейший прогресс: исследователи Барбара Лисков и Мигель Кастро разработали алгоритм практической византийской отказоустойчивости (pBFT), улучшив консенсус в распределенных сетях. Хотя pBFT столкнулся с проблемами, особенно в области масштабируемости, он заложил основу для последующих технологий блокчейна.

Важной вехой в решении проблемы византийских генералов стал официальный документ Сатоши Накамото о Биткойне 2008 года, в котором был представлен алгоритм доказательства работы (PoW) . Это нововведение произвело революцию в этой области, предложив практическое решение для достижения консенсуса в децентрализованной и не требующей доверия среде, что является краеугольным камнем в развитии криптовалют и технологии блокчейн.

Проблема византийских генералов превратилась из теоретической дилеммы в информатике в основополагающий элемент современных вычислительных и криптовалютных технологий, подчеркивая важность надежной связи в распределенных системах.

Популярные византийские алгоритмы отказоустойчивости

Чтобы защититься от нарушения работы распределенных систем небольшой группой злоумышленников, важно реализовать надежный алгоритм. Эта потребность привела к разработке византийских отказоустойчивых консенсусных протоколов, способствующих обеспечению надежных распределенных вычислений для эффективной обработки византийских сбоев.

Одним из таких протоколов является Практическая византийская отказоустойчивость (PBFT), алгоритм консенсуса, разработанный для распределенных систем. PBFT может обрабатывать до трети своих узлов, ведущих себя византийским образом – произвольно или даже злонамеренно – без ущерба для целостности сети. Этот алгоритм создан для максимально быстрого достижения консенсуса в отношении последовательности действий, сохраняя при этом последовательную работу даже в условиях византийских сбоев. PBFT использует сочетание цифровых подписей, тайм-аутов и подтверждений, чтобы обеспечить непрерывный прогресс процесса согласования, даже когда некоторые узлы скомпрометированы или действуют злонамеренно, при условии, что большинство узлов остаются заслуживающими доверия.

Еще одним важным протоколом является Федеративное Византийское соглашение (FBA), предназначенное для децентрализованных сетей. FBA позволяет узлам достигать консенсуса без необходимости использования центрального органа. Он действует путем формирования федераций независимых узлов, которые доверяют друг другу. Внутри каждой федерации узлы договариваются о порядке и легитимности транзакций или событий, что позволяет отдельным федерациям независимо проводить процессы согласования. Примером реализации с использованием FBA является Fedimint, известный протокол с открытым исходным кодом для транзакций и хранения биткойнов. Fedimint использует византийский отказоустойчивый алгоритм консенсуса медоеда (HBBFT), демонстрируя адаптивность и эффективность FBA в реальных приложениях.

Proof-of-Work (PoW) и проблема византийских генералов

В октябре 2008 года Сатоши Накамото представил первый технический документ о Биткойне, заложив основу для того, что впоследствии стало сетью Биткойн в январе 2009 года. Хотя в техническом документе прямо не упоминается «проблема византийских генералов», он фактически предлагает решение этой давней проблемы. актуальная проблема в сетях цифровой связи.

Инновация Накамото заключалась в использовании криптографической безопасности и шифрования с открытым ключом для решения проблем, связанных с проблемой византийских генералов в сфере цифровых транзакций. Криптографическая безопасность использует хеширование — процесс преобразования данных в уникальный код — для защиты от несанкционированного доступа. Шифрование с открытым ключом используется для аутентификации личности участников сети.

Транзакции в Биткойне защищены блоками, каждый из которых связан с предыдущим через хеш-значение. Это создает прослеживаемую цепочку вплоть до самого первого блока, известного как блок генезиса. Блокчейн использует структуру дерева Меркла для аутентификации хешей, происходящих из этого начального блока.

Валидность внутри сети обеспечивается, поскольку каждый блок восходит к исходному блоку. Майнеры, соревнующиеся в решении сложных криптографических головоломок, проверяют эти блоки в рамках механизма консенсуса Proof of Work (PoW). Этот подход не только укрепляет целостность блокчейна, но и стимулирует майнеров предоставлять правдивую информацию, поскольку стоимость создания блока значительна.

Объективный характер правил Биткойна исключает возможность подделки информации или споров внутри сети. Критерии проверки транзакций и выпуска новых биткойнов ясны и беспристрастны. Как только блок добавляется в блокчейн, его становится практически невозможно изменить, тем самым закрепляя историческую запись транзакций.

В этой системе майнеры выполняют роль, аналогичную генералам в проблеме византийских генералов, где каждый узел отвечает за проверку транзакций — современный эквивалент сообщений в исходной аналогии. Использование криптографической безопасности в блокчейне предотвращает потенциальные атаки хакеров (по аналогии с врагом), поскольку транзакции группируются в блоки и хэшируются для дополнительной безопасности. Дизайн Сатоши вводит вероятностный элемент, помещая майнеров в конкурентную среду для проверки блоков, усиливая децентрализацию сети.

