Vấn đề của các vị tướng Byzantine là gì?

Bài toán của các vị tướng Byzantine là một vấn đề cơ bản trong lĩnh vực hệ thống phân tán, gói gọn những thách thức để đạt được sự đồng thuận trong một mạng lưới phi tập trung. Vấn đề này, được rút ra từ lý thuyết trò chơi, có vai trò then chốt trong việc tìm hiểu động lực của việc ra quyết định trong đó những người tham gia không thể xác minh danh tính hoặc tính toàn vẹn của những người khác trong một môi trường được đặc trưng bởi các kênh liên lạc không đáng tin cậy.

Về cốt lõi, Bài toán của các tướng lĩnh Byzantine trình bày một kịch bản trong đó một nhóm tướng lĩnh, mỗi người chỉ huy một sư đoàn quân đội, phải nhất trí quyết định nên tấn công hay rút lui khỏi một thành phố bị bao vây. Mấu chốt của tình thế tiến thoái lưỡng nan nằm ở độ tin cậy của những người đưa tin, những người dễ bị những người bảo vệ thành phố ngăn chặn hoặc tham nhũng. Thách thức đối với các tướng lĩnh trung thành là đưa ra một giao thức khắc phục sự lừa dối của bất kỳ người tham gia không trung thực nào, đảm bảo sự đồng thuận mạnh mẽ cho một cuộc tấn công hoặc rút lui phối hợp.

Vấn đề này đặc biệt nổi bật trong các hệ thống máy tính phân tán, nơi việc đạt được sự đồng thuận mà không có cơ quan trung ương đáng tin cậy là một trở ngại đáng kể. Sự tương tự đặc biệt có liên quan trong bối cảnh Bitcoin và các loại tiền điện tử khác. Giải quyết vấn đề của các vị tướng Byzantine là một bước đột phá quan trọng trong việc tạo ra Bitcoin. Nó đặt nền tảng cho sự phát triển của các loại tiền kỹ thuật số phi tập trung, trong đó niềm tin vào một thực thể trung tâm được thay thế bằng cơ chế đồng thuận giữa các nút mạng.

Bitcoin giải quyết vấn đề này thông qua sự kết hợp sáng tạo giữa kỹ thuật mã hóa và thuật toán đồng thuận . Sự kết hợp này tạo thành một giao thức cho phép các nút trong mạng Bitcoin đồng ý về trạng thái của chuỗi khối, đảm bảo tính toàn vẹn và tính liên tục của tiền điện tử mà không cần cơ quan trung ương. Do đó, giải pháp cho Vấn đề của các vị tướng Byzantine đóng vai trò là nền tảng trong sự phát triển của công nghệ chuỗi khối và tiền điện tử, mở đường cho một kỷ nguyên mới của các giao dịch kỹ thuật số phi tập trung.

Lịch sử bài toán của các vị tướng Byzantine trong công nghệ phân tán

Bài toán các vị tướng Byzantine, một khái niệm then chốt trong lĩnh vực khoa học máy tính và hệ thống phân tán, lần đầu tiên được giới thiệu trong một bài báo chuyên đề của Leslie Lamport , Robert Shostak và Marshall Pease vào năm 1982. Bài toán này gói gọn những thách thức trong việc đạt được sự đồng thuận giữa các thành phần khác nhau của một hệ thống phân tán, đặc biệt trong các điều kiện mà một số thành phần có thể bị lỗi hoặc hoạt động không đáng tin cậy.

Bài nghiên cứu, nhận được sự ủng hộ đáng chú ý từ các tổ chức uy tín như NASA, Bộ chỉ huy Hệ thống phòng thủ tên lửa đạn đạo và Văn phòng nghiên cứu quân đội, đã nêu bật tầm quan trọng của vấn đề này không chỉ trong liên lạc quân sự mà còn trên các hệ thống máy tính khác nhau. Vấn đề đưa ra một kịch bản trong đó một số đơn vị của quân đội, tương tự như các nút trong mạng máy tính, phải thống nhất về một đường lối hành động thống nhất. Tuy nhiên, sự đồng thuận này phải đạt được bất chấp sự hiện diện của các phần tử không đáng tin cậy hoặc có khả năng phản bội trong hệ thống, được tượng trưng bởi các tướng lĩnh và sứ giả của họ.

