Що таке проблема візантійських генералів?

Проблема візантійських генералів є фундаментальним питанням у царині розподілених систем, що охоплює проблеми досягнення консенсусу в децентралізованій мережі. Ця проблема, взята з теорії ігор, є ключовою для розуміння динаміки прийняття рішень, коли учасники не можуть перевірити особу чи цілісність інших у середовищі, яке характеризується ненадійними каналами зв’язку.

За своєю суттю проблема візантійських генералів представляє сценарій, за яким група генералів, кожен з яких очолює підрозділ армії, має одностайно вирішити, атакувати чи відступати від обложеного міста. Суть дилеми полягає в надійності месенджерів, які вразливі до перехоплення або корупції з боку захисників міста. Завдання полягає в тому, щоб лояльні генерали розробили протокол, який долає обман будь-яких нечесних учасників, забезпечуючи надійний консенсус для скоординованої атаки або відступу.

Ця проблема особливо помітна в розподілених обчислювальних системах, де досягнення консенсусу без довіреного центрального органу є значною перешкодою. Аналогія особливо доречна в контексті біткойна та інших криптовалют. Вирішення проблеми візантійських генералів стало критичним проривом у створенні Bitcoin. Це заклало основу для розробки децентралізованих цифрових валют, де довіра до центрального суб’єкта замінюється механізмом консенсусу між вузлами мережі.

Біткойн вирішує цю проблему за допомогою інноваційної комбінації криптографічних методів і консенсусного алгоритму . Ця комбінація утворює протокол, який дозволяє вузлам у мережі біткойн погоджувати стан блокчейну, забезпечуючи цілісність і безперервність криптовалюти без необхідності центрального органу. Таким чином, вирішення проблеми візантійських генералів є наріжним каменем у розвитку технології блокчейн і криптовалют, прокладаючи шлях до нової ери децентралізованих цифрових транзакцій.

Історія проблеми візантійських генералів у розподіленій технології

Проблема візантійських генералів, головна концепція в області комп’ютерних наук і розподілених систем, була вперше представлена в основоположній статті Леслі Лемпорта , Роберта Шостака та Маршалла Піза в 1982 році. Ця проблема охоплює проблеми досягнення консенсусу між різними компонентами розподіленої системи, особливо в умовах, коли деякі компоненти можуть виходити з ладу або працювати ненадійно.

Дослідницька стаття, яка отримала помітну підтримку від таких престижних організацій, як НАСА, Командування систем оборони від балістичних ракет і Управління армійських досліджень, підкреслила важливість цієї проблеми не лише для військового зв’язку, але й для різноманітних комп’ютерних систем. Проблема представляє сценарій, за яким кілька підрозділів армії, подібно до вузлів комп’ютерної мережі, повинні домовитися про єдиний курс дій. Однак цей консенсус має бути досягнутий, незважаючи на наявність ненадійних або потенційно зрадницьких елементів у системі, символом яких є генерали та їхні посланці.

У своїй статті Лемпорт, Шостак і Піз стверджують, що надійна комп’ютерна система повинна справлятися з відмовою одного або кількох її компонентів, які можуть надсилати суперечливу інформацію. Це призводить до концепції візантійської відмовостійкості, критично важливої функції для правильного функціонування систем навіть у разі збоїв компонентів.

Наприкінці 1990-х років дослідники Барбара Лісков і Мігель Кастро розробили алгоритм Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT), що покращує консенсус у розподілених мережах. Незважаючи на те, що pBFT зіткнувся з труднощами, зокрема щодо масштабованості, він заклав основу для наступних технологій блокчейну.

Вагомою віхою у вирішенні проблеми візантійських генералів став офіційний документ Сатоші Накамото 2008 року про біткойни, який представив алгоритм підтвердження роботи (PoW) . Ця інновація зробила революцію в галузі, запропонувавши практичне рішення для досягнення консенсусу в децентралізованому та недовірливому середовищі, наріжному камені в розвитку криптовалют і технології блокчейн.

Проблема візантійських генералів перетворилася з теоретичної дилеми в інформатиці в основоположний елемент у сучасних обчислювальних і криптовалютних технологіях, підкреслюючи важливість надійного зв’язку в розподілених системах.

Proof-of-Work (PoW) і проблема візантійських генералів

У жовтні 2008 року Сатоші Накамото оприлюднив першу білу книгу про біткойни, заклавши основу для того, що стане мережею біткойн у січні 2009 року. Хоча в офіційній документі прямо не згадується «проблема візантійських генералів», вона фактично пропонує вирішення цієї довгострокової проблеми. постійна проблема в цифрових мережах зв'язку.

Інновація Накамото передбачала використання криптографічної безпеки та шифрування з відкритим ключем для вирішення проблем, пов’язаних із проблемою візантійських генералів у сфері цифрових транзакцій. Криптографічний захист використовує хешування – процес перетворення даних в унікальний код – для захисту від підробки. Шифрування з відкритим ключем використовується для аутентифікації учасників у мережі.

Транзакції в біткойнах захищені блоками, кожен з яких пов’язаний з попереднім через хеш-значення. Це створює відстежуваний ланцюжок до самого першого блоку, відомого як блок генезису. Блокчейн використовує структуру Merkle Tree для автентифікації хешів, що походять із цього початкового блоку.

Дійсність у мережі забезпечується, оскільки кожен блок відстежує блок генезису. Майнери, змагаючись за вирішення складних криптографічних головоломок, перевіряють ці блоки як частину механізму консенсусу Proof of Work (PoW). Такий підхід не тільки зміцнює цілісність блокчейну, але й стимулює майнерів надавати правдиву інформацію, оскільки вартість створення блоку є значною.

