Wie löst Blockchain das Problem der byzantinischen Generäle?

Verständnis des Problems der byzantinischen Generäle in verteilten Systemen

Das Problem der byzantinischen Generäle ist ein klassisches Gedankenexperiment in der Informatik, das die Schwierigkeit veranschaulicht, einen Konsens in einem verteilten Netzwerk zu erzielen, in dem einige Komponenten möglicherweise scheitern oder böswillig handeln. Stellen Sie sich mehrere Generäle um eine Stadt vor, die jeweils einen Teil einer Armee befehligt. Sie müssen gemeinsam entscheiden, ob sie angreifen oder sich zurückziehen sollen. Kommunikation erfolgt über Messenger, aber einige Generäle könnten Verräter sein, die widersprüchliche Nachrichten senden, um die Koordination zu stören. Die Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass treue Generäle trotz der Anwesenheit unzuverlässiger Akteure die gleiche Entscheidung erreichen.

Im Zusammenhang mit digitalen Systemen bedeutet dieses Problem Knoten in einem dezentralen Netzwerk, das sich auf eine einzelne Version der Wahrheit einigen muss - wie die Gültigkeit einer Transaktion -, während einige Knoten möglicherweise fehlerhaft oder beeinträchtigt sind. Damit eine Blockchain sicher funktioniert, muss sie dieses Problem lösen, indem sichergestellt wird, dass ehrliche Teilnehmer den Konsens erreichen können, auch wenn andere versuchen, den Prozess zu täuschen oder zu stören.

Die Rolle von Konsensmechanismen in Blockchains

Um das Problem der byzantinischen Generäle zu beheben, implementieren Blockchains Konsensmechanismen , die es verteilten Knoten ermöglichen, sich auf den Zustand des Hauptbuchs zu einigen. Diese Mechanismen sind so konzipiert, dass sie eine bestimmte Anzahl fehlerhafter oder bösartiger Knoten tolerieren. Zu den bekanntesten Lösungen gehören der Nachweis der Arbeit (POW) und den Beweis für den Einsatz (POS) , die beide byzantinische Fehlertoleranz (BFT) ermöglichen.

In einem Nachweis des Arbeitssystems wie Bitcoin konkurrieren Bergleute um die Lösung komplexer kryptografischer Rätsel. Der erste, der es löst, sendet die Lösung an das Netzwerk. Andere Knoten überprüfen die Arbeit und fügen Sie den Block der Kette hinzu. Da die Lösung des Puzzles erhebliche Rechenaufwand erfordert, ist es für einen böswilligen Schauspieler wirtschaftlich unmöglich, die Blockchain zu manipulieren, es sei denn, sie kontrollieren mehr als 50% der Rechenleistung des Netzwerks - ein Szenario, das als 51% Angriff bekannt ist.

In ähnlicher Weise wählt der Nachweis des Anteils Validatoren basierend auf der Menge an Kryptowährung aus, die sie als Sicherheiten „beteiligen“. Validatoren schlagen Blöcke vor und stimmen mit ihrem Einfluss proportional zu ihrem Anteil. Wenn ein Validator versucht, zu betrügen, riskieren er, seine festgelegten Mittel durch einen Prozess namens Slashing zu verlieren. Dieser wirtschaftliche Anreiz entmutigt böswilliges Verhalten und unterstützt den Konsens zwischen ehrlichen Knoten.

Wie Unveränderlichkeit und kryptografische Überprüfung die Täuschung verhindern

Blockchains verwenden kryptografische Hashing- und digitale Signaturen, um die Datenintegrität und Authentizität zu gewährleisten. Jeder Block enthält einen Hash des vorherigen Blocks, der eine Kette erzeugt, die extrem schwer zu verändern ist. Das Ändern von Daten in einem vorherigen Block würde alle nachfolgenden Blockhashes neu berechnen, was in einem großen Netzwerk rechnerisch unpraktisch ist.

Jede Transaktion ist mit dem privaten Schlüssel des Absenders unterzeichnet, sodass jeder Knoten seine Authentizität mit dem entsprechenden öffentlichen Schlüssel überprüfen kann. Dies verhindert die Imitation und stellt sicher, dass nur legitime Akteure Transaktionen einleiten können. Wenn Knoten einen neuen Block erhalten, überprüfen sie unabhängig alle Transaktionen darin, überprüft digitale Signaturen, verfügbare Mittel und die Einhaltung der Protokollregeln.

Dieser dezentrale Überprüfungsprozess bedeutet, dass kein einzelner Knoten einem anderen vertrauen muss. Stattdessen wird Vertrauen aus der kollektiven Validierung des Netzwerks abgeleitet. Auch wenn einige Knoten falsche Informationen übertragen, lehnt die Mehrheit der ehrlichen Knoten ungültige Blöcke ab, wodurch die Integrität des Hauptbuchs erhalten bleibt.

Netzwerkverbreitung und Endgültigkeit in byzantinischen Umgebungen

Damit der Konsens wirksam ist, müssen sich Informationen über das Netzwerk effizient ausbreiten. Blockchains verlassen sich auf Peer-to-Peer-Netzwerkprotokolle (P2P), um Blöcke und Transaktionen zu verbreiten. Wenn ein Bergmann oder ein Validator einen neuen Block produziert, wird er sofort an benachbarte Knoten gesendet, die ihn wiederum an andere weitergeben. Dieser Überflutungsmechanismus sorgt für eine schnelle Verteilung.