Trong bài báo của họ, Lamport, Shostak và Pease nói rõ rằng một hệ thống máy tính đáng tin cậy phải quản lý lỗi của một hoặc nhiều thành phần, điều này có thể gửi thông tin mâu thuẫn. Điều này dẫn đến khái niệm về Dung sai lỗi Byzantine, một tính năng quan trọng để hệ thống hoạt động chính xác ngay cả khi gặp lỗi thành phần.

Cuối những năm 1990 chứng kiến những tiến bộ hơn nữa khi các nhà nghiên cứu Barbara Liskov và Miguel Castro phát triển thuật toán Dung sai lỗi Byzantine thực tế (pBFT), nâng cao sự đồng thuận trong các mạng phân tán. Mặc dù pBFT phải đối mặt với những thách thức, đặc biệt là về khả năng mở rộng, nhưng nó đã đặt nền móng cho các công nghệ blockchain tiếp theo.

Một cột mốc quan trọng trong việc giải quyết Vấn đề về các vị tướng Byzantine đến với sách trắng Bitcoin năm 2008 của Satoshi Nakamoto, giới thiệu thuật toán bằng chứng công việc (PoW) . Sự đổi mới này đã cách mạng hóa lĩnh vực này bằng cách đưa ra một giải pháp thiết thực để đạt được sự đồng thuận trong môi trường phi tập trung và không cần sự tin cậy, nền tảng trong sự phát triển của tiền điện tử và công nghệ chuỗi khối.

Bài toán các vị tướng Byzantine đã phát triển từ một vấn đề nan giải về mặt lý thuyết trong khoa học máy tính thành một yếu tố nền tảng trong công nghệ điện toán và tiền điện tử hiện đại, nhấn mạnh tầm quan trọng của giao tiếp đáng tin cậy trong các hệ thống phân tán.

Các thuật toán dung sai lỗi Byzantine phổ biến

Để bảo vệ khỏi sự gián đoạn của các hệ thống phân tán bởi một nhóm nhỏ các tác nhân gây hại, điều cần thiết là phải triển khai một thuật toán mạnh mẽ. Nhu cầu này đã dẫn đến sự phát triển của các giao thức đồng thuận có khả năng chịu lỗi Byzantine, công cụ cho phép điện toán phân tán đáng tin cậy xử lý các lỗi Byzantine một cách hiệu quả.

Một giao thức như vậy là Dung sai lỗi Byzantine thực tế (PBFT), một thuật toán đồng thuận được thiết kế cho các hệ thống phân tán. PBFT có thể xử lý tới một phần ba số nút của nó hoạt động theo kiểu Byzantine - tùy ý hoặc thậm chí có ác ý - mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của mạng. Thuật toán này được điều chỉnh để đạt được sự đồng thuận về chuỗi hành động theo cách nhanh nhất có thể trong khi vẫn duy trì hoạt động nhất quán ngay cả khi gặp lỗi Byzantine. PBFT sử dụng kết hợp chữ ký số, thời gian chờ và xác nhận để đảm bảo tiến trình liên tục của quá trình đồng thuận, ngay cả khi một số nút bị xâm phạm hoặc hoạt động độc hại, miễn là phần lớn vẫn đáng tin cậy.

Một giao thức quan trọng khác là Thỏa thuận Byzantine Liên bang (FBA), được thiết kế riêng cho các mạng phi tập trung. FBA cho phép các nút đạt được sự đồng thuận mà không cần cơ quan trung ương. Nó hoạt động bằng cách hình thành các liên đoàn gồm các nút độc lập tin cậy lẫn nhau. Trong mỗi liên đoàn, các nút thống nhất về thứ tự và tính hợp pháp của các giao dịch hoặc sự kiện, cho phép các liên đoàn riêng biệt tiến hành các quy trình đồng thuận của họ một cách độc lập. Một ví dụ về việc triển khai sử dụng FBA là Fedimint, một giao thức nguồn mở và nổi bật dành cho các giao dịch và lưu ký Bitcoin. Fedimint sử dụng thuật toán đồng thuận chịu lỗi Byzantine (HBBFT) của Honey Badger (HBBFT), cho thấy khả năng thích ứng và hiệu quả của FBA trong các ứng dụng trong thế giới thực.

Bằng chứng công việc (PoW) và vấn đề tướng lĩnh Byzantine

Vào tháng 10 năm 2008, Satoshi Nakamoto đã công bố sách trắng Bitcoin đầu tiên, đặt nền móng cho mạng lưới Bitcoin vào tháng 1 năm 2009. Mặc dù sách trắng không đề cập rõ ràng đến “vấn đề chung của Byzantine”, nhưng nó đưa ra một giải pháp hiệu quả cho vấn đề lâu dài này. vấn đề thường trực trong các mạng truyền thông kỹ thuật số.

