Khả năng chịu lỗi Byzantine trong chuỗi khối

Trong vài thập kỷ qua, ngành công nghiệp tiền điện tử đã phát triển đáng kể. Các dự án mới liên tục xuất hiện, buộc các nhà phát triển phải tìm ra những cách mới để giải quyết các vấn đề tồn tại trong ngành. Một thuật ngữ khá phổ biến là cơ chế đồng thuận BFT. BFT là viết tắt của Byzantine Fault Tolerance và được coi là vấn đề lý thuyết của hệ thống máy tính, điều mà những người sáng tạo đã phải giải quyết từ rất lâu trước khi Bitcoin xuất hiện.

Tuy nhiên, nhiều nhà phát triển giao thức dựa trên chuỗi khối đang xử lý các vấn đề về khả năng chịu lỗi của Byzantine, vì vậy hãy xem xét bản chất của vấn đề và những tác động mà chúng ta gặp phải khi vấn đề này phát sinh.

Vấn đề chịu lỗi Byzantine

Vấn đề Khả năng chịu lỗi Byzantine là một trong những tình huống lý thuyết được xem xét thường xuyên nhất khi thảo luận về các sắc thái của sự đồng thuận. Vấn đề này lần đầu tiên được công nhận là tồn tại trong nghiên cứu "Những vấn đề chính về sự thất bại của Byzantine" của Leslie Lappport, Robert Szostak và Marshall Pease xuất hiện vào năm 1982.

Nghiên cứu cho thấy:

Một hệ thống máy tính đáng tin cậy phải đối phó với sự cố của một hoặc nhiều thành phần. Một thành phần bị lỗi có thể hoạt động theo cách thường bị bỏ qua, cụ thể là gửi thông tin xung đột đến các phần khác nhau của hệ thống. Vấn đề giải quyết loại lỗi này được gọi một cách trừu tượng là "Bài toán tổng quát về khả năng chịu lỗi của Byzantine".

Tên xuất phát từ sự tương tự được trình bày trong nghiên cứu.

Chính xác hơn, các tác giả mô tả một tình huống lý thuyết trong đó một số đơn vị của quân đội Byzantine đã đóng quân bên ngoài thành phố của kẻ thù. Mỗi phân đội có chỉ huy và mỗi phân đội ở trong một trại riêng biệt. Các chỉ huy phải vạch ra một kế hoạch hành động chung (tiến hoặc rút), nhưng chỉ có thể liên lạc qua sứ giả. Mặt khác, có thể có những kẻ phản bội trong số các tướng lĩnh có thể ngăn cản các tướng lĩnh trung thành đạt được mẫu số chung (đồng thuận).

Do đó, các tướng phải tìm cách đảm bảo rằng:

• tất cả các tướng trung thành đều theo cùng một kế hoạch hành động,
• một số ít kẻ phản bội sẽ không thể ngăn cản các tướng lĩnh áp dụng kế hoạch đúng đắn.

Vì vậy, chúng ta đang nói về một hệ thống có thể giải quyết vấn đề được mô tả ở trên và nó được gọi là Giải pháp chịu lỗi Byzantine (BFS). Đây là nguồn gốc của thuật toán đồng thuận BFT. Nhìn chung, giải pháp Byzantine Fault Tolerance ngăn chặn sự cố hệ thống do những người tham gia không đáng tin cậy (không hợp lệ).

Giải quyết vấn đề của các tướng Byzantine

Để giải quyết vấn đề về các vị tướng Byzantine và đưa ra Giải pháp dung sai lỗi của Byzantine (FTS), hầu hết các vị tướng đều phải sử dụng cùng một chiến lược. Điều này đạt được theo những cách khác nhau tùy thuộc vào bản chất của hệ thống và mục đích của nó. Trong chuỗi khối, hai cơ chế, bằng chứng cổ phần và bằng chứng công việc, cũng có thể đạt được sự đồng thuận về giải pháp dự phòng Byzantine bằng cách sử dụng các cách tiếp cận khác nhau.

