BFTコンセンサスとは何ですか？ブロックチェーンにどのように適用されますか？

BFTコンセンサス、またはビザンチンの断層トレランスコンセンサスは、ブロックチェーン技術の領域における重要な概念です。ビザンチンのフォールトトレランスとは、一部のコンポーネントが悪意を持って故障したり行動したりしても、正しく機能し、コンセンサスに到達するシステムの能力を指します。この概念は、故障または敵対的なノードが存在する場合でも、ネットワークの完全性とセキュリティを保証するため、ブロックチェーンで重要です。

BFTコンセンサスの起源

BFTの「ビザンチン」という用語は、ビザンチン将軍の問題に由来しています。これは、分散システムでコンセンサスを達成することの課題を説明するために使用される理論的なシナリオです。このシナリオでは、複数の将軍が攻撃または退却を調整する必要がありますが、一部の将軍は矛盾するメッセージを送信する裏切り者である可能性があります。問題は、裏切り者の存在にもかかわらず、忠実な将軍が全会一致の決定に達することができることを保証する戦略を考案することです。ブロックチェーンのBFTコンセンサスメカニズムは、いくつかのノードが損なわれていても、ノードがブロックチェーンの状態に同意できるようにすることにより、同様の問題を解決することを目的としています。

BFTコンセンサスの仕組み

BFTコンセンサスアルゴリズムは、ノードの最大3分の1が故障したり、悪意を持って行動したりするように設計されています。中核の原則は、ノードの3分の2以上が正直で正しく機能している限り、システムが依然としてコンセンサスを達成できるようにすることです。これは通常、ノード間の一連の投票とメッセージ交換を通じて達成されます。これは、BFTコンセンサスプロセスがどのように機能するかについての簡略化された概要です。

• プレペアフェーズ：ノードは新しいブロックを提案し、ネットワークにブロードキャストします。
• 準備フェーズ：他のノードが提案されたブロックに投票します。ノードが十分な票を受け取った場合、次の段階に移動します。
• コミットフェーズ：ブロックをコミットするために再び準備フェーズ投票に再び到達したノード。十分なノードが同意する場合、ブロックはブロックチェーンに追加されます。

ブロックチェーンでのBFTの適用

BFTコンセンサスメカニズムは、ノードのアイデンティティが既知で制御されている許可されたブロックチェーンで特に一般的です。 BFTを使用したブロックチェーンの例には、Hyperledger FabricとCordaが含まれます。これらのプラットフォームはBFTを使用して、高いトランザクションスループットと低レイテンシを確保します。これは、エンタープライズアプリケーションにとって重要です。

たとえば、Hyperledgerファブリックでは、BFTコンセンサスは、異なるコンセンサスアルゴリズムをプラグインできるモジュラーアプローチを通じて達成されます。ハイパーレッドガーファブリックのデフォルトコンセンサスメカニズムはRAFTと呼ばれます。この柔軟性により、組織はコンセンサスメカニズムを特定のニーズに合わせて調整することができます。

BFT対その他のコンセンサスメカニズム

BFTコンセンサスは、多くの場合、仕事の証明（POW）や株式証明（POS）などの他の一般的なコンセンサスメカニズムと比較されます。計算能力に依存しているPOWとは異なり、BFTは大幅なエネルギー消費を必要としません。これにより、BFTはより環境に優しく、エネルギー効率が優先事項であるアプリケーションに適しています。さらに、BFTはPOWよりもはるかに速くコンセンサスを達成することができ、迅速なトランザクション処理が必要なユースケースに最適です。

POSと比較して、BFTは悪意のある俳優に対してより強力なセキュリティ保証を提供します。 POSはバリデーターの経済的利害関係に依存していますが、BFTは一定の割合のノードを失敗なく侵害することを許容できます。ただし、BFTにはより複雑なセットアップが必要であり、POSよりもスケーラブルではありません。これは特定のシナリオでは制限となる可能性があります。

ブロックチェーンネットワークにBFTコンセンサスを実装します

BFTコンセンサスを備えたブロックチェーンネットワークのセットアップには、いくつかのステップが含まれます。ブロックチェーンでBFTを実装する方法に関する詳細なガイドを次に示します。

