Byzantine Fault Tolerance (BFT) とは何ですか? それはコンセンサスとどのように関係しますか?

ブロックチェーン システムにおけるビザンチン フォールト トレランスを理解する

1. Byzantine Fault Tolerance (BFT) とは、一部のノードに障害が発生したり悪意のある動作が発生した場合でも、システムが正しく機能し、コンセンサスに達する能力を指します。参加者間の信頼が保証されていないブロックチェーンのような分散型ネットワークでは、BFT は、信頼性の低いアクターや敵対的なアクターにもかかわらず、正直なノードが台帳の状態に同意できることを保証します。

2. この用語は、将軍が攻撃を調整しなければならないが、互いのメッセージを完全には信頼できないという思考実験「ビザンチン将軍問題」に由来しています。一部の将軍が偽情報を送信する裏切り者であれば、任務全体が失敗する可能性があります。同様に、ブロックチェーン ネットワークでも、特定のノードが誤ったトランザクション データをブロードキャストすると、システム全体の整合性が危険にさらされます。

3. BFT を組み込んだコンセンサス メカニズムにより、大多数の誠実なノードが誤解を招く入力を無効にし、それでも合意を達成することができます。この回復力は、参加者が匿名であり、信頼できない可能性があるパブリックおよびパーミッションレスのブロックチェーンにとって非常に重要です。

4. システムがビザンチン フォールト トレラントであるとみなされるには、ノード全体の 3 分の 1 までの障害または悪意のあるノードに耐える必要があります。このしきい値は数学的に導出され、分散システム理論全体で広く受け入れられています。

5. BFT ベースのコンセンサスプロトコルは、悪条件下での生存より安全を優先します。つまり、一貫性のない状態や不正な状態を受け入れるよりも、進歩を停止することを好みます。そのため、暗号通貨分野における金融アプリケーションや一か八かのアプリケーションに特に適しています。

暗号通貨における主要な BFT ベースのコンセンサス アルゴリズム

1. Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) は、BFT の最初の効率的な実装の 1 つであり、システムが低遅延でリクエストを安全に処理できるようにします。これは、事前準備、準備、コミットという一連のメッセージ交換を通じて動作し、レプリカが操作を検証して終了できるようにします。

2. EOS などの委任プルーフ オブ ステーク (DPoS) システムは、選出されたブロック プロデューサーにラウンドでトランザクションを確認させることで BFT 原則を統合します。超過半数が署名すると、ブロックは不可逆的とみなされ、投票メカニズムと暗号のファイナリティが組み合わされます。

3. Cosmos で使用されている Tendermint は、PBFT と検証者が順番にブロックを提案する Proof-of-Stake モデルを組み合わせています。その即時ファイナリティ機能は BFT ロジックに直接由来しており、投票力の +2/3 がブロックに署名すると、そのブロックは永続的になります。

4. Facebook (現在は Meta) が Diem プロジェクトのために開発した HotStuff は、直線的な通信の複雑さを備えたリーダーベースのアプローチを使用することで、従来の BFT を合理化します。この設計により、セキュリティ保証を維持しながら拡張性が向上します。

5. 一部のハイブリッド モデルは、ナカモト スタイルの最長チェーン ルールと BFT ファイナリティ ガジェットをマージします。たとえば、イーサリアムの Casper FFG は、プルーフ オブ ステークの上に BFT レイヤーをオーバーレイして、チェックポイントを確定し、再組織リスクを軽減します。

ネットワークセキュリティの強化におけるBFTの役割

1. BFT は、悪意のあるノードがフォークを作成しようとした場合でも、トランザクション履歴の 1 つのバージョンのみが受け入れられるようにすることで、二重支払い攻撃を防ぎます。

2.既知のバリデータセットを備えたネットワークでは、確認が確率的なコンセンサスのみに依存するのではなく、クォーラムからの決定論的な暗号署名に依存するため、BFT によりファイナリティが高速化されます。

3. BFT は、参加者の 3 分の 2 以上の同意を要求することで、敵対者が多数の偽の ID を作成する Sybil 攻撃から保護します。 33%を超える株式や議決権の支配権を獲得することは、経済的に法外なコストとなります。

4. 不正な動作をしているノードを一貫性のないメッセージング パターンを通じて特定できるため、リアルタイムの不正行為検出が強化されます。これらのノードが検出されると、将来の参加から削除または除外される可能性があります。

5. クロスチェーン相互運用性プロトコルでは、信頼できるサードパーティに依存せずにチェーン間の状態遷移を検証するために、BFT にヒントを得た設計がますます採用されています。

よくある質問

BFT と結果整合性モデルの違いは何ですか? BFT は、十分な数のノードが同意すると即座にファイナリティを達成しますが、Bitcoin の中本コンセンサスのような結果整合性モデルは、時間の経過に伴う確率的な確認に依存します。 BFT を使用すると、トランザクションが安全であると判断するために複数のブロック確認を待つ必要はありません。

BFT は完全にパーミッションレスな環境でも機能しますか?従来の BFT アルゴリズムは既知の参加者セットを想定しているため、オープンなパーミッションレス ネットワークへの直接適用は困難です。ただし、動的バリデータ選択を備えた Proof-of-Stake のような適応により、Cosmos や Polkadot などのシステムで BFT プロパティが有効になります。

ネットワーク遅延は BFT のパフォーマンスにどのような影響を与えますか?待ち時間が長いとノード間のメッセージの伝播が遅れ、コンセンサスに必要な十分な署名を収集するのに必要な時間が長くなる可能性があります。これが、多くの BFT プロトコルが地理的に分散していながらも適切に接続されたバリデーター クラスターでパフォーマンスが向上する理由です。

BFT には利点があるにもかかわらず、一部のブロックチェーンが BFT を避けるのはなぜですか?純粋な BFT システムは、速度と最終性のために分散化を犠牲にすることがよくあります。これらは同期通信の前提と固定のバリデータセットを必要とし、多くの暗号通貨の中心となるオープン参加の理想と矛盾します。