Sự đổi mới của Nakamoto liên quan đến việc sử dụng bảo mật mật mã và mã hóa khóa công khai để giải quyết các thách thức do vấn đề tướng quân Byzantine đặt ra trong lĩnh vực giao dịch kỹ thuật số. Bảo mật mật mã sử dụng hàm băm - quá trình chuyển đổi dữ liệu thành một mã duy nhất - để bảo vệ chống giả mạo. Mã hóa khóa công khai được sử dụng để xác thực danh tính của những người tham gia trong mạng.

Các giao dịch bằng Bitcoin được bảo mật trong các khối, mỗi khối được liên kết với khối trước đó thông qua giá trị băm. Điều này tạo ra một chuỗi có thể theo dõi trở lại khối đầu tiên, được gọi là khối gốc. Chuỗi khối sử dụng cấu trúc Cây Merkle để xác thực các giá trị băm có nguồn gốc từ khối ban đầu này.

Tính hợp lệ trong mạng được đảm bảo khi mỗi khối truy tìm lại khối gốc. Những người khai thác cạnh tranh để giải các câu đố mật mã phức tạp, xác thực các khối này như một phần của cơ chế đồng thuận Bằng chứng công việc (PoW). Cách tiếp cận này không chỉ củng cố tính toàn vẹn của chuỗi khối mà còn khuyến khích người khai thác cung cấp thông tin trung thực vì chi phí tạo khối là rất lớn.

Bản chất khách quan của các quy tắc của Bitcoin loại bỏ khả năng giả mạo thông tin hoặc tranh chấp trong mạng. Các tiêu chí để xác thực các giao dịch và đúc Bitcoin mới rất rõ ràng và khách quan. Khi một khối được thêm vào blockchain, nó gần như không thể thay đổi được, do đó củng cố hồ sơ lịch sử của các giao dịch.

Trong hệ thống này, các công cụ khai thác đóng vai trò tương tự như các tướng trong bài toán tướng Byzantine, với mỗi nút chịu trách nhiệm xác minh các giao dịch - tương đương hiện đại với các thông báo trong ví dụ ban đầu. Việc sử dụng bảo mật mật mã của blockchain ngăn chặn các cuộc tấn công tiềm ẩn từ tin tặc (tương tự như kẻ thù), vì các giao dịch được nhóm thành các khối và được băm để tăng cường bảo mật. Thiết kế của Satoshi giới thiệu yếu tố xác suất bằng cách đặt thợ mỏ vào môi trường cạnh tranh để xác thực các khối, tăng cường tính phân cấp của mạng.

Sự cạnh tranh giữa các thợ mỏ liên quan đến việc giải một câu đố mật mã, với khả năng thành công gắn liền với sức mạnh tính toán hoặc tốc độ băm của họ. Người khai thác giải được câu đố sẽ phát sóng giải pháp mà những người khai thác khác sau đó sẽ xác nhận. Mục tiêu độ khó cho câu đố đảm bảo tính xác thực của lời giải.

Do đó, mọi thành viên của mạng Bitcoin có thể nhất trí nhất quán về trạng thái của chuỗi khối và tất cả các giao dịch của nó. Mỗi nút xác minh độc lập tính hợp pháp của các khối và giao dịch, loại bỏ nhu cầu tin cậy giữa những người tham gia mạng.

Hơn nữa, bản chất phi tập trung của blockchain có nghĩa là không có điểm thất bại duy nhất. Các khối được lưu trữ trên cơ sở dữ liệu phân tán, được sao chép trên toàn mạng, nâng cao khả năng chịu lỗi và đảm bảo rằng lỗi của một nút không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Sự dư thừa này giống như việc có nhiều người đưa tin theo cách tương tự của các tướng Byzantine, đảm bảo rằng tin nhắn được giữ nguyên ngay cả khi một người đưa tin bị xâm phạm.

Tương lai của Blockchain: Bằng chứng cổ phần (PoS) và Bằng chứng cổ phần được ủy quyền (DPoS)

Proof-of-Stake (PoS) là một cơ chế đồng thuận trong công nghệ blockchain được giới thiệu vào năm 2012 để giải quyết vấn đề chung của Byzantine. Không giống như các mạng dựa trên Proof-of-Work (PoW), mạng PoS không dựa vào hoạt động khai thác. Thay vào đó, họ sử dụng một quy trình được gọi là đặt cược .

