Comment la blockchain résout-elle le problème des généraux byzantins?

Comprendre le problème des généraux byzantins dans les systèmes distribués

Le problème des généraux byzantins est une expérience de pensée classique en informatique qui illustre la difficulté d'atteindre un consensus dans un réseau distribué où certains composants peuvent échouer ou agir avec malveillance. Imaginez plusieurs généraux entourant une ville, chacun commandant une partie d'une armée. Ils doivent collectivement décider d'attaquer ou de se retirer. La communication se produit via des messagers, mais certains généraux pourraient être des traîtres envoyant des messages contradictoires pour perturber la coordination. Le défi consiste à garantir que les généraux fidèles parviennent à la même décision malgré la présence d'acteurs peu fiables.

Dans le contexte des systèmes numériques, ce problème se traduit par des nœuds dans un réseau décentralisé qui doit être d'accord sur une seule version de la vérité, comme la validité d'une transaction - tandis que certains nœuds peuvent être défectueux ou compromis. Pour qu'une blockchain fonctionne en toute sécurité, elle doit résoudre ce problème en s'assurant que les participants honnêtes peuvent atteindre un consensus même si d'autres tentent de tromper ou de perturber le processus.

Le rôle des mécanismes consensus dans les blockchains

Pour résoudre le problème des généraux byzantins, les blockchains mettent en œuvre des mécanismes de consensus qui permettent aux nœuds distribués de s'accorder sur l'état du grand livre. Ces mécanismes sont conçus pour tolérer un certain nombre de nœuds défectueux ou malveillants. Les solutions les plus importantes comprennent la preuve de travail (POW) et la preuve de participation (POS) , qui permettent toutes deux la tolérance aux défauts byzantine (BFT).

Dans un système de preuve de travail comme Bitcoin, les mineurs rivalisent pour résoudre des puzzles cryptographiques complexes. Le premier à résoudre qu'il diffuse la solution au réseau. D'autres nœuds vérifient le travail et, s'ils sont valides, ajoutent le bloc à la chaîne. Étant donné que la résolution du puzzle nécessite un effort de calcul substantiel, il devient économiquement irréalisable pour un acteur malveillant de manipuler la blockchain à moins qu'il ne contrôle plus de 50% de la puissance de calcul du réseau - un scénario connu sous le nom de 51% d'attaque.

De même, la preuve de pieu sélectionne les validateurs en fonction de la quantité de crypto-monnaie qu'ils «enjeument» comme garantie. Les validateurs proposent et votent sur les blocs, avec leur influence proportionnelle à leur pieu. Si un validateur tente de tricher, il risque de perdre ses fonds jalonds grâce à un processus appelé Slashing. Cette dissuasion économique décourage le comportement malveillant et soutient le consensus parmi les nœuds honnêtes.

Comment l'immuabilité et la vérification cryptographique empêchent la tromperie

Les blockchains utilisent le hachage cryptographique et les signatures numériques pour assurer l'intégrité des données et l'authenticité. Chaque bloc contient un hachage du bloc précédent, créant une chaîne extrêmement difficile à modifier rétroactivement. La modification des données dans un bloc précédent nécessiterait de recalculer tous les hachages de blocs suivants, ce qui est impraticable par calcul dans un grand réseau.

Chaque transaction est signée avec la clé privée de l'expéditeur, permettant à tout nœud de vérifier son authenticité à l'aide de la clé publique correspondante. Cela empêche l'identité et garantit que seuls les acteurs légitimes peuvent initier des transactions. Lorsque les nœuds reçoivent un nouveau bloc, ils vérifient indépendamment toutes les transactions à l'intérieur, vérifiant les signatures numériques, les fonds disponibles et l'adhésion aux règles de protocole.

Ce processus de vérification décentralisé signifie qu'aucun nœud unique ne doit en faire confiance à un autre. Au lieu de cela, la confiance est dérivée de la validation collective du réseau. Même si certains nœuds diffusent de fausses informations, la majorité des nœuds honnêtes rejeteront les blocs non valides, préservant l'intégrité du grand livre.

Propagation du réseau et finalité dans les environnements byzantins

Pour que le consensus soit efficace, les informations doivent se propager efficacement à travers le réseau. Les blockchains s'appuient sur les protocoles de réseautage entre pairs (P2P) pour diffuser des blocs et des transactions. Lorsqu'un mineur ou un validateur produit un nouveau bloc, il est immédiatement diffusé aux nœuds voisins, qui à leur tour les relayent à d'autres. Ce mécanisme d'inondation garantit une distribution rapide.

