Wat is praktische Byzantijnse fouttolerantie? Volledige beginnershandleiding

Praktische Byzantijnse fouttolerantie

Consensusmodellen zijn een primair onderdeel van gedistribueerde blockchain-systemen en zeker een van de belangrijkste voor hun functionaliteit. Ze vormen de ruggengraat voor gebruikers om op een betrouwbare manier met elkaar te kunnen communiceren, en hun correcte implementatie in cryptocurrency-platforms heeft een nieuwe verscheidenheid aan netwerken gecreëerd met een buitengewoon potentieel..

In de context van gedistribueerde systemen, Byzantijnse fouttolerantie is het vermogen van een gedistribueerd computernetwerk om naar wens te functioneren en correct een voldoende consensus te bereiken ondanks het falen van kwaadaardige componenten (knooppunten) van het systeem of het verspreiden van onjuiste informatie naar andere peers.

Het doel is om zich te verdedigen tegen catastrofale systeemstoringen door de invloed van deze kwaadaardige knooppunten op de correcte werking van het netwerk en de juiste consensus die wordt bereikt door de eerlijke knooppunten in het systeem, te verminderen..

Afgeleid van de Het probleem van de Byzantijnse generaals, dit dilemma is uitgebreid onderzocht en geoptimaliseerd met een diverse set aan oplossingen in de praktijk en actief in ontwikkeling.

Het probleem van de Byzantijnse generaals

Byzantine Generals ‘Problem, Image by Debraj Ghosh

Praktische Byzantijnse fouttolerantie (pBFT) is een van deze optimalisaties en werd geïntroduceerd door Miguel Castro en Barbara Liskov in een academische paper in 1999 met de titel “Praktische Byzantijnse fouttolerantie​.

Het is bedoeld om de originele BFT-consensusmechanismen te verbeteren en is geïmplementeerd en verbeterd in verschillende moderne gedistribueerde computersystemen, waaronder enkele populaire blockchain-platforms.

Een overzicht van praktische Byzantijnse fouttolerantie

Het pBFT-model richt zich primair op het verschaffen van een praktische Byzantijnse toestandsreplicatie die Byzantijnse fouten (kwaadaardige knooppunten) tolereert door aan te nemen dat er onafhankelijke knooppuntstoringen zijn en gemanipuleerde berichten die worden gepropageerd door specifieke, onafhankelijke knooppunten..

Het algoritme is ontworpen om te werken in asynchrone systemen en is geoptimaliseerd om hoge prestaties te leveren met een indrukwekkende overhead-runtime en slechts een lichte toename van de latentie.

  • In wezen zijn alle knooppunten in het pBFT-model in een volgorde gerangschikt, waarbij één knooppunt het primaire knooppunt (leider) is en de andere de back-upknooppunten worden genoemd..
  • Alle knooppunten binnen het systeem communiceren met elkaar en het doel is dat alle eerlijke knooppunten met een meerderheid tot overeenstemming komen over de toestand van het systeem.
  • Knooppunten communiceren intensief met elkaar en moeten niet alleen bewijzen dat berichten afkomstig zijn van een specifiek peerknooppunt, maar ze moeten ook verifiëren dat het bericht niet is gewijzigd tijdens de verzending.

Praktische Byzantijnse fouttolerantie

Praktische Byzantijnse fouttolerantie, afbeelding door Altoros

Om het pBFT-model te laten werken, wordt ervan uitgegaan dat het aantal kwaadaardige knooppunten in het netwerk niet gelijktijdig gelijk kan zijn aan of groter kan zijn dan ⅓ van de totale knooppunten in het systeem in een bepaald kwetsbaarheidsvenster..

Hoe meer knooppunten in het systeem, des te wiskundig gezien is het onwaarschijnlijk dat een aantal dat ⅓ van de totale knooppunten nadert, kwaadaardig is. Het algoritme biedt effectief zowel levendigheid als veiligheid zolang maximaal (n-1) / ⅓), waarbij n het totale aantal knooppunten vertegenwoordigt, tegelijkertijd kwaadaardig of defect zijn.