Соревнование среди майнеров предполагает решение криптографической головоломки, вероятность успеха которой зависит от их вычислительной мощности или скорости хэширования. Майнер, решивший головоломку, передает решение, которое затем проверяют другие майнеры. Целевая сложность головоломки гарантирует достоверность решения.

Таким образом, каждый участник сети Биткойн может последовательно согласовывать состояние блокчейна и всех его транзакций. Каждый узел самостоятельно проверяет легитимность блоков и транзакций, сводя на нет необходимость доверия между участниками сети.

Более того, децентрализованный характер блокчейна означает, что нет единой точки отказа. Блоки хранятся в распределенной базе данных, реплицируются по всей сети, что повышает отказоустойчивость и гарантирует, что сбой одного узла не поставит под угрозу всю систему. Эта избыточность сродни наличию нескольких посланников в аналогии с византийскими генералами, гарантирующими сохранение сообщения, даже если один из посланников будет скомпрометирован.

Будущее блокчейна: доказательство доли (PoS) и делегированное доказательство доли (DPoS)

Proof-of-Stake (PoS) — это механизм консенсуса в технологии блокчейн, который был представлен в 2012 году для решения проблемы византийских генералов. В отличие от сетей, основанных на Proof-of-Work (PoW), сети PoS не полагаются на майнинг. Вместо этого они используют процесс, известный как ставка .

В этой системе пользователи, называемые валидаторами, ставят свои средства в качестве гарантии. Чем больше монет хранит валидатор, тем больше блоков он может проверить и тем выше вознаграждение он может заработать. Однако существует риск: валидаторы, которые пытаются одобрить ложные транзакции, могут потерять свои поставленные средства.

PoS позволяет пользователям ставить монеты с помощью стандартных домашних компьютеров, в отличие от специализированного оборудования, необходимого для майнинга PoW. Различные сети на основе PoS разработали механизмы для предотвращения двойных расходов и других рисков безопасности, связанных с византийскими сбоями. Например, Ethereum 2.0 (Serenity) планирует реализовать алгоритм Casper PoS, которому для проверки блока требуется консенсус в две трети узлов.

Делегированное доказательство доли (DPoS), представленное в 2014 году, представляет собой разновидность модели PoS. В DPoS только избранная группа пользователей, известная как делегаты, имеет право проверять транзакции и создавать блоки. Пользователи делают ставку на валюту блокчейна, чтобы голосовать за кандидатов в делегаты, при этом вознаграждения за блоки обычно распределяются пропорционально поставленной сумме.

DPoS позволяет узлам достигать консенсуса быстрее, чем PoW или PoS, что позволяет ускорить обработку транзакций в масштабе. Однако эта скорость может быть достигнута за счет византийской отказоустойчивости. Чем меньше узлов отвечает за сетевую безопасность, тем выше риск сговора против интересов большинства. Чтобы смягчить это, сети DPoS часто проводят выборы делегатов, гарантируя, что делегаты будут нести ответственность за свои действия и решения.

Заключение

Поскольку наше общество все чаще принимает распределенные системы и децентрализованные валюты, такие как Биткойн, проблема византийских генералов становится решающей для координации множества независимых организаций без центрального надзора. В таких системах византийская отказоустойчивость жизненно важна для обеспечения устойчивости и безопасности даже в условиях вводящей в заблуждение или ложной информации, позволяя достичь консенсуса, несмотря на потенциальный обман и предательство.

Биткойн является примером того, как создать среду, не требующую доверия, способную противостоять различным атакам. Его алгоритм доказательства работы (PoW) сыграл важную роль в поддержании безопасности сети, способствуя конкуренции среди майнеров. Эта конкуренция делает почти невозможным доминирование какой-либо отдельной организации в сети, тем самым обеспечивая ее децентрализованный характер. Модель Биткойна, основанная на византийской отказоустойчивости, представляет собой надежный подход к достижению консенсуса и поддержанию безопасности перед лицом потенциальной дезинформации и вредоносных действий.

Обратите внимание, что Plisio также предлагает вам:

Создавайте крипто-счета в 2 клика and Принимать криптовалютные пожертвования

12 интеграции

6 библиотеки для самых популярных языков программирования

19 криптовалют и 12 блокчейн

Ready to Get Started?

Create an account and start accepting payments – no contracts or KYC required. Or, contact us to design a custom package for your business.

Make first step

Always know what you pay

Integrated per-transaction pricing with no hidden fees

Start your integration

Set up Plisio swiftly in just 10 minutes.