Hầu hết các chuỗi khối bằng chứng cổ phần có thể hoạt động khi một phần ba các nút hiện có của nó sẽ thất bại, miễn phí kiểm soát quy tắc "3f+1", trong đó F i đề cập đến số nút không hoạt động. Bản thân công thức tính toán số nút phải có trong hệ thống để hệ thống hoạt động bình thường.

Ví dụ: để đáp ứng quy tắc (3f+1), trong một hệ thống có 4 nút, ba nút phải hoạt động đầy đủ.

Làm thế nào blockchain có thể giải quyết vấn đề này?

Công nghệ dựa trên chuỗi khối sẽ có một số cách để giải quyết vấn đề của các vị tướng Byzantine. Sự khác biệt duy nhất là thuật toán đồng thuận cần thiết và cách áp dụng BFTS. Các giải pháp khác nhau có thể được tìm thấy trên cả hai khía cạnh bằng chứng công việc và bằng chứng cổ phần.

Thật thú vị, Satoshi Nakamoto đã không đề cập đến “vấn đề chung của Byzantine” trong sách trắng bitcoin ban đầu. Tuy nhiên, sau khi ra mắt mạng Bitcoin, người tạo ra loại tiền điện tử đầu tiên chưa được biết đến đã đề xuất một giải pháp cho vấn đề nói trên bằng cách sử dụng sự đồng thuận "bằng chứng công việc". Satoshi đã tạo ra một cách để sử dụng bảo mật mật mã và mã hóa khóa công khai trên mạng kỹ thuật số. Để ngăn chặn mọi rò rỉ dữ liệu, bảo mật mật mã sử dụng hàm băm và danh tính của người dùng mạng được xác minh bằng khóa chung.

Các giao dịch được ghi lại trong các khối được liên kết với phần còn lại với chi phí băm và được bảo vệ bằng mật mã. Cũng cần lưu ý rằng chuỗi khối sử dụng cây Merkle để xác minh các giá trị băm đến từ khối chính. Mọi người khối đến từ khối gốc là hợp lệ. Các khối này được xác minh bởi những người khai thác giải các câu đố mật mã trong cuộc thi tạo khối đồng thuận.

Bitcoin đã thiết lập một bộ quy tắc rõ ràng và khách quan mà chuỗi khối phải tuân theo để khắc phục vấn đề chung của Byzantine. Người tham gia mạng phải xuất bản bằng chứng công việc để thêm thông tin vào chuỗi khối (do đó bằng chứng làm việc). Điều này gây tốn kém cho người tham gia và không khuyến khích họ chia sẻ thông tin sai lệch vì nó sẽ bị những người tham gia khác trong mạng bác bỏ.

Tất cả các quy tắc đều rõ ràng và khách quan, có nghĩa là thông tin không thể thay đổi.

Còn bằng chứng cổ phần thì sao?

Các mạng được cai trị bởi thuật toán đồng thuận bằng chứng cổ phần không dựa trên khai thác mà dựa trên cổ phần. Để trở thành người xác thực mạng, trước tiên người dùng phải gửi tiền vào hệ thống. Những người nắm giữ cổ phần lớn hơn cũng có thể cam kết nhiều khối hơn và nhận phần thưởng lớn hơn. Những người cố gắng làm sai lệch thông tin có nguy cơ mất cổ phần của họ.

Các hệ thống khác nhau giải quyết vấn đề này theo những cách khác nhau. Ví dụ: Ethereum 2.0 sử dụng thuật toán Casper. Nó đòi hỏi điều đó ít nhất hai phần ba phần lớn các nút đã đồng ý với một khối nhất địnhtrước khi nó được tạo và thêm vào mạng.

Có nhiều nỗ lực khác nhau để giải quyết vấn đề tùy thuộc vào nhu cầu của hệ thống và cách tiếp cận của nhóm. Ví dụ: với bằng chứng tham gia được ủy quyền (dPoS), sự đồng thuận đạt được nhanh hơn nhiều. Mặt khác, một số hệ thống sử dụng khả năng chịu lỗi Byzantine trong thực tế.