Cependant, des désaccords temporaires peuvent se produire en raison de la latence du réseau, conduisant à des fourches - des situations où deux blocs valides sont créés simultanément. Dans les systèmes POW, le réseau résout cela en suivant la règle de la chaîne la plus longue : les nœuds acceptent la chaîne avec le travail le plus accumulé en tant que valide. Au fil du temps, une branche devient plus longue et l'autre est abandonnée. Cette convergence éventuelle garantit que tous les nœuds honnêtes s'accordent sur une seule histoire.

Dans les systèmes POS, la finalité est souvent réalisée grâce à des mécanismes tels que les tours de contrôle ou les tours de vote , où une supermajorité de validateurs doit approuver un bloc avant d'être considéré comme définitif. Ces protocoles réduisent le risque de réorganisation de la chaîne et améliorent la résistance aux défauts byzantins.

Tolérance aux défauts byzantine pratique et conceptions de blockchain modernes

Certaines blockchains mettent en œuvre la tolérance aux défauts byzantine pratique (PBFT) ou ses variantes pour parvenir à un consensus avec une consommation d'énergie plus faible que le POW. PBFT fonctionne dans un paramètre autorisé ou partiellement autorisé où les nœuds sont connus et peuvent communiquer en plusieurs tours. Il garantit un consensus tant qu'au moins les deux tiers des nœuds sont honnêtes.

Dans PBFT, un nœud de leader propose un bloc et d'autres nœuds passent par des phases de pré-préparation , de préparer et de s'engager à la valider. Une fois qu'un nombre suffisant de nœuds se sont engagés, le bloc est finalisé. Cette approche fournit une finalité immédiate et un débit élevé mais évolue mal avec un grand nombre de nœuds.

Les modèles hybrides, tels que la preuve déléguée de la participation (DPO) ou la tendance , combinent des éléments de BFT avec une gouvernance décentralisée. Ces systèmes élisent un ensemble limité de validateurs qui exécutent un consensus de style BFT, équilibrant la sécurité, la vitesse et la décentralisation. Ces conceptions montrent comment la technologie de la blockchain adapte les solutions théoriques aux contraintes du monde réel.

Processus étape par étape de la tolérance aux défauts byzantins dans Bitcoin

• Une transaction est lancée et signée avec la clé privée de l'expéditeur
• La transaction est diffusée sur le réseau Bitcoin et collectée dans un mempool
• Les mineurs sélectionnent les transactions et les regroupent dans un bloc candidat
• Chaque mineur effectue une preuve de travail en hachant à plusieurs reprises l'en-tête de bloc jusqu'à ce qu'un hachage valide soit trouvé
• Le premier mineur à trouver un hachage valide diffuse le bloc aux pairs
• Les nœuds de réception vérifient la preuve de travail , vérifiez toutes les transactions de validité et confirmez le hachage du bloc
• S'il est valide, les nœuds ajoutent le bloc à leur copie locale de la blockchain
• Le réseau continue de s'appuyer sur ce bloc, renforçant le consensus

Ce processus garantit que même si certains mineurs tentent de soumettre des blocs non valides, la majorité des nœuds les rejeteront, en maintenant l'accord sur le réseau.

Questions fréquemment posées

Quel est le nombre maximum de nœuds malveillants qu'une blockchain peut tolérer? Une blockchain utilisant un algorithme de consensus tolérant au défaut byzantin peut généralement résister jusqu'à un tiers des nœuds malveillants. Par exemple, dans PBFT, tant que moins de 33% des nœuds sont défectueux ou adversaires, le système peut toujours atteindre un consensus.

Comment la blockchain empêche-t-elle un seul nœud de mentir sur l'historique des transactions? Aucun nœud unique ne contrôle le grand livre. Chaque nœud maintient une copie complète de la blockchain et vérifie indépendamment chaque bloc. Si un nœud tente de présenter une fausse version, d'autres nœuds détecteront les incohérences dans les chaînes de hachage ou les signatures numériques non valides et la rejeteront.

Pourquoi la preuve de travail est-elle efficace contre les échecs byzantins? La preuve de travail lie le consensus au coût de calcul du monde réel. Un attaquant devrait contrôler plus de 50% du pouvoir de hachage du réseau pour remplacer constamment le consensus, qui est prohibitif et détectable.

Une blockchain peut-elle rester sécurisée si la plupart des nœuds sont hors ligne? Oui, tant qu'un nombre suffisant de nœuds honnêtes restent actifs pour valider et propager des blocs. Le réseau est conçu pour fonctionner avec une participation dynamique, et le consensus peut toujours être obtenu si les nœuds restants suivent correctement le protocole.