Es können jedoch vorübergehende Meinungsverschiedenheiten aufgrund der Netzwerklatenz auftreten, was zu Gabeln führt, bei denen zwei gültige Blöcke gleichzeitig erstellt werden. In POW -Systemen wird dies aufgelöst, indem es der längsten Kettenregel folgt: Knoten akzeptieren die Kette mit der am meisten angesammelten Arbeit als gültiges. Im Laufe der Zeit wird ein Zweig länger und der andere wird aufgegeben. Diese spätere Konvergenz stellt sicher, dass alle ehrlichen Knoten auf eine einzige Geschichte einverstanden sind.

In POS -Systemen wird die Endgültigkeit häufig durch Mechanismen wie Checkpointing oder Stimmrunden erreicht, bei denen eine Supermajorität von Validatoren einen Block genehmigen muss, bevor er als endgültig angesehen wird. Diese Protokolle verringern das Risiko von Kettenreorganisationen und verbessern die Resistenz gegen byzantinische Fehler.

Praktische byzantinische Verwerfungstoleranz und moderne Blockchain -Designs

Einige Blockchains implementieren die praktische byzantinische Fehlertoleranz (PBFT) oder seine Varianten, um einen Konsens mit geringem Energieverbrauch als POW zu erzielen. PBFT arbeitet in einer zugelassenen oder teilweise zugelassenen Einstellung, in der Knoten bekannt sind und in mehreren Runden kommunizieren können. Es garantiert Konsens, bis mindestens zwei Drittel der Knoten ehrlich sind.

In PBFT schlägt ein Leader-Knoten einen Block vor, und andere Knoten durchlaufen Phasen der Vorbereitung , Vorbereitung und Verpflichtung , ihn zu validieren. Sobald eine ausreichende Anzahl von Knoten begangen hat, ist der Block abgeschlossen. Dieser Ansatz bietet eine sofortige Endgültigkeit und einen hohen Durchsatz, skaliert jedoch eine große Anzahl von Knoten schlecht.

Hybridmodelle, wie z. B. delegierter Beweis für den Einsatz (DPOs) oder Tendern , kombinieren Elemente von BFT mit dezentraler Governance. Diese Systeme wählen eine begrenzte Reihe von Validatoren, die einen Konsens im BFT-Stil durchführen, Sicherheit, Geschwindigkeit und Dezentralisierung ausbalancieren. Solche Designs zeigen, wie die Blockchain-Technologie theoretische Lösungen an reale Einschränkungen anpasst.

Schritt-für-Schritt-Prozess der Erreichung der byzantinischen Fehlertoleranz in Bitcoin

• Eine Transaktion wird initiiert und mit dem privaten Schlüssel des Absenders unterschrieben
• Die Transaktion wird an das Bitcoin -Netzwerk übertragen und in ein Mempool gesammelt
• Bergleute wählen Transaktionen aus und bündeln sie in einen Kandidatenblock
• Jeder Bergmann führt einen Nachweis der Arbeit durch, indem er den Blockheader wiederholt hat, bis ein gültiger Hash gefunden wird
• Der erste Bergmann, der einen gültigen Hash findet, sendet den Block an Kollegen
• Empfangen von Knoten überprüfen den Arbeitsnachweis , überprüfen Sie alle Transaktionen auf die Gültigkeit und bestätigen Sie den Hash des Blocks
• Bei gültig
• Das Netzwerk baut weiter auf diesem Block auf und verstärkt den Konsens

Dieser Prozess stellt sicher, dass die Mehrheit der Knoten, selbst wenn einige Bergleute versuchen, ungültige Blöcke einzureichen, diese abgelehnt und die Vereinbarung im gesamten Netzwerk aufrechterhalten.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die maximale Anzahl von böswilligen Knoten, die eine Blockchain tolerieren kann? Eine Blockchain mit einem byzantinischen Fehler-toleranten Konsensusalgorithmus kann typischerweise bis zu einem Drittel der böswilligen Knoten standhalten. In PBFT beispielsweise kann das System beispielsweise immer weniger als 33% der Knoten fehlerhaft oder kontrovers sind.

Wie verhindert Blockchain, dass ein einzelner Knoten über die Transaktionsgeschichte liegt? Kein einzelner Knoten steuert das Hauptbuch. Jeder Knoten unterhält eine vollständige Kopie der Blockchain und überprüft jeden Block unabhängig voneinander. Wenn ein Knoten versucht, eine falsche Version zu präsentieren, erkennen andere Knoten Inkonsistenzen in Hash -Ketten oder ungültige digitale Signaturen und lehnen sie ab.

Warum ist der Arbeitsnachweis gegen byzantinische Fehler wirksam? Der Nachweis der Arbeit verbindet den Konsens zu realen Berechnungskosten. Ein Angreifer müsste über 50% der Hash -Leistung des Netzwerks kontrollieren, um den Konsens konsequent zu überschreiben, was unerschwinglich teuer und nachweisbar ist.

Kann eine Blockchain sicher bleiben, wenn die meisten Knoten offline sind? Ja, solange eine ausreichende Anzahl ehrlicher Knoten aktiv bleibt, um Blöcke zu validieren und zu verbreiten. Das Netzwerk ist so konzipiert, dass sie mit dynamischer Teilnahme arbeiten, und es kann weiterhin ein Konsens erzielt werden, wenn die verbleibenden Knoten dem Protokoll korrekt folgen.