Trong hệ thống này, người dùng, được gọi là người xác nhận, đặt cọc tiền của họ như một hình thức bảo mật. Người xác thực nắm giữ càng nhiều xu thì họ càng có thể xác thực nhiều khối hơn và phần thưởng họ có thể kiếm được càng cao. Tuy nhiên, có một rủi ro tiềm ẩn: những người xác thực cố gắng phê duyệt các giao dịch sai có thể bị mất số tiền đặt cược của họ.

PoS cho phép người dùng đặt cược tiền bằng cách sử dụng máy tính gia đình tiêu chuẩn, không giống như phần cứng chuyên dụng cần thiết để khai thác PoW. Nhiều mạng dựa trên PoS khác nhau đã phát triển các cơ chế để ngăn chặn chi tiêu gấp đôi và các rủi ro bảo mật khác liên quan đến lỗi Byzantine. Chẳng hạn, Ethereum 2.0 (Serenity) có kế hoạch triển khai thuật toán Casper PoS, cần có sự đồng thuận 2/3 giữa các nút để xác thực một khối.

Được giới thiệu vào năm 2014, Bằng chứng cổ phần được ủy quyền (DPoS) là một biến thể của mô hình PoS. Trong DPoS, chỉ một nhóm người dùng được chọn, được gọi là đại biểu, mới có quyền xác thực các giao dịch và tạo khối. Người dùng đặt cọc tiền tệ của blockchain để bỏ phiếu cho các ứng cử viên đại biểu, với phần thưởng khối thường được phân bổ theo tỷ lệ với số tiền đặt cược.

DPoS cho phép các nút đạt được sự đồng thuận nhanh hơn PoW hoặc PoS, cho phép xử lý giao dịch nhanh hơn trên quy mô lớn. Tuy nhiên, tốc độ này có thể phải trả giá bằng khả năng chịu lỗi của Byzantine. Với ít nút chịu trách nhiệm về an ninh mạng hơn, nguy cơ thông đồng chống lại lợi ích của đa số sẽ cao hơn. Để giảm thiểu điều này, mạng DPoS thường xuyên tổ chức các cuộc bầu cử đại biểu, đảm bảo các đại biểu vẫn chịu trách nhiệm về hành động và quyết định của mình.

Phần kết luận

Khi xã hội của chúng ta ngày càng áp dụng các hệ thống phân tán và các loại tiền tệ phi tập trung như Bitcoin, Vấn đề về các vị tướng Byzantine trở nên quan trọng trong việc điều phối nhiều thực thể độc lập mà không có sự giám sát của trung tâm. Trong các hệ thống như vậy, khả năng chịu lỗi của Byzantine là rất quan trọng để đảm bảo khả năng phục hồi và bảo mật, ngay cả khi có thông tin sai lệch hoặc sai lệch, cho phép đạt được sự đồng thuận bất chấp khả năng lừa dối và phản bội.

Bitcoin minh họa cách tạo ra một môi trường không cần sự tin cậy có khả năng chống lại các cuộc tấn công khác nhau. Thuật toán bằng chứng công việc (PoW) của nó là công cụ duy trì an ninh mạng bằng cách thúc đẩy sự cạnh tranh giữa các thợ mỏ. Sự cạnh tranh này khiến cho bất kỳ thực thể đơn lẻ nào gần như không thể thống trị mạng, do đó đảm bảo tính chất phi tập trung của nó. Mô hình của Bitcoin, bắt nguồn từ khả năng chịu lỗi của Byzantine, thể hiện một cách tiếp cận mạnh mẽ để đạt được sự đồng thuận và duy trì tính bảo mật khi đối mặt với các thông tin sai lệch và các hoạt động độc hại tiềm ẩn.

Xin lưu ý rằng Plisio cũng cung cấp cho bạn:

Tạo hóa đơn tiền điện tử sau 2 lần nhấp and Chấp nhận quyên góp tiền điện tử

12 tích hợp

6 thư viện cho các ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất

19 tiền điện tử và 12 chuỗi khối

Vấn đề của các vị tướng Byzantine là gì?

Lịch sử bài toán của các vị tướng Byzantine trong công nghệ phân tán

Các thuật toán dung sai lỗi Byzantine phổ biến

Bằng chứng công việc (PoW) và vấn đề tướng lĩnh Byzantine

Tương lai của Blockchain: Bằng chứng cổ phần (PoS) và Bằng chứng cổ phần được ủy quyền (DPoS)

Phần kết luận

Ready to Get Started?

Always know what you pay

Start your integration