Byzantská odolnost proti chybám v blockchainu

Za posledních několik desetiletí se odvětví kryptoměn výrazně rozrostlo. Neustále se objevují nové projekty, které nutí vývojáře hledat nové způsoby řešení stávajících problémů v oboru. Jedním poměrně běžným termínem je mechanismus BFT konsenzu. BFT je zkratka pro Byzantine Fault Tolerance a je za ni považována teoretický problém počítačových systémů, se kterým se tvůrci museli vypořádat dlouho před objevením Bitcoinu.

Mnoho vývojářů protokolů založených na blockchainu se však potýká s problémy s byzantskou odolností proti chybám, takže se podívejme na povahu problému a důsledky, kterým čelíme, když tento problém nastane.

Problém byzantské tolerance chyb

Problém Byzantská odolnost proti chybám je jednou z nejčastěji zvažovaných teoretických situací při diskuzi o nuancích konsensu. Tento problém byl poprvé uznán jako existující ve studii „Major Problems of Byzantine Failure“ od Leslie Lappporta, Roberta Szostaka a Marshalla Pease, která vyšla v roce 1982.

Studie zjistila:

Spolehlivý počítačový systém se musí vyrovnat se selháním jedné nebo více komponent. Selhávající komponenta se může chovat způsobem, který je často přehlížen, konkrétně odesíláním konfliktních informací do různých částí systému. Problém řešení tohoto druhu selhání se nazývá abstraktně „byzantský obecný problém tolerance k chybám“.

Název pochází z analogie uvedené ve studii.

Přesněji autoři popisují teoretickou situaci, ve které několik jednotek byzantské armády bylo umístěno mimo nepřátelské město. Každý oddíl měl svého velitele a každý oddíl byl v samostatném táboře. Velitelé museli vymyslet plán společné akce (postup nebo ústup), ale mohli komunikovat pouze prostřednictvím poslů. Na druhou stranu by se mezi generály mohli nacházet zrádci, kteří by mohli zabránit loajálním generálům dosáhnout společného jmenovatele (konsensu).

Proto museli generálové najít způsob, jak zajistit, aby:

• všichni loajální generálové následují stejný akční plán,
• malá hrstka zrádců nebude schopna zabránit generálům v přijetí správného plánu.

Bavíme se tedy o systému, který dokáže vyřešit výše popsaný problém a je tzv Byzantské řešení odolnosti proti poruchám (BFS). Odtud pochází konsenzuální algoritmus BFT. Celkově řešení Byzantine Fault Tolerance zabraňuje pádům systému kvůli nespolehlivým (neplatným) účastníkům.

Řešení problému byzantských generálů

K vyřešení problému byzantských generálů a vytvoření Byzantského řešení odolnosti proti chybám (FTS) musí většina generálů použít stejnou strategii. Toho je dosaženo různými způsoby v závislosti na povaze systému a jeho účelu. V blockchainu mohou dva mechanismy, proof-of-stake a proof-of-work, dosáhnout konsensu o byzantském nouzovém řešení pomocí různých přístupů.

Většina blockchainů typu proof-of-stake může fungovat, když jedna třetina jeho stávajících uzlů selže, což dává volnost pravidlu "3f+1", kde F i odkazuje na počet nepracujících uzlů. Vzorec sám vypočítá počet uzlů, které musí být v systému přítomny, aby správně fungoval.

Například pro splnění pravidla (3f+1) v systému se 4 uzly musí být plně funkční tři uzly.

Jak může blockchain tento problém vyřešit?

Technologie založená na blockchainu by měla několik způsobů, jak vyřešit problém byzantských generálů. Jediným rozdílem je potřebný konsensuální algoritmus a způsob použití BFTS. Na straně proof-of-work a proof-of-stake lze nalézt různá řešení.

Zajímavé je, že Satoshi Nakamoto nezmínil „problém byzantských generálů“ v původní bílé knize o bitcoinech. Po spuštění bitcoinové sítě však neznámý tvůrce první kryptoměny navrhl řešení zmíněného problému pomocí konsensu „proof-of-work“. Satoshi vytvořil způsob, jak používat kryptografické zabezpečení a šifrování veřejným klíčem v digitální síti. Aby se zabránilo jakémukoli úniku dat, kryptografické zabezpečení používá hash a identita uživatele sítě se ověřuje pomocí veřejného klíče.

Transakce jsou zachyceny v blocích, které jsou propojeny se zbytkem na úkor hashování a jsou kryptograficky chráněny. Je třeba také poznamenat, že blockchain používá Merkle strom k ověření hashů přicházejících z hlavního bloku. Každý blok pocházející z bloku genesis je platný. Tyto bloky jsou ověřovány těžaři, kteří řeší kryptografické hádanky v soutěži o vytváření konsensuálních bloků.

Bitcoin zavedl jasný a definitivně objektivní soubor pravidel, která musí blockchain dodržovat, aby překonal problém byzantských generálů. Účastník sítě musí zveřejnit doklad o práci, aby mohl přidat informace do blockchainu (proto důkaz práce). To je pro účastníka nákladné a odrazuje ho to od sdílení nepravdivých informací, protože je ostatní účastníci sítě vyvrátí.

Všechna pravidla jsou jasná a objektivní, to znamená, že informace nelze měnit.

A co důkaz o sázce?

Sítě ovládané konsensuálním algoritmem proof-of-stake nejsou založeny na těžbě, ale na stakingu. Aby se uživatel stal validátorem sítě, musí nejprve vložit prostředky do systému. Ti, kteří drží větší podíl, mohou také spáchat více bloků a získat větší odměny. Ti, kteří se snaží falšovat informace, riskují ztrátu svého podílu.

Různé systémy řeší tento problém různými způsoby. Například Ethereum 2.0 používá Casperův algoritmus. To vyžaduje alespoň dvě třetiny většiny uzlů souhlasily s daným blokempřed jeho vytvořením a přidáním do sítě.

Existují různé pokusy o vyřešení problému v závislosti na potřebě systému a přístupu týmu. Například s delegovaným důkazem o účasti (dPoS) je dosaženo konsensu mnohem rychleji. Na druhou stranu některé systémy v praxi využívají byzantskou odolnost proti chybám.