Het daaropvolgende resultaat is dat de antwoorden die klanten op hun verzoeken ontvangen uiteindelijk correct zijn vanwege lineariseerbaarheid.

Elke ronde van pBFT-consensus (views genoemd) komt neer op 4 fasen. Dit model volgt meer een “Commander and Lieutenant” -formaat dan een puur Byzantijns Generaals-probleem, waarbij alle generaals gelijk zijn, vanwege de aanwezigheid van een leidersknooppunt. De fasen zijn hieronder.

  1. Een client stuurt een verzoek naar het leiderknooppunt om een ​​servicebewerking aan te roepen.
  2. Het leiderknooppunt multicast het verzoek naar de back-upknooppunten.
  3. De knooppunten voeren het verzoek uit en sturen vervolgens een antwoord naar de klant.
  4. De client wacht op f + 1 (f staat voor het maximale aantal knooppunten dat defect kan zijn) op antwoorden van verschillende knooppunten met hetzelfde resultaat. Dit resultaat is het resultaat van de operatie.

De vereisten voor de knooppunten zijn dat ze deterministisch zijn en in dezelfde staat beginnen. Het uiteindelijke resultaat is dat alle eerlijke knooppunten tot overeenstemming komen over de volgorde van de record en deze accepteren of verwerpen.

Het leiderknooppunt wordt tijdens elke weergave gewijzigd in een round-robin-type formaat en kan zelfs worden vervangen door een protocol met de naam weergaveverandering als een bepaalde hoeveelheid tijd is verstreken zonder dat het leiderknooppunt het verzoek multicast.

Een overgrote meerderheid van eerlijke knooppunten kan ook beslissen of een leider defect is en deze verwijderen met de volgende leider in de rij als vervanging.

Voordelen en zorgen met het pBFT-model

Het pBFT-consensusmodel is ontworpen voor praktische toepassingen en de specifieke tekortkomingen ervan worden vermeld in het originele academische artikel, samen met enkele belangrijke optimalisaties om het algoritme in real-world systemen te implementeren.

Integendeel, het pBFT-model biedt enkele belangrijke voordelen ten opzichte van andere consensusmodellen.

Voordelen van pBFT

Voordelen van pBFT, afbeelding door Zilliqa

Een van de belangrijkste voordelen van het pBFT-model is het vermogen om transactie definitief te maken zonder de noodzaak van bevestigingen zoals in Proof-of-Work-modellen zoals die welke Bitcoin gebruikt..

Als een voorgesteld blok is overeengekomen door de knooppunten in een pBFT-systeem, dan is dat blok definitief. Dit wordt mogelijk gemaakt door het feit dat alle eerlijke knooppunten het op dat specifieke moment eens zijn over de toestand van het systeem als gevolg van hun communicatie met elkaar.

Een ander belangrijk voordeel van het pBFT-model in vergelijking met PoW-systemen is de aanzienlijke vermindering van het energieverbruik.

In een Proof-of-Work-model zoals in Bitcoin is voor elk blok een PoW-ronde vereist. Dit heeft geleid tot het elektriciteitsverbruik van het Bitcoin-netwerk door mijnwerkers die op jaarbasis rivalen met kleine landen.

Wat is bitcoin? Volledige gidsWat is bitcoin? De ultieme gids voor beginners

Omdat pBFT niet rekenkundig intensief is, is een aanzienlijke vermindering van elektrische energie onvermijdelijk, aangezien mijnwerkers niet elk blok een rekenkundig intensief hash-algoritme voor PoW oplossen.

Ondanks de duidelijke en veelbelovende voordelen, zijn er enkele belangrijke beperkingen aan het pBFT-consensusmechanisme. Concreet werkt het model alleen goed in zijn klassieke vorm met kleine consensusgroepgroottes vanwege de omslachtige hoeveelheid communicatie die vereist is tussen de knooppunten.