Об'єктивний характер правил Bitcoin виключає можливість фальсифікації інформації або суперечок у мережі. Критерії перевірки транзакцій і карбування нових біткойнів є чіткими та неупередженими. Як тільки блок додається до блокчейну, його стає майже неможливо змінити, тим самим цементуючи історичний запис транзакцій.

У цій системі майнери виконують роль, аналогічну генералам у проблемі візантійських генералів, де кожен вузол відповідає за перевірку транзакцій - сучасний еквівалент повідомлень у оригінальній аналогії. Використання блокчейном криптографічної безпеки запобігає потенційним атакам хакерів (подібно до ворога в аналогії), оскільки транзакції групуються в блоки та хешуються для додаткової безпеки. Дизайн Satoshi вводить ймовірнісний елемент, розміщуючи майнерів у конкурентному середовищі для перевірки блоків, підвищуючи децентралізацію мережі.

Конкуренція серед майнерів передбачає вирішення криптографічної головоломки, причому ймовірність успіху пов’язана з їхньою обчислювальною потужністю або швидкістю хешування. Майнер, який вирішує головоломку, транслює рішення, яке потім підтверджують інші майнери. Мішень складності для головоломки забезпечує правдивість розв’язання.

Таким чином, кожен учасник мережі Bitcoin може узгодити стан блокчейну та всіх його транзакцій. Кожен вузол незалежно перевіряє легітимність блоків і транзакцій, заперечуючи необхідність довіри між учасниками мережі.

Крім того, децентралізований характер блокчейна означає відсутність єдиної точки відмови. Блоки зберігаються в розподіленій базі даних, тиражуються по всій мережі, підвищуючи відмовостійкість і гарантуючи, що збій одного вузла не скомпрометує всю систему. Ця надмірність схожа на наявність кількох месенджерів у аналогії з візантійськими генералами, що гарантує збереження повідомлення, навіть якщо один месенджер зламаний.

Майбутнє блокчейну: Proof-of-Stake (PoS) і Delegated Proof-of-Stake (DPoS)

Proof-of-Stake (PoS) — це механізм консенсусу в технології блокчейн, який був запроваджений у 2012 році для вирішення проблеми візантійських генералів. На відміну від мереж, заснованих на Proof-of-Work (PoW), мережі PoS не покладаються на майнінг. Замість цього вони використовують процес, відомий як стейкинг .

У цій системі користувачі, яких називають валідаторами, ставлять свої кошти як форму безпеки. Чим більше монет зберігає валідатор, тим більше блоків він може підтвердити і тим вищу винагороду він може заробити. Однак існує ризик: валідатори, які намагаються схвалити фальшиві транзакції, можуть втратити свої вкладені кошти.

PoS дозволяє користувачам робити ставки монет за допомогою стандартних домашніх комп’ютерів, на відміну від спеціалізованого обладнання, необхідного для майнінгу PoW. Різні мережі на основі PoS розробили механізми для запобігання подвійним витратам та іншим ризикам безпеки, пов’язаним із збоями Byzantine. Наприклад, Ethereum 2.0 (Serenity) планує реалізувати алгоритм Casper PoS, який потребує консенсусу двох третин серед вузлів для перевірки блоку.

Делегований доказ частки (DPoS), представлений у 2014 році, є різновидом моделі PoS. У DPoS лише обрана група користувачів, відома як делегати, має повноваження перевіряти транзакції та створювати блоки. Користувачі роблять ставки у валюті блокчейну, щоб голосувати за кандидатів у делегати, при цьому винагороди за блок зазвичай розподіляються пропорційно сумі ставки.

DPoS дозволяє вузлам досягати консенсусу швидше, ніж PoW або PoS, забезпечуючи швидшу обробку транзакцій у масштабі. Однак ця швидкість може бути досягнута ціною візантійської відмовостійкості. З меншою кількістю вузлів, відповідальних за безпеку мережі, існує вищий ризик змови проти інтересів більшості. Щоб пом’якшити це, мережі DPoS часто проводять вибори делегатів, забезпечуючи відповідальність делегатів за свої дії та рішення.

Висновок

Оскільки наше суспільство все більше приймає розподілені системи та децентралізовані валюти, такі як біткойн, проблема візантійських генералів стає вирішальною для координації кількох незалежних організацій без центрального нагляду. У таких системах візантійська відмовостійкість є життєво важливою для забезпечення стійкості та безпеки, навіть серед оманливої або неправдивої інформації, що дозволяє досягти консенсусу, незважаючи на потенційний обман і зраду.

Біткойн є прикладом того, як створити безпечне середовище, здатне протистояти різним атакам. Його алгоритм підтвердження роботи (PoW) відіграв важливу роль у підтримці безпеки мережі, сприяючи конкуренції серед майнерів. Ця конкуренція майже унеможливлює домінування будь-якої окремої організації в мережі, тим самим забезпечуючи її децентралізований характер. Модель біткойна, заснована на візантійській відмовостійкості, представляє надійний підхід до досягнення консенсусу та підтримки безпеки перед лицем потенційної дезінформації та зловмисної діяльності.

Зверніть увагу, що Plisio також пропонує вам:

Створіть крипторахунки-фактури в 2 кліки and Приймайте криптовалютні пожертви

12 інтеграції

6 бібліотеки для найпопулярніших мов програмування

19 криптовалют і 12 блокчейн

Що таке проблема візантійських генералів?

Історія проблеми візантійських генералів у розподіленій технології

Популярні візантійські алгоритми відмовостійкості

Proof-of-Work (PoW) і проблема візантійських генералів

Майбутнє блокчейну: Proof-of-Stake (PoS) і Delegated Proof-of-Stake (DPoS)

Висновок

Ready to Get Started?

Always know what you pay

Start your integration