• BFTアルゴリズムを選択します。PBFT（実用的なビザンチン障害トレランス）、テンデリント、HotStuffなど、いくつかのBFTアルゴリズムが利用可能です。ネットワークの要件に最適なものを選択してください。
• セットアップノード：コンセンサスプロセスに参加するノードを識別してセットアップします。ノードが適切に構成され、ネットワークに接続されていることを確認してください。
• コンセンサスプロトコルを構成します：選択したBFTアルゴリズムをブロックチェーンのコードベースに実装します。これには、コンセンサスプロセスのさまざまなフェーズのロジックを作成することが含まれます（準備、準備、コミット）。
• 実装のテスト：ネットワークを展開する前に、BFT実装を徹底的にテストして、さまざまな障害シナリオを処理できるようにします。シミュレーションツールを使用して、さまざまな種類のノード障害と攻撃を模倣します。
• 展開と監視：実装がテストされたら、ブロックチェーンネットワークを展開します。ネットワークを継続的に監視して、コンセンサスを維持し、発生する可能性のある障害を処理します。

課題と考慮事項

ブロックチェーンネットワークでBFTコンセンサスを実装するには、独自の課題があります。主要な課題の1つは、スケーラビリティです。 BFTアルゴリズムは、ノードの数が増加するにつれて効率が低下する可能性があり、ネットワークのサイズを制限できます。さらに、BFTアルゴリズムの複雑さにより、より単純なコンセンサスメカニズムと比較して、実装および維持が難しくなります。

別の考慮事項は、セキュリティとパフォーマンスのトレードオフです。 BFTは強力なセキュリティ保証を提供しますが、遅延を導入してスループットを減らすこともできます。ネットワーク設計者は、特定のユースケースの要件を満たすために、これらの要因のバランスを慎重にバランスさせる必要があります。

よくある質問

Q：BFTコンセンサスはパブリックブロックチェーンで使用できますか？

A：BFTコンセンサスは許可されたブロックチェーンでより一般的に使用されますが、パブリックブロックチェーンでの使用に適合させることができます。ただし、BFTのスケーラビリティとパフォーマンスの制限により、大規模なパブリックネットワークにはそれほど適していません。 Cosmosのような一部のプロジェクトは、公共環境でBFT（Tendermintなど）のバリエーションを使用していますが、これらの実装には、地方分権化とセキュリティの観点からトレードオフが伴うことがよくあります。

Q：BFTはネットワークパーティションをどのように処理しますか？

A：BFTコンセンサスメカニズムは、ネットワークパーティションをある程度処理するように設計されています。ネットワークパーティションが発生した場合、BFTアルゴリズムは、まだ正直なノードの大部分がある最大のパーティションで動作し続けます。ただし、パーティションが正直なノードの大部分を持つ単一のパーティションがない場合、システムはパーティションが解決されるまでコンセンサスに到達できない場合があります。

Q：クラッシュフォールトトレランスとビザンチンのフォールトトレランスの違いは何ですか？

A：クラッシュフォールトトレランス（CFT）とは、一部のノードが故障したりクラッシュした場合でも、正しく機能を継続するシステムの能力を指します。ビザンチン断層トレランス（BFT）は、悪意を持って行動したり、誤った情報を送信したりする可能性のあるノードを処理することで、さらに一歩進んでいます。 BFTはより堅牢であり、より広い範囲の障害シナリオを処理できますが、実装する方が複雑であり、CFTよりも効率が低下する可能性があります。

Q：BFTは他のコンセンサスメカニズムと組み合わせることができますか？

A：はい、BFTを他のコンセンサスメカニズムと組み合わせて、それぞれの強度を活用するハイブリッドシステムを作成できます。たとえば、一部のブロックチェーンは、一般的なトランザクション処理のためにPOSなどのよりスケーラブルなメカニズムを使用しながら、特定の重要な操作にBFTを使用します。このアプローチは、セキュリティ、パフォーマンス、およびスケーラビリティのバランスをとるのに役立ちます。