De paper vermeldt het gebruik van digitale handtekeningen en MAC’s (Method Authentication Codes) als het formaat voor het authenticeren van berichten, maar het gebruik van MAC’s is buitengewoon inefficiënt met de hoeveelheid communicatie die nodig is tussen de knooppunten in grote consensusgroepen zoals cryptocurrency-netwerken, en met MAC’s is er een inherent onvermogen om de authenticiteit van berichten aan een derde partij te bewijzen.

Hoewel digitale handtekeningen en multisigs een enorme verbetering bieden ten opzichte van MAC’s, is het overwinnen van de communicatiebeperking van het pBFT-model en tegelijkertijd de beveiliging behouden de belangrijkste ontwikkeling die nodig is voor elk systeem dat het efficiënt wil implementeren..

Het pBFT-model is ook gevoelig voor sybil-aanvallen waar een enkele partij een groot aantal identiteiten (knooppunten in het netwerk) kan creëren of manipuleren, waardoor het netwerk in gevaar komt.

Dit wordt verminderd met grotere netwerkformaten, maar de schaalbaarheid en de hoge doorvoercapaciteit van het pBFT-model wordt verminderd met grotere formaten en moet daarom worden geoptimaliseerd of gebruikt in combinatie met een ander consensusmechanisme.

Platformen die vandaag geoptimaliseerde versies van pBFT implementeren

Tegenwoordig zijn er een handvol blockchain-platforms die geoptimaliseerde of hybride versies van het pBFT-algoritme gebruiken als hun consensusmodel of op zijn minst een deel ervan, in combinatie met een ander consensusmechanisme..

Zilliqa

Zilliqa gebruikt een sterk geoptimaliseerde versie van klassieke pBFT in combinatie met een PoW-consensus rond elke ~ 100 blokken. Ze gebruiken multisignaturen om de communicatie-overhead van klassieke pBFT te verminderen en in hun eigen testomgevingen hebben ze een TPS van een paar duizend bereikt in de hoop nog meer te schalen naarmate er meer knooppunten worden toegevoegd.

Dit is ook een direct resultaat van hun implementatie van pBFT binnen hun sharding-architectuur, zodat pBFT-consensusgroepen kleiner blijven binnen specifieke shards, waardoor de high-throughput-aard van het mechanisme behouden blijft terwijl de grootte van de consensusgroep wordt beperkt..

Zilliqa

Hyperledger

Hyperledger-stof is een open-source samenwerkingsomgeving voor blockchain-projecten en -technologieën die wordt gehost door de Linux Foundation en een geautoriseerde versie van het pBFT-algoritme gebruikt voor zijn platform.

Omdat geautoriseerde ketens kleine consensusgroepen gebruiken en niet de decentralisatie van open en openbare blockchains zoals Ethereum hoeven te bereiken, is pBFT een effectief consensusprotocol voor het leveren van high-throughput-transacties zonder dat je je zorgen hoeft te maken over het optimaliseren van het platform om te schalen naar grote consensusgroepen..

Hyperledger-stof

Bovendien zijn toegestane blockchains privé en op uitnodiging met bekende identiteiten, dus er bestaat al vertrouwen tussen de partijen, waardoor de inherente behoefte aan een vertrouwde omgeving wordt verminderd, aangezien wordt aangenomen dat minder dan ⅓ van de bekende partijen opzettelijk het systeem zouden compromitteren.

Gevolgtrekking

Byzantijnse fouttolerantie is een goed bestudeerd concept in gedistribueerde systemen en de integratie ervan via het praktische byzantijnse fouttolerantie-algoritme in systemen en platforms in de echte wereld, hetzij via een geoptimaliseerde versie of hybride vorm, blijft vandaag een belangrijke infrastructuurcomponent van cryptocurrencies..

Naarmate platforms zich blijven ontwikkelen en innoveren op het gebied van consensusmodellen voor grootschalige openbare blockchainsystemen, zal het bieden van geavanceerde Byzantijnse fouttolerantiemechanismen cruciaal zijn voor het handhaven van de integriteit van verschillende systemen en hun onbetrouwbare aard..

Mike Owergreen Administrator
Sorry! The Author has not filled